水平轴风力机旋转叶片结冰风洞实验相似准则与结冰特性研究

Blade icing will reduce the performance of wind turbine and affecting its safe operation, which is the hot research point in the wind energy field. The object of this research is the icing problem of rotating blade of typical large-scale HAWT. First, a reasonable and feasible modified scaling method will be studied based on the analysis of blade rotating factors and icing environmental factors to make the research on large-scale blade icing problem into the wind tunnel experimental research. This is the key theoretical problem for the experimental research on wind turbine blade icing. Then, a new experimental facility with low energy and cost will be developed by using the natural cold temperature in cold region which can remove the refrigeration part of icing wind tunnel. By using the scaling method and experimental system, the blade icing characteristics under different icing parameters and blade rotating parameters will be researched. The tests include: the icing shape and ice accretion along the directions of blade chord and span which means the 3D characteristics, the icing weight, the ice stress and icing adhesive force, heat tranfer. Then the force characteristics and the icing heat transfer characteristics of the whole blade will be computed. Based on the test results, the statistical law of blade icing and the icing mechanism can be found out. By measuring the rotor torque, the effects of icing on the blade aerodynamics performance will be researched. Furthermore, the PIV visualization test will also be carried out on iced blade to measure the flow field changes. This project can supply the theoretical and experimental base for the researches on anti-icing and de-icing system for large-scale wind turbine.

叶片结冰会降低风力机性能，影响安全稳定运行，是国际风能研究热点问题。本项目以典型大型水平轴风力机旋转叶片结冰问题为对象，综合分析风力机叶片结冰的物理过程，考虑风力机运转参数和结冰环境参数的影响，研究结冰风洞实验的相似准则，解决这一制约大型风力机叶片结冰实验研究的基础理论问题。通过构建利用寒冷地区自然低温的风力机结冰风洞实验系统省去冰风洞制冷环节，实现能耗少、成本低的实验室结冰研究方法。在结冰风洞内进行旋转叶片结冰实验研究，包括利用高速摄像记录叶片翼弦和翼展三维方向结冰分布及结冰生长过程；测量结冰质量、冰间应力和结冰粘结力以及传热量。通过实验结果算出叶片结冰力学特性和传热特性，获得叶片结冰统计规律。测试结冰前后风轮扭矩，分析结冰对不同转速下风力机气动特性影响。利用PIV测试结冰后叶片周围流场，分析结冰前后流动变化机理。本项目可为大型风力机防除冰系统研究提供理论和实验基础。

运行在寒冷地区的风力机会发生叶片结冰现象，使风力机的性能降低，影响安全稳定运行，是寒冷地区风能利用中需要解决的问题之一。由于风力机叶片尺寸大，而且工作在旋转状态，利用风洞实验研究结冰时需要运用相似准则来进行。但目前国际上对此研究还较少。本项目以典型大型水平轴风力机旋转叶片结冰为对象，在综合考虑叶片结冰的物理过程、风力机运转参数和结冰环境参数影响的基础上，提出了一个新的旋转相似参数：离心拉应力，并将其融入到影响结冰形状的基础参数体系中，建立了一种新的适用于一定缩比尺度内霜冰条件下的旋转叶片结冰形状风洞实验相似准则。为验证其有效性，构建了利用寒冷地区自然低温的风力机叶片结冰风洞实验系统，省去制冷环节，实现了能耗少、成本低的实验室结冰研究手段。利用该实验系统进行了验证实验，结果表明在设计工况下2种不同尺度叶片结冰形状相似，冰形轮廓基本重合。利用制定的结冰形状相似性定量分析方法得出叶片结冰形状相似度在75.22%-93.01%之间，证明了该结冰形状相似准则的有效性和适用性，为深入研究旋转叶片结冰相似准则奠定了基础。研究还进行了大量的旋转叶片结冰特性实验，利用高速摄像获得了叶片结冰分布与生长特征，尤其是获得叶片安装角和转速对结冰分布的影响规律。设计了叶片结冰粘结力测试系统和结冰传热测试系统，并进行了初步测试，获得了一定的规律。研究还针对某1.5MW水平轴风力机进行了旋转叶片结冰特性的准三维数值模拟，获得了在叶片弦长和翼展方向的三维宏观结冰形状。利用数值模拟和PIV实验相结合的手段分析了叶片结冰前后的流场变化。本项目获得的研究成果可为大型风力机旋转叶片的结冰机理与结冰特性研究提供理论与实验基础，为防冰与除冰技术的研究与开发提供参考。