陳中亞 毛涵韜 劉欽東 羅勇水 任 靜 何俊尉

（浙江運達風電股份有限公司，浙江 杭州 310012）

風電作為一種可再生的新能源，在我國的電力結(jié)構(gòu)中占有較高的地位。然而當在冬季運行時，葉片結(jié)冰給風電場的運行安全和發(fā)電效益帶來了雙重困擾。葉片結(jié)冰破壞了氣動外型，降低了機組風能捕獲能力，加大了葉片的載荷和震動。風電場業(yè)主迫切需要可以對結(jié)冰較嚴重的風電場進行葉片裝配除冰的系統(tǒng)。熱鼓風加熱除冰是一種葉片主動抗冰凍技術(shù)，通過將加熱的空氣輸送到葉片內(nèi)腔中，熱空氣攜帶的熱量從葉片內(nèi)表面向外表面?zhèn)鬟f，從而融化葉片外表面的冰層。熱鼓風加熱除冰具有運行安全可靠、維護簡單易行以及系統(tǒng)成本較低等優(yōu)點。單純從傳熱流程來看，熱鼓風除冰過程中的熱對流和熱傳導流程并不復雜，可以通過試驗和數(shù)值模擬2 種方法研究其流動與傳熱特性，但是試驗條件較為苛刻，試驗成本也較高。針對該問題，筆者針對某型號葉片結(jié)構(gòu)建立了簡化的有限元分析模型，分析了特定葉片外環(huán)境溫度和風速條件下的葉片除冰性能，并針對該葉片結(jié)構(gòu)提出了一種葉片前緣腹板開孔的方法來優(yōu)化葉片內(nèi)腔流動阻力，從而優(yōu)化選型鼓風機運行風量和加熱器運行功率。

1 槳葉熱風循環(huán)系統(tǒng)

典型的翼型截面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。前緣區(qū)域為主要的迎風區(qū)域，也是葉片結(jié)冰嚴重且結(jié)冰對葉片氣動性能影響較大的區(qū)域。

圖1 典型的翼型截面結(jié)構(gòu)

熱鼓風加熱除冰作為一種主動抗冰凍技術(shù)，在國內(nèi)外基礎技術(shù)與工程應用領域已經(jīng)有許多相關研究。熱風循環(huán)系統(tǒng)由鼓風機、加熱器、通風管道和葉片內(nèi)腔組成，一種典型的鼓風機、加熱器、通風管道及其安裝支架連接結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 鼓風機、加熱器、通風管及其安裝支架連接結(jié)構(gòu)示意圖

熱風循環(huán)系統(tǒng)安裝位置示意如圖3 所示，系統(tǒng)主要由鼓風機、加熱器、通風管、擋風板及葉片組成，葉片主要包括前緣區(qū)域、后緣區(qū)域、2 塊腹板、2 塊腹板間區(qū)域和人孔板。以某型號葉片為例，利用Bladed 軟件計算槳葉承受風能載荷的分布情況，發(fā)現(xiàn)距離葉根15 m 至葉尖區(qū)間的前緣區(qū)域捕獲的風能將達到槳葉整體的80%以上?？紤]除去葉片整個表面覆冰既不高效也不現(xiàn)實，因此確定距離葉根15 m 至葉尖區(qū)間的前緣區(qū)域為除冰關鍵區(qū)域。

圖3 熱風循環(huán)系統(tǒng)安裝位置示意圖

2 數(shù)值模擬方法

流動傳熱過程受3 個最基本的物理規(guī)律的支配，即質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒。通過求解這些方程得到速度場、溫度場和壓力場。在三維直角坐標系中，對理想氣體工質(zhì)建立的守恒方程，質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程，如公式（1）～公式（3）所示。

式中：為密度；為速度矢量；為剪切力；為重力加速度；為溫度；為靜壓；為導熱系數(shù)；C為定壓比熱容。

采用商用CFD 軟件來完成葉片熱風除冰數(shù)值分析與性能優(yōu)化研究工作。數(shù)值分析計算主要步驟如下：1）建立控制方程。2）確定初始條件及邊界條件。3）劃分計算網(wǎng)格。4）建立離散方程。5）離散初始條件和邊界條件。6）給定求解控制參數(shù)。7）求解離散方程。8）判斷解的收斂性。9）顯示和輸出計算結(jié)果。數(shù)值分析計算流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)值分析計算流程圖

3 有限元模型介紹

3.1 三維簡化

某型號葉片SolidWorks 簡化建模如圖5 所示。筆者建立了包括腹板的葉片殼體的三維模型，根據(jù)距葉根不同距離的葉片截面尺寸和葉尖關鍵流通截面尺寸選擇關鍵建模尺寸。

圖5 SolidWorks 簡化建模

葉片從葉根到葉尖、從前緣到后緣鋪層的厚度和材料并不均勻，該研究假設葉片距葉根相同距離同截面葉片的厚度均勻，不同葉片截面殼體和腹板厚度見表1。

表1 不同葉片截面殼體和腹板厚度

將SolidWorks 建立的葉片殼體（包括腹板）簡化模型導入ANSYS ICEM 軟件，建立葉片內(nèi)、外流場通風模型，如圖6 所示。

圖6 葉片內(nèi)、外流場通風模型

內(nèi)流場新建?250 mm 通風管道、通風管隔板（距葉根15 m）及封堵隔板，葉片內(nèi)流場進風口為Inlet，出風口為Outlet，葉片外流場進風口Inlet，出風口為Outlet。

3.2 網(wǎng)格劃分

首先，進行高質(zhì)量的ANSYS ICEM 三角形面網(wǎng)格劃分，如圖7 所示。其次，將面網(wǎng)格導入FLUENT Meshing 劃分為以六面體為核心的多面體網(wǎng)格，如圖8 所示。葉片內(nèi)外壁面、管道及腹板等壁面劃分5 層邊界層，通過網(wǎng)格獨立性考核，最終確定總網(wǎng)格數(shù)量為593 萬，網(wǎng)格質(zhì)量較高，滿足計算要求。

圖7 ANSYS ICEM 三角形面網(wǎng)格劃分

圖8 FLUENT Meshing 以六面體為核心的多面體網(wǎng)格劃分

3.3 求解設置

該研究采用FLUENT 軟件進行數(shù)值分析，空氣密度設置為不可壓縮理想氣體，湍流模型選擇標準k-ε 兩方程湍流模型，不考慮壁面間的輻射換熱，采用SIMPLE 算法求解。

3.4 邊界條件

主要邊界條件設置如圖9 所示，葉片內(nèi)腔進風口為速度入口，出口為壓力出口；葉片外建立六面長方體外流場，前緣迎風面進風口設置為速度入口，后緣出風口設置為壓力出口，其余4 個面設置為對稱邊界。葉片和腹板內(nèi)外壁面溫度自動耦合求解。

圖9 邊界條件設置

4 結(jié)果分析

4.1 熱風除冰性能分析

在葉片外環(huán)境氣溫為-5 ℃、葉片前緣迎風風速為10 m/s且通風管道進口空氣溫度為70 ℃的條件下，除冰區(qū)域玻璃鋼區(qū)域內(nèi)、外壁平均溫度隨空氣流量變化而變化的關系如圖10所示。葉片總散熱功率約為25 kW。

由圖10 可知，隨著空氣流量的增大，除冰區(qū)域區(qū)域內(nèi)、外壁的平均溫度逐漸升高，當空氣流量分別為1 500 m/h、2 000 m/h、2 500 m/h、3 000 m/h 以及3 500 m/h 時，對應的除冰區(qū)域葉片外壁平均溫度分別為-0.6 ℃、0.8 ℃、2.0 ℃、2.8 ℃以及3.6 ℃。當葉片外壁溫度越高（高出冰的融化溫度0 ℃越多）時，與葉片接觸的冰層越容易融化成水膜，然后整個冰層在葉片轉(zhuǎn)動離心力的作用下脫落。但是葉片外壁溫度越高，其所需的熱空氣流量就越大，從而導致鼓風機風量和加熱器功率升高、體積變大，綜合考慮除冰系統(tǒng)的熱氣循環(huán)系統(tǒng)空氣流量定為2 500 m/h。在葉片外環(huán)境氣溫為-5 ℃、葉片前緣迎風風速為10 m/s且通風管道進口空氣溫度為70 ℃的條件下，葉片加熱到熱平衡時除冰區(qū)域玻璃鋼區(qū)域葉片外壁平均溫度大約為2 ℃，具有除冰、防冰的能力。

圖10 除冰區(qū)域內(nèi)、外壁平均溫度隨空氣流量變化而變化的關系

4.2 熱風流阻性能優(yōu)化

根據(jù)除冰系統(tǒng)已選型鼓風機特性曲線，如果要保證系統(tǒng)通風量大于或等于2 500 m/h，就需要保證達到該流量時葉片內(nèi)腔流動阻力大約為2 700 Pa。葉片內(nèi)腔流動阻力優(yōu)化方法如下：1） 縮短前緣腹板。2） 前緣腹板向后緣偏移。3） 前緣腹板靠近葉尖區(qū)域開孔。由于葉片腹板可縮短尺寸太小，對葉尖前緣與腹板終止截面積影響不大，因此，采用腹板開孔的方法來優(yōu)化葉片內(nèi)腔流動阻力。

根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)設計要求（開孔須為圓孔，且孔的位置盡量靠近葉尖），開孔直徑不超過開孔截面腹板高度的50%，孔間距大于孔徑的2 倍。通過ANSYS FLUENT 仿真建模比較從前緣腹板葉片向葉根方向依次開0 個、3 個、6 個、9個和12個孔的葉片內(nèi)腔流動阻力及開孔數(shù)量對葉尖流速的影響，開孔直徑為60 mm，靠近葉尖第一個孔距離前緣腹板終止點1 500 mm，孔間距500 mm，葉片前緣腹板開孔仿真計算物理模型如圖11 所示。

圖11 葉片前緣腹板開孔仿真計算物理模型（單位：mm）

開孔數(shù)量對葉片內(nèi)腔流動阻力的影響如圖12 所示。隨著開孔數(shù)量的增加，葉片內(nèi)腔流動阻力逐漸降低，當開孔數(shù)量為9 個時，與優(yōu)化前相比，葉片內(nèi)腔流動阻力由7 500 Pa 大約降至2 700 Pa，因此，當開孔數(shù)量大于或等于9 時，除冰系統(tǒng)搭載某型號葉片可實現(xiàn)大于或等于2 500 m/h 的通風量。

圖12 開孔數(shù)量對葉片內(nèi)腔流動阻力的影響

開孔數(shù)量對前緣腹板終止點截面平均流速的影響如圖13 所示。隨著開孔數(shù)量的增加，該截面平均流速逐漸降低，這是開孔產(chǎn)生分流導致的。當開孔數(shù)量為9 個時，與優(yōu)化前相比，該截面流速由118 m/s 降至35 m/s，即通過葉尖區(qū)域的流量由2 500 m/h 降至740 m/h，優(yōu)化后葉尖截面空氣流速依然較高，可滿足葉尖區(qū)域的除冰要求。

圖13 開孔數(shù)量對前緣腹板終止點截面平均流速的影響

在流量為2 500 m/h、開9 個孔的條件下，葉尖區(qū)域速度場如圖14 所示。開孔區(qū)域的分流明顯降低了葉尖與前緣、后緣腹板終止點截面的流速，從而降低了系統(tǒng)流動阻力，同時降低熱氣流對葉尖區(qū)域的載荷沖擊。

圖14 在流量為2 500 m3/h、開9 個孔的條件下葉尖區(qū)域速度場

4.3 鼓風機、加熱器設計

根據(jù)仿真計算結(jié)果可知，在環(huán)境比較惡劣的條件（葉片外環(huán)境氣溫為-5 ℃、前緣迎風風速為10 m/s）下，當通風管進口空氣溫度為70 ℃時，如果使除冰區(qū)域外壁平均溫度達到2 ℃以上，就需要鼓風機的風量大于2 500 m/h，加熱器功率大于25 kW。針對該葉片選型的鼓風機設計流量為4 400 m/h、壓力為2 000 Pa 且電機轉(zhuǎn)速為2 930 r/min。除冰系統(tǒng)流動阻力曲線與鼓風機特性曲線交點即為除冰系統(tǒng)實際運行工況點，如圖15 所示。由圖15 可知，除冰系統(tǒng)實際運行工況流量為2 667 m/h，壓力為2 530 Pa。

圖15 除冰系統(tǒng)實際運行工況點示意圖

根據(jù)仿真計算結(jié)果可知，除冰系統(tǒng)加熱器功率定為25 kW。當加熱器功率為25 kW、鼓風機流量為2 667 m/h 時，加熱器進出口空氣溫升為32 ℃。為了降低除冰系統(tǒng)運行過程中加熱器啟停時出口空氣溫度的熱慣性，25 kW 的加熱器分為2 個模塊控制（15 kW 和10 kW）。當啟動除冰系統(tǒng)時，2 個模塊均啟動；當加熱器出口溫度將要超過70 ℃時，通過控制10 kW 加熱模塊的啟停來控制加熱器出口溫度（大約維持在70 ℃）。鼓風機運行時加熱器空氣溫升與加熱功率的關系如圖16 所示。由圖16 可知，單獨啟動15 kW 加熱模塊時加熱器進出口溫升為19.2 ℃，單獨啟動10 kW 加熱模塊時加熱器進出口溫升為12.8 ℃。

圖16 鼓風機運行時加熱器空氣溫升與加熱功率的關系

5 結(jié)語

該文采用數(shù)值分析的方法對風電機組葉片熱風除冰的性能進行研究與設計優(yōu)化。針對某型號葉片結(jié)構(gòu)建立了簡化的有限元分析模型，分析了特定葉片外環(huán)境溫度和風速條件下的葉片除冰性能，并提出了一種在葉片前緣腹板開孔的設計方法來減小葉片內(nèi)腔的流動阻力，從而優(yōu)化設計鼓風機運行風量和加熱器運行功率。具體結(jié)論如下：1）對所研究型號的葉片來說，在葉片外環(huán)境溫度為-5 ℃、前緣迎風風速為10 m/s 的條件下，需要選型功率高于25 kW 的加熱器以及運行流量高于2 500 m/h 的鼓風機。2）在葉片前緣腹板開孔后，有效降低了氣流的流動阻力，增大了鼓風機的風量，減少了對葉尖區(qū)域的載荷。3）為了降低除冰系統(tǒng)運行過程中加熱器啟停時出口空氣溫度的熱慣性，可用多個模塊對加熱器進行控制。4）在葉片外環(huán)境溫度為-5 ℃、前緣迎風風速為10 m/s 的條件下，選型的鼓風機和加熱器可以使除冰區(qū)域外壁平均溫度大約為2 ℃ ，與環(huán)境溫度-5 ℃相比，平均溫升為7 ℃，除冰區(qū)域外壁最高溫度達到9 ℃，與環(huán)境溫度-5 ℃相比，最高溫升為19 ℃，系統(tǒng)具備較好的除冰能力。如果除冰系統(tǒng)實際運行時的葉片外環(huán)境溫度大于-5 ℃且葉片前緣迎風小于10 m/s，那么除冰區(qū)域外壁的溫度會更高，除冰效率也會更高。

該文所設計的除冰系統(tǒng)性能優(yōu)化和設計選型方案適用于冬季機組結(jié)冰時環(huán)境溫度大于或等于-5 ℃、風速小于或等于10 m/s 的風場。由于風機葉片型號的不同，葉片散熱面積和內(nèi)腔流動阻力均不相同，而葉片的散熱面積和內(nèi)腔流動阻力直接影響到鼓風機的風量和加熱器的功率，因此，還需要在獲取葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)后進一步仿真計算分析和優(yōu)化，從而確定該熱氣循環(huán)系統(tǒng)選型設計方案對其他型號葉片的適用性。