葉片數對垂直軸風力機結冰分布影響風洞試驗

沈 賀，魏 搏，姜 禹，郭文峰, ，李 巖,,*

1.東北農業大學 工程學院， 哈爾濱 150030 2.寒地農業可再生資源利用技術與裝備黑龍江省重點實驗室， 哈爾濱 150030

0 引 言

在寒冷潮濕環境中運行的風力機容易出現結冰現象[1-2]，影響風力機葉片氣動特性和載荷分布，降低風力機輸出功率，甚至引發安全事故[3-5]。風力機結冰的研究方法主要包括結冰風洞試驗和數值模擬[6]。結冰情況復雜，相較于數值模擬而言，結冰風洞試驗方法更容易獲得與實際環境相似的結果[7]。當前，水平軸風力機是大型風力機的主流機型，國內外關于風力機的結冰研究主要集中于水平軸風力機。美國賓夕法尼亞州立大學Blasco等[8]研究了結冰粗糙度對風力機性能的影響。丹麥技術大學的Etemaddar等[9]模擬了風力機葉片大氣積冰對其氣動性能和結構的影響。中國空氣動力研究與發展中心的易賢、周志宏、李維浩等[10-13]對影響結冰的主要環境參數進行了研究。這些都為大型風力機結冰研究奠定了基礎。

在小型風能利用領域，垂直軸風力機占有一定的市場，研究垂直軸風力機結冰也具有重要的科學意義和應用價值。李巖等[14-15]利用風洞試驗初步研究了小型垂直軸風力機的結冰分布。然而，垂直軸風力機的結冰情況較水平軸風力機更為復雜，尚有很多需要探明的問題。本文在前人研究工作的基礎上，研究了葉片數對垂直軸風力機結冰分布的影響。

1 試驗系統與方法

1.1 結冰風洞試驗系統

圖1為東北農業大學結冰風洞試驗系統。該系統利用自然低溫和開口式風洞搭建而成，包含有水霧噴射系統、旋轉試驗臺和高速攝像機等。

圖1 結冰風洞試驗系統Fig.1 Experimental system of icing wi nd tunnel

風洞試驗段尺寸為1.0 m×1.0 m，風速范圍為0～20 m/s。水霧噴射系統由噴霧環、水泵、流量計、凈水器、PID溫度控制器和水箱等組成，如圖2所示。旋轉試驗臺由交流電機、變頻器、傳感器、A/D轉換器和計算機等組成。高速攝像機為Phantom v5.1，分辨率為1024 pixel×1024 pixel。高速攝像機安裝于風輪上方，拍攝葉片的結冰過程。

圖2 水霧噴射系統Fig.2 Spray system

1.2 試驗葉片

圖3為試驗葉片樣件。葉片弦長為100 mm，翼展為20 mm，表面粗糙度為3.2 μm。鋁在小型垂直軸風力機葉片中應用最為廣泛，故本文選取鋁制葉片。NACA0018翼型葉片的功率系數較高，所以試驗葉片選用NACA0018翼型。

圖3 試驗葉片樣件Fig.3 Blade rotor used for experiment

圖4為風輪示意圖。風輪中心與出風口中心高度一致，位于風洞出口外2.5 m處。試驗前打開安裝口，將試驗葉片安裝在試驗臺旋轉軸驅動的懸臂梁上，由電機驅動旋轉，旋轉半徑為0.3 m。試驗模型在試驗段風道截面上的投影面積約為3.53×104mm2，試驗段風道截面積為1×106mm2，阻塞比約為3.53%，壁面效應可以忽略，無需修正。

圖4 風輪示意圖Fig.4 Diagram of wind rotor

1.3 試驗方案

表1為試驗條件。低尖速比為風力機運行的初始或非工作階段。風力機葉片在低尖速比條件下結冰會破壞葉片氣動性能，使風力機以非正常工作狀態運行甚至停機，故本試驗選取了3種典型低尖速比：λ= 0.2、0.6、1.0。葉片數按照實度成倍增加的原則選取了3種（1、2、4）。試驗時間初選10 、15 和20 min，綜合初測試驗結果和試驗效率，最終選取15 min作為結冰試驗時長，采樣間隔5 min。

表1 試驗條件Table 1 Experimental condition

根據前期研究成果，確定了1組不同尖速比條件和不同葉片數的試驗方案，如表2所示。

表2 試驗方案Table 2 Experimental scheme

2 結果與分析

2.1 葉片表面結冰分布與形狀

圖5為旋轉葉片結冰分布。從圖中可以看出，工況1～工況9的葉片表面全部覆冰。在葉片表面結冰初期，由于鋁的導熱系數較高，來流中的過冷水滴在與葉片碰撞的瞬間完成熱交換，達到熱平衡，過冷水滴迅速結冰。隨著結冰時間增加，葉片表面輪廓增大，捕獲來流中過冷水滴的數量增多，導致葉片表面冰層厚度呈增大的變化趨勢。在低尖速比條件下，葉片結冰受離心力和旋轉效應的影響較小，葉片表面粗糙的霜冰層阻止了過冷水滴在葉片表面的流動，使葉片能夠保持其基本的氣動外形輪廓。隨著尖速比增大，葉片在單位時間內掠過的面積增加，與來流中過冷水滴碰撞的頻率增大，導致葉片表面冰層厚度也不斷增大。

圖5 葉片結冰分布Fig.5 Icing distribution of blade

2.2 冰層厚度分布

圖6為冰層厚度示意圖。為定量分析葉片表面的結冰分布特征，定義結冰厚度參數H。Hi為i（i=1、2、3、4、5、6、7、8、9）工況時葉片翼型表面任意點法線方向的冰層厚度。x軸代表葉片翼弦上某點距葉片前緣的距離，y軸代表葉片厚度。

圖6 冰層厚度示意圖Fig.6 Schematic diagram of ice thickness

圖7為葉片弦長相對位置圖。為定量對比分析試驗結果，本文將葉片弦長無量綱化并進行位置標注，圖中橫坐標軸正向為葉片內側，負向為葉片外側，c為葉片弦長，x/c為葉片弦長相對位置。

圖7 葉片弦長相對位置Fig.7 Relative position of the chord length

圖8為葉片冰層厚度圖。在工況1、2、3下，葉片內外側冰層厚度由前緣至尾緣均呈先減后增的變化趨勢，冰層整體呈W型分布。隨著尖速比增大，在工況4～9下這一現象發生改變，葉片外側靠近尾緣處冰層凸起，而葉片內側冰層呈滑梯狀，冰層厚度呈遞減趨勢。在所有工況下，多葉片風輪的葉片冰層厚度大于單葉片風輪，兩葉片風輪的葉片冰層厚度大于四葉片風輪。在葉片前緣區域，葉片外側冰層分布較內側更陡峭，且隨著尖速比的增大這一現象愈發明顯。在工況8下，葉片表面冰層厚度顯著大于其他工況，最大冰層厚度為15.5 mm。

圖8 葉片冰層厚度Fig.8 The icing thickness of blade

圖9為葉片冰層平均厚度圖。在葉片弦長0～10%區域內，葉片內、外側冰層厚度差值較葉片其他區域最大，且隨著風輪的葉片數增加，差值呈先增后減的變化趨勢。隨著尖速比增大，差值呈遞增趨勢。在工況8下，葉片內、外側冰層厚度差值最大為3.5 mm，當尖速比由0.6增至1.0時，葉片內、外側冰層厚度差值增幅最大為1.9 mm。當風輪的葉片數由1變為2或4時，葉片弦長0～10%區域內的冰層厚度增幅較葉片其他區域最大，且隨著尖速比增大冰層厚度增幅呈遞增趨勢。當λ=1.0，葉片數由1變為2時，冰層厚度增幅最大為4.5 mm。

圖9 葉片冰層平均厚度Fig.9 The average ice thickness of blade

2.3 討論

由試驗結果可知，在相同條件下，隨著葉片數增加，風輪周圍的流場發生變化，使來流中過冷水滴的運動軌跡發生改變，導致多葉片風輪的葉片捕獲過冷水滴的能力強于單葉片風輪的葉片，所以多葉片風輪的葉片冰層厚度大于單葉片風輪。但隨著葉片數增加，葉片間因“遮擋”而相互干擾的頻率增大，導致四葉片風輪的葉片捕獲過冷水滴的能力弱于兩葉片風輪的葉片，所以葉片冰層厚度呈先增后減的變化趨勢。隨著尖速比的增大，葉片受離心力和旋轉效應的影響增強，葉片表面前緣至尾緣冰層厚度分布變化顯著，所以尖速比是影響葉片表面冰層厚度分布的主要因素。在不同工況下，葉片弦長0～10%區域捕獲過冷水滴的能力顯著大于葉片其他部位。當λ=1.0，風輪的葉片數由1增為2時，葉片冰層厚度的增幅顯著大于其他工況。在工況1～3下，由于尖速比較低，離心力和旋轉效應對葉片表面結冰的影響較小，葉片內、外側冰層厚度差值較小。隨著尖速比增大，離心力和旋轉效應的影響增大。當作用在過冷水滴上的離心力大于過冷水滴與冰層表面之間的黏附力時，水滴將會在離心力的作用下脫離葉片表面，導致葉片內、外側冰層厚度差值增大。在本研究試驗條件下，當風力機的葉片數為2、尖速比為1.0時，葉片表面冰層厚度顯著大于其他工況，對風力機的運行影響最大。

3 結 論

1）垂直軸風力機旋轉葉片表面結冰分布受葉片個數和尖速比的影響顯著，葉片內外表面的結冰總體呈現非對稱分布特點，葉片表面的冰層厚度隨葉片數增加呈先增后減的變化趨勢，且多葉片風輪的葉片冰層厚度大于單葉片風輪。

2）隨葉片數增加，葉片弦長0～10%區域內的冰層厚度增幅顯著大于葉片其他部位，最大增幅為4.5 mm；葉片內外表面冰層厚度差值呈先增后減的變化趨勢，最大差值為3.5 mm。

3）隨尖速比增大，葉片前緣冰層厚度顯著大于葉片其他部位，最大冰層厚度為15.5 mm；葉片前緣內外表面冰層厚度差值呈遞增的變化趨勢，最大增幅為1.9 mm。