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风速仪有哪几种

放大字体  缩小字体 发布日期: 2017-08-09 浏览次数:56
  根据风机叶片电加热防冰结构和流场特点,并结合对覆冰条件下风机叶片表面能量交换过程的分析,建立了风机叶片电加热防冰理论模型,并对临界防冰状态进行了仿真分析;同时在人工气候室对理论模型进行了试验验证;另外提出了等差分区加热控制防冰方法。研究表明:不同叶片位置处的温升特性和临界防冰功率密度也不相同,随着旋转半径的增大,叶片表面温升速率下降,平衡温度降低,达到平衡温度所用时间缩短,临界防冰功率密度增大;防除冰结构的隔热层可以有效地阻碍热量向叶片内部传递,减少热量的损失;等差分区加热控制方法可以明显改善叶片表面的温度分布,降低叶片表面温差和能量消耗,具有工程实际意义。

  关键词:风机叶片;电加热;平衡温度;临界防冰;分区防冰

  0 引言

  叶片是风力发电机极其关键的部件之一,其外观形态、结构特性和机械强度直接关系到整机运行的可靠性和稳定性,对发电效率有着重要影响[1-2]。大部分风机安装在湿冷地区,其工作运行环境十分恶劣,极易造成叶片结冰。叶片覆冰严重影响电力系统的正常运行,造成发电量的损失;严重影响风电机组的载荷和出力,减少机组设计寿命,同时冰块脱落会对周围设备和人员造成安全隐患[3-7]。电加热防冰技术由于其简捷、快速、有效的防冰特点得到了迅速的发展。早在20 世纪90 年代中期,学者们开始对风机进行加热防冰研究[8-11]。芬兰的某叶片加热系统(利用安装于叶片表面的碳纤维元件)已在18 台风力发电机中成功使用[7];此外,另一种直接电阻加热的JE 系统也已成功使用,但还没有批量生产[8];Mahdi Pourbagian 对电加热系统的控制理论进行研究,利用仿真模拟分析了周期性加热对防除冰的影响,但缺乏可靠的试验验证[10];加拿大魁北克大学的C. Mayer 和A. Ilinca等开展了风机叶片电加热除冰的风洞试验,试验研究了风机叶片不同半径位置处除冰所需功率,试验得出:对一台1.8MW 的风机叶片来说,叶片前端 前缘所需除冰功率是叶片中部前缘的3.5-3.9 倍,前缘除冰功率是后缘的 2.6——2.9 倍,下表面除冰功率是上表面的1.3——1.5 倍[12];文献[13-15]进行了风机停机时防冰的试验研究,没有考虑风机实际旋转运行状况;文献[16]建立了简单的临界防冰功率模型,但考虑因素不全面,忽略了半径位置的影响,也没有考虑LWC 的影响;M.Mohseni 和A. Amirfazli 研究了一种机翼的新型电加热防冰系统,利用直径为0.25mm 的镶嵌在壳体中的康铜丝作为发热元件[17];Pinard 根据经验指出对一台150kW 的风力发电机,每个叶片需要3.4kW 的加热功率,但缺乏一定的理论支撑[18];Marjaniemi 和Peltola 指出电加热所需功率基本与空气和叶片表面的温差成正比[19];朱程香等采用一种新的基于压力和剪切力的流量计算方法,根据Messinger 控制容积思想,求解表面质量和能量守恒方程,获得载荷分布[20];马辉等对电加热防冰过程中的叶片表面状态进行了试验研究,随着加热功率的增大,叶片由湿状态防冰向干状态防冰过渡[21]。

  针对前人对风机叶片电加热防冰研究存在的诸多不足之处,本文对覆冰条件下的风机叶片热量交换过程进行了深入分析,建立了叶片防冰模型,得出了叶片不同半径处的温升特点及临界防冰功率密度,并利用有限元仿真对临界防冰状态下叶片截面温度分布进行了分析,并通过试验进行了验证;同时本文提出了基于能量分配的等差分区防冰方法。研究结果对揭示风机叶片防冰机理和实际运行风机的冰灾防治具有一定的参考意义和工程实用价值。

  1 风机叶片电加热防冰模型

  1.1 电加热防冰结构

  风机防冰系统结构是一种多层导热结构,从外到内依次为蒙皮、绝缘导热层、隔热层和叶片内部,如图1 所示。蒙皮是对叶片起保护作用的一层材料;导热层的作用是将热源产生的热量迅速地传递到叶片表面,电阻丝发热元件就镶嵌在该层中;隔热层是用来阻碍热量向叶片内部传递,从而使得热量更多地传递到叶片表面进行防冰。绝缘导热层要选用绝缘性高、导热性好的材料;加热元件选择的是镍铬电阻丝,具有良好的热稳定性;隔热层要选用导热系数小,比热容也较小的材料,保证热量尽量少地向叶片内部传递,同时降低其吸热量;蒙皮要具有良好的导热性和机械稳定性,保证加热区域产生的热量向此处扩散,同时使叶片具有良好的气动性能,起到更好的防冰效果。

  结合试验室条件,防冰结构选用材料如表1所示。

  1.2 风机叶片流场特点

  图 2 为风机在转动过程中所处的流场示意图。

  1.3 叶片表面热量交换过程

  风机叶片电加热防冰是当外界环境降到 0℃左右时,即开启电加热系统,从而使得叶片表面维持在0℃以上。在加热之前,叶片表面覆有一层水膜,由于叶片表面的光滑性及其旋转的作用,导致水膜的厚度很小,一般和叶片表面的粗糙度比较接近,取d1=0.1mm,蒙皮和绝缘导热层的厚度分别取d2=1mm 和d3=3mm,电阻丝直径为d4=0.35mm,布置间距为D=2mm,电阻丝、绝缘导热层、蒙皮和附着水膜吸热后,使得叶片表面温度升高,令温度变化为ΔT,在单位面积上,水膜、蒙皮、绝缘导热层和电阻丝吸收的热量分别为Q1、Q2、Q3、Q4,比热容和密度分别为C1、C2、C3、C4,P1、P2 、P3、P4,参数取值具体见表1。由Q=CMΔT 可得Q1、Q2、Q3、Q4 的大小关系如下:

  由式(4)可知,相对绝缘导热层和蒙皮,电阻丝和水膜吸热量较小,在计算中可将其忽略。

  空气中的过冷却水滴撞击到叶片表面并被加热到与表面相同温度,从而不发生冻结。随后的水滴在叶片表面不再停留,即撞击到叶片表面的水滴全部流走。防冰系统热量交换过程如图3 所示。

  在时间段dt 内,作用在风机旋转叶片表面上的热流主要有:防冰系统工作时加热元件提供的加热热流密度(qj),叶片表面加热层和蒙皮蓄热吸收的热量(Qc),叶片表面对流散热损失的热流密度(qh),附面层对过冷却水滴摩擦引起的气动加热热流密度(qv),叶片表面水蒸发散失的热流密度(qe),加热收集水滴的热流密度(qw),水滴碰撞叶片表面由动能转变成的热流密度(qwv),加热叶片表面由于辐射损失的热流密度(qr)。假设加热层与叶片内部具有理想的热绝缘,即热量不会向叶片内部传递,由热量平衡关系可得以下平衡方程:

  绝缘导热层内部温度均匀分布,在加热t 时刻,叶片表面对应的温度为T,令绝缘导热层和蒙皮单位面积上的质量为M1、M2,比热容为C1、C2,dt时间内的温升为dT,则有:

  假设水滴没有反弹,且撞击到叶片表面的水滴都能得到充分加热,则式(5)中等号右边的各物理量可表达如下:

  2 电加热临界防冰仿真及试验验证

  2.1 电加热临界防冰仿真

  临界防冰是叶片表面平衡温度刚好达到 0℃的的状态,结合式(5)—(7),令dT/dt=0 且T=0,即可得出叶片表面临界防冰功率密度大小。利用多物理场建模与仿真软件COMSOL Multiphysics 进行仿真分析。选取叶片0.9R(叶片90%长度的位置)位置处的截面建立模型,从而观察叶片截面温度分布状况。

  由图 4 可知,当热源施加根据理论模型计算出的临界防冰功率密度时,叶片表面防冰加热区域温度在-0.9—— -0.1℃之间,相对误差在1%——6%之间,可认为此时叶片处于临界防冰状态,同时可以看出,隔热层的作用有效地阻止了热量向叶片内部传递,叶片内部温度比加热区域温度低7——8℃,叶片后缘区域的表面温度与环境温度较为接近,减少了此处由于对流作用而损失的热量。

  2.2 电加热防冰试验验证

  为验证本文的模型是否正确,在高 11.6m、直径为7.8m 的人工气候室进行了覆冰条件下的风机叶片电加热防冰实验,试验原理和布置图如图5 所示。叶片表面温度测量采用热电阻温度传感器,为避免过冷却水滴直接撞击温度传感器引起的测量跳变干扰现象,特用接近叶片蒙皮材料的铝箔纸覆盖在传感器表面;风速采用手持式风速仪测量;本文采用的济南微纳仪器有限公司生产的激光粒度仪测取液态水含量。仪器的测量范围:4.6~323?m,重复性误差小于3%,准确性误差小于3%,如图6所示;通过调速装置调节鼓风机的转速,进而模拟不同风速情况;利用调压器调节加热功率密度。

  试验对象为300W 小型风力发电机,试品具体参数如表2 所示。

  试验选取0.1R、0.3R、0.5R、0.7R、0.9R 五个位置作为温度测取点,每隔10s 测取一次温度变化。根据叶片温度传感器测取的平衡温度大小并通过观察叶片表面是否处于冰水混合状态来确定叶片的临界防冰状态,进而拟合临界防冰功率密度分布情况。试验结果和理论结果对比如图7、8 所示。由图 7、8 可知,理论结果和试验结果基本一致,平衡温度相对误差在8%——10%之间,临界防冰功率密度相对误差在1%——6%之间,另外从图7 和图8 也可以得出以下规律:

  1)随着旋转半径的增大,对应的叶片温升速率在开始的一段时间内,差异并不明显,基本重合在一起,但随着时间的推移,曲线开始出现分离,越靠近叶尖,温升速率越低,曲线率先出现拐点,从而达到平衡状态;平衡温度温度随着半径的增大而逐渐降低,各点达到平衡温度所需时间随着半径的增大而缩短。

  2)从不同条件下的临界防冰功率密度与比例半径(占叶片长度的百分比)的关系曲线可以看出,临界防冰功率密度随着半径的增大而逐渐增大,曲线接近线性增长趋势,略微下凹,说明越靠近叶尖,所需的临界防冰功率密度增大的幅度略微变大。由于自然条件下的来流风速并不是严格垂直于叶片旋转所在平面,一般呈一定的夹角Φ,如图9 所示,需要做一定的修正。

  根据三角向量关系,可将v 分解成分别垂直和平行旋转平面两个分量,而平行分量导致叶片表面的水滴撞击量很小,可以忽略不计,于是有:

  3 风机叶片分区加热防冰方法

  图 10 为湖南雪峰山自然覆冰试验基地风机自然覆冰情况,由图10 可知,叶片前缘覆冰情况最为严重,叶尖到叶根覆冰厚度基本呈线性递减。

  由于叶片不同位置覆冰情况不同,所需防冰功率大小也有差异,因此叶片防冰需要一种单独控制加热区域的防冰方法,调节不同位置所需防冰功率,可以针对覆冰情况合理地进行能量分配,防止能量浪费,于是必须对叶片进行分区防冰。

  分区防冰方法要保证各个分区单元内温差不宜过大,否则会导致热量剩余浪费,图11 为叶片在均匀加热时不同半径处的平衡温度分布情况,外界条件为:

  由图 11 可知,随着半径的增大,叶片表面平衡温度逐渐降低,最后趋于平缓,为确保在各个分区内温度分布的均匀性,特提出等差分区方式,叶片前端采用较长分区单元,根部采用较小分区单元,如图12 所示。

  以五个分区为例,取基数D?R/10,等差d?R/20,其中R 为叶片半径,在与图13 相同的外界条件下,计算出每个分区靠近叶尖位置的临界防冰功率密度分别为:776.44、984.68、1298.12、1707.32 及2200.28W/m2。对每个分区施加以上理论临界防冰功率密度,忽略分区之间影响,以每个分区中心位置的温度去表征叶片整体温度分布趋势,可以得出叶片表面整体温度分布,如图13 所示。

  由图 13 可知,采用等差分区加热控制方法可以明显改善叶片表面的温度分布情况,使其整体分布变得比较均匀,有效地解决了因温差过大导致的能量浪费,相比整体加热而言,改加热方式使得温差控制在1℃范围内,有效地提高了热量的利用率。同时该研究是以叶片比例半径位置进行分析,与叶片长度无关,该研究同样适用于大型风力发电机,具有实际的工程应用意义。

  本文提出的等差分区效果图如图 14 所示,具体分区个数可以根据工程需要和预算进行调整。

  4 结论

  1)本文分析了风机叶片流场特点及其在覆冰条件下的能量交换过程,提出防除冰结构,建立了电加热防冰模型。

  2)电加热温升特性和临界防冰功率密度随叶片位置不同而变化,随着半径位置增大,温升速率下降,平衡温度降低,临界防冰功率密度增大,且增大幅度略微加强。

  3)电加热仿真结果表明,隔热层可以有效地阻碍热量向叶片内部传递,使得叶片内部温度较低,减少了热量损失,提高了热量利用效率。

  4)试验结果和理论结果基本吻合,为风机叶片防冰技术应用提供了理论基础。

  5)分区加热控制方法可以明显改变叶片表面温度分布,较低叶片表面温差,提高热量的利用率,本文提出的等差分区可以为工程应用提供借鉴。


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