淺析風力發電機葉片在結冰工況下覆冰質量計算

高 鵬 孫 塽 席 莉 劉雨佳 何 川 呂 娜

(湖南有色金屬職業技術學院 湖南株洲 412000)

引言

一個國家發展的根本方向，必然是減少消耗，降低污染，提高群眾居住條件，使得生產生活和自然環境互不矛盾。21世紀是一個節能減排的時代，其中，能源的節能減排顯得非常重要。一九七三年爆發石油危機后，許多發達國家把目光投向了風力發電技術。在幾十年后的今天，歐美國家通常擁有數十種風力發電體系，在市場經濟作用下日益壯大。

一、風力發電機葉片結冰的原理

和傳統發電技術相比，風力發電機器極大地降低能源消耗、減少人力參與、適用風能資源豐富地區等特點。在中國和海外，這種新型技術已經遍及世界，為我們國家減少能源消耗、減少能源輸入做出了巨大貢獻。然而，我們都知道，如果發電機的功率越大，風機塔筒的高度就會越高。這樣容易受惡劣氣候條件影響，風機葉片就會累積一定厚度的冰。[1]

二、風機設計階段的參數

惡劣氣候的來臨，機器葉片很容積累積冰層，從而引發機器外觀變形，葉片在工作的時候就會出現失靈的現象，不容易受到人工控制。除此以外，累積的冰片數量增加以后，進一步使得機器失衡，引發機器內部的系統崩壞，機器整體性能大幅下降，風機的危險系數進一步增加。因此，我們必須深刻重視風機的覆冰問題。我們現在還缺乏先進的抗覆冰技術，在氣候探測方面還不能十分精確，所以風機的結冰現象還不能完全消除，我們只能做好前期的設計來預防機器失靈。

葉片覆冰載荷：

1.根據筆者實際操作的風力發電機KD2325的設計參數，啟動風機工作以后，我們做兩種不同的假設，全部葉片覆冰和雙葉片覆冰兩種情境。目前覆冰的所有設計參數幾乎來源于風機葉片最前部分，具體地來說，這個部分就是從風輪標準線到風輪半徑區域內，這一段區域內由0線性變化為E，半徑范圍R～R延伸到了E，筆者寫入[1]：E=Ekcmincmax+cmin!"!(1)，假設E葉片最前部分半徑外覆冰的質量單位(每千克一米)；最大弦長單位為一米；接著進行葉片輪廓線性計算(米為單位)；E冰的密度(千克每立方)。k=0.00675+0.3exp-0.32RR1!"其中，R為風輪半徑，R1=1m。

2.風力電機可以極大地降低建筑能耗，所以在現代很多的地區中格外地重視這一項技術，很多工廠也在嘗試改良這一方法。因為覆冰是受到地球重力影響的，所以力的方向并不一樣，也不能產生其他方向的作用力。這里我們可以對地球重力可以忽略不計。啟動風機工作以后，葉片也會正常工作，其中一個葉片覆冰的慣性力可以用式子表達出來：F慣=mR冰2!除了所有葉片覆冰的情況，我們可以歸納其他的葉片情況。三葉片結冰的時候，整個機器的狀態沒有受到大的改變，這是由于三個葉片結冰，就衍生了我們圖片中的，呈圓周對稱分布的慣性力，他們的合力為零，沒有其他的加速度；但是如果有雙葉片發生了覆冰，它們的慣性力就沒有對稱，合力也發生了改變，從而引發了加速度，于是風機在惡劣的氣候條件下就不能再正常運行。(見圖1)。[2-3]

從上面的圖片我們可以得出，風機在朝向Y的時候出現了阻力。如果雙葉片的覆冰質量快要一致的時候，慣性力就會變成合力，使得機器不再平穩。我們可以得出的結果是：(1)如果兩個風機葉片同時覆冰，機艙就生出了Y向的周期加速度aY。(2)葉片覆冰質量m很大程度上影響了機艙加速度aY，這是因為F阻是被動力，風機發生晃動就會產生這個力。

三、結束語

資源緊缺是全球性的問題。21世紀以來，國際能源爭端此起彼伏，也是綜合國力競爭的重要因素，能耗過大對于國家是極為不利的。風力發電的穩定運轉，離不開有效的覆冰質量計算，兩者只有相結合使用才能發揮最大的功效，才能日益凸顯出風力發電技術的優越性?，F如今，風力發電行業在使用過程中要大力推廣覆冰質量計算的理論研究，從而真正意義上實現資源節能。