一种基于超声波的风电机组叶片除冰方法

本发明涉及风机叶片除冰领域，特别涉及基于超声波的风电机组叶片除冰方法。

背景技术：

1、我国80％的风能资源集中在三北(西北、东北、华北)地区。由于这些地区海拔高、纬度高以及气候寒冷，导致风电机组叶片容易结冰。覆冰将对风电机组带来以下危害：

2、(1)结冰使叶片的翼型轮廓发生改变，破坏了叶片气动性能，叶片升阻系数发生变化，导致风能利用率和发电效率降低。

3、(2)结冰增加了风电机组塔座侧向疲劳载荷，导致发电量减少。降低了可靠性，影响风电机组安全稳定运行，甚至倒塌，危害人员安全。

4、(3)结冰使得叶片的重量增大，有时甚至会发生共振，不利于风电机组安全。

5、(4)风电机组运行时在离心力的作用下加之温度升高发生融冰时，冰层可能会被甩落，飞出的冰块会破坏附近建筑物或造成人员伤亡，造成严重的经济损失，发生风电机组运行事故。

6、目前国内外主要的除冰技术分为两大类：被动除冰、主动除冰。

7、被动除冰技术主要是涂层法、喷洒化学试剂法。涂层法使用的涂层有疏水性、电热性和光热性几种。疏水涂层能增大水滴与叶片表面的接触角并降低表面能量从而让表面的过冷水滴难以长时间粘附和冻结。然而，疏水涂层只能延迟叶片表面的结冰过程，当表面被一层薄薄的水膜或冰层覆盖时，它的防冰效果将完全丧失。黑色涂层通常与疏水涂层一起使用，利用其吸热特性来防止覆冰的形成。但是由于依赖光照强度且对光照强度有苛刻的需求，光照强度低时难以除冰，夏季光照强度高时叶片表面温度会上升过高，从而使叶片材料的性能快速遭到破坏，因此此种方式并不完善。喷洒化学试剂法，顾名思义是通过在叶片表面喷洒乙醇、乙二醇、丙二醇等试剂以达到降低水的冰点的目的，这种方法虽然操作方便，成本较低，但是无法长时间保持叶片不覆冰，并且化学试剂会增大叶片表面粗糙度，影响叶片气动性，还对环境造成很大程度的污染，所以此方法应用的领域相对而言比较局限，无法普遍地推广使用。

8、主动除冰技术主要分为热力除冰法和机械除冰法，热力除冰法包括电加热、微波加热和气热加热法。机械除冰法包括气爆除冰、电脉冲除冰和超声波除冰法。目前最为普遍地采用电加热法进行风电机组的除冰，电加热法是通过安装在叶片表面或内部的电热元件升高自身温度进行除冰的，但是需要消耗较多电能，覆盖叶片表面的大量热元件需要复杂的布线网络，这可能会导致加热系统出现问题。气热除冰通过在叶片内腔流动的热空气，由内向外传递热量，从而融化叶片表面附着的冰层，由于叶片材料的导热系数偏低，同时部分叶片内部存在通风不良的问题，气热除冰的效率不高，加之热量流失较为严重，热效率低。气爆式除冰工作时，对预先布置的气囊进行充气，气囊膨胀到一定程度后会挤爆冰层，从而实现除冰，该方法最早用于飞机机翼，在风电机组表面考虑到可能影响叶片气动特性并且会产生噪声，运行维护费用较高，因此没有大规模使用。电脉冲法是通过磁场在金属表皮中感应出涡流产生脉冲力来除冰的，金属表层在冲力的作用下振动，可以将冰层从基体上分离，最后在空气动力和惯性力的作用下，残余的积冰被清除，但是这项技术对于风电机组叶片除冰仍是一项新技术，其可靠性未经验证。

9、现有的除冰装置存在着高耗能、大体积等问题，利用超声波除冰越来越受到人们的关注。超声波技术已经被广泛应用于飞机机翼除冰，lamb波和sh波在不同的介质中传播时，会在冰层和基板界面处产生波速差，从而产生剪切应力。当剪切应力超过冰层的粘附应力时，冰层便会脱落。超声波除冰具有能耗低、质量轻、成本低、易维修的优点，且在低温环境表现良好，并且对风电机组叶片的气动性能影响较小。

技术实现思路

1、本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种基于超声波的风电机组叶片除冰方法。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种基于超声波的风电机组叶片除冰方法，包括以下步骤：

4、步骤一、建模

5、对风电机组叶片，沿叶展方向将其分为叶尖、叶中与叶根三个部分，每部分各截取一段，沿弦长方向将叶片分为曲率不同的前缘、迎风面和背风面三部分，建立覆冰叶片模型；

6、步骤二、模型的导入与材料参数的设置

7、模型单元由冰、叶片、压电换能器三部分组成，通过import geometry将覆冰模型导入到ansys workbench中，设置材料参数；

8、步骤三、载荷约束与网格划分

9、在ansys workbench 18压电模块中，压电片极化方向默认为坐标轴的z轴，由于叶片各处曲率不一，所以设置新坐标轴，使压电换能器沿新建坐标轴z轴极化，插入voltage，在压电换能器表面施加电压；

10、步骤四、分析类型和求解选项的设置

11、确定负载频率的范围，接着，设定子步数n，这意味着在整个频率范围内，将以n个等间隔的点来进行分析，以获得更精细的结果；同时，负载步长设定，这决定了每个子步之间的频率间隔，还需要设定好阻尼比与刚度系数，最后，在求解方法上，选择使用完全法full进行谐响应分析；

12、通过谐响应分析，确定不同个数的压电换能器和安装间距下的超声除冰频率、剪应力云图分布规律和除冰面积比，通过对比剪应力云图分布规律，计算除冰面积比，寻找最佳布置方式；

13、步骤五、在理论分析与仿真分析的基础上，进行实际除冰。

14、所述步骤一中，当安装2个压电换能器时，安装间距为150mm，安装3个压电换能器时，安装间距为120mm，安装4个压电换能器时，安装间距为90mm。

15、所述步骤一中，叶根前缘压电换能器中心距隔板47cm，迎风面压电换能器中心距隔板43.5cm，背风面压电换能器中心距隔板44.2cm，压电换能器安装和覆冰位置叶中叶尖和叶根相同，弦长与压电换能器中心距隔板距离不同，其中叶中靠近根部弦长144cm，靠近尖部弦长142cm，叶中前缘压电换能器中心距隔板36cm，迎风面压电换能器中心距隔板30cm，背风面压电换能器中心距隔板30.5cm；叶尖靠近根部弦长71cm，靠近尖部弦长65cm，叶尖前缘压电换能器中心距隔板20.8cm，迎风面压电换能器中心距隔板17.1cm，背风面压电换能器中心距隔板15.1cm。

16、所述步骤四中，谐响应仿真的物体动力学的一般线性方程如下：

17、

18、其中，[m]为质量矩阵，[c]为阻尼矩阵，[k]为刚度矩阵，{f}为简谐载荷，为{u}位移矢量，为速度矢量，为加速度矢量，{f(t)}是力矢量；

19、在谐响应分析中，动力学方程为：

20、

21、所述步骤四中，在得出各节点的最优除冰频率之后，需依据剪切应力云图是否满足均匀且呈正负交替分布规律，选取最优超声除冰频率，为了量化平面剪切应力在冰层表面的分布情况，引入除冰面积比例系数来衡量剪切应力对除冰效果的影响。表达式为：表达式为：式中k为除冰面积比，s1表示剪切应力大于粘附应力的面积，s表示覆冰面积，f0cos(ωt)表示谐响应分析中力矢量实部。通过对比除冰面积比得到最佳压电换能器布置方式和安装间距。

22、与现有技术相比，本发明的有益之处为，

23、1、本发明超声波可以在不影响叶片气动特性的情况下实现高效除冰，且在低温环境下有着良好的表现.

24、2、超声波除冰有能耗低、不污染环境、成本低、易维修等优点。