风机叶片电阻加热防除冰原理与方法研究

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我国的风机装机总量已跃居世界第一位,其中风电场主要分布在我国“三北”等较湿冷地区,该地区的风机叶片存在严重的覆冰现象。叶片覆冰对风机的机械性能和气动性能造成很大危害。但目前用于风机叶片的防除冰方法效率较低且技术要求复杂。为提高风机的运行可靠性及发电效率,本文采用已广泛用于航天领域的电加热防除冰技术,对风机叶片的防除冰方向展开研究。  本文以300W小型风力发电机为研究对象,通过对其运行特点及热量交换过程的分析,建立了电加热防除冰理论模型,并分析了环境温度、风速、LWC(液态水含量)、叶尖速比等因素对电加热防除冰特性的影响,并对叶片截面温度分布情况进行了有限元仿真;同时研究了不同电阻丝布置方式对温度分布及融冰过程的影响,提出分区加热控制方法,并对理论模型进行了试验验证。具体成果如下:  ①加热功率密度和环境温度对叶片表面防冰温升特性的影响类似,二者与其呈线性关系,而风速、LWC和叶尖速比对叶片表面温升平衡温度的影响存在饱和作用。  ②覆冰厚度对除冰温升特性有着重要的影响,当覆冰厚度较大时,风速、LWC以及叶尖速比对除冰时间和临界除冰功率密度的影响较小;覆冰厚度越小,风速、LWC以及叶尖速比对温升时间和临界除冰功率密度的影响就越明显。  ③临界防冰功率密度与环境温度、LWC呈线性关系;不同叶尖速比范围内,临界防冰功率密度的变化规律不同;临界防冰功率密度随风速增大而增大,趋势因叶片位置不同而有所差异。  ④临界除冰功率密度与环境温度之间存在线性关系,与LWC、叶尖速比的变化关系随叶片位置变化而变化,与风速之间的关系存在先增大后减小的趋势;当覆冰厚度较大时,临界除冰功率密度无明显差异。  ⑤融化水和空气间隙影响着冰层融化过程,叶片前端和后端宜分别采用弦向和展向的电阻丝布置方式,从而提高融冰效率;分区加热控制方式可以使叶片表面温度整体分布较为均匀,减少热量浪费。  ⑥试验对电加热防除冰理论模型进行了验证,试验结果和理论模型结果之间基本吻合,同时本文提出的电阻丝布置方式也得到试验的验证。  本文的研究工作为提高风机叶片的防除冰效率提供了理论参考,为促进风机叶片电加热防除冰技术的应用奠定了理论基础。
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