一种风机叶片除冰系统及其工作方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风机叶片除冰系统及其工作方法。

背景技术：

随着风力发电的不断发展，目前已经有许多风电场处于易凝冻的地区，当环境温度降到0℃左右，易发生结冰现象。叶片表面一旦结冰，会带来性能劣化、机械失效等问题，同时由于结冰停机会引起额外的经济损失。目前，风力发电机组除冰技术的研究大体可以分为两大类：一是热鼓风除冰技术；二是电加热除冰技术。热鼓风除冰具有技术风险可控、安装方便、无雷击风险，新装、改造都适宜等特点，因而被更广泛的采用。

现有的热鼓风除冰技术利用导热管将热风送入风机叶片内部，与叶片进行换热。在实际运行时，叶尖由于线速度较大，散热较快，因此结冰趋势较为明显。但是，在与热风进行换热时，越靠近叶尖的部位，气流温度反而越低，且由于流道变窄，气流的停留时间降低，这对于传热效果来说是极不理想的。若有严重的加热不均，还会导致叶片内部的热应力过大，加速叶片的疲劳、老化，对机组安全带来不利影响。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种风机叶片除冰系统及其工作方法，优化了风机叶片内除冰管道的结构，改善了叶片内部的传热效果，提高了除冰系统的经济性和安全性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种风机叶片除冰系统，包括风机出口管道、第一气路、第二气路和挡板；风机出口管道为直管，第一气路和第二气路在叶片前缘和腹板之间分层迂回排列，第一气路靠近叶片前缘设置；挡板分别于叶片前缘和腹板固定连接，挡板上开设有贯通的第一气路接口和第二气路接口；第一气路的一端与风机出口管道连接，另一端与第一气路接口连接；第二气路的一端与风机出口管道连接，另一端与第二气路接口连接；第二气路上设有阀门，叶片前缘上设有叶片前缘测温仪，腹板上设有腹板测温仪。

优选地，第一气路和第二气路分别位于叶片前缘与腹板之间的三等分位置处。

优选地，第一气路和第二气路为方波形。

进一步优选地，第一气路靠近叶片前缘的管段与叶片前缘的弯曲度匹配。

优选地，第一气路和第二气路的分布密度沿风机出口管道至挡板增大。

优选地，第一气路和第二气路迂回幅值大于30cm。

优选地，第一气路和第二气路的迂回方向相反。

优选地，风机出口管道的长度为2～3m。

本发明公开的上述风机叶片除冰系统的工作方法，包括：

风机叶片需要进行加热时，除冰气流经热风机进入风机出口管道，当叶片前缘测温仪测得的温度与腹板测温仪测得的温度之差小于预设温差值时，阀门关闭，除冰气流只在第一气路中流动换热；当叶片前缘测温仪测得的温度与腹板测温仪测得的温度之差大于等于预设温差值时，阀门开启，除冰气流分成两股分别流经第一气路和第二气路，并通过挡板上的第一气路接口和第二气路接口后再叶片内部通道混合，并向叶尖流动，到达叶尖后绕过腹板端部，进入腹板与叶片后缘所包围的空间内进行换热后，于叶根处流出叶片。

优选地，预设温差值为5℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

已有的技术方案中，无论是通过导热管，还是通过叶片自身腹板形成的流道，风机热鼓风除冰均采用顺流传热的布置方式，在叶片尖端的换热气流温度较低，流速较快，除冰气流停留时间较短，传热效果下降，这与靠近叶尖部位结冰严重的实际情况所不符。同时，除冰管道紧贴叶片前缘布置，在弦长方向也会引起一定程度的受热不均。

本发明公开的一种风机叶片除冰系统，优化了风机叶片除冰管道的设计，在沿叶片展向方向，通过流道的设计，合理控制气体的停留时间，使得热量分配与覆冰区间有较高的符合度。在沿弦长的方向，布置两层气路，使得叶片内部受热均匀，减少热应力。从热风鼓风机出口的气流送入第一气路，第一气路贴近叶片前缘布置。风机出口管道采用直管，进入叶片一段区域到达第一气路和第二气路后，采用迂回的气路布置，增加了单位展向距离气流的停留时间，换热时间随之增加，换热效果加强，这对去除靠近叶尖部位的覆冰具有较好的效果。通过叶片前缘测温仪和腹板测温仪的实时温度反馈，进行闭环调节，调节第二气路上阀门的开度，使得叶片内部温度均衡，避免沿弦长方向较大热应力的产生。本发明优化了风机叶片内除冰管道的结构，改善了叶片内部的传热效果，提高了除冰系统的经济性和安全性。

进一步地，第一气路和第二气路均匀分布在叶片前缘与腹板之间，能够避免沿着叶片弦长方向的温度不均。

进一步地，第一气路和第二气路为方波形，能够便于加工和安装。

更进一步地，第一气路靠近叶片前缘的管段与叶片前缘的弯曲度匹配，能够提高对叶片前缘的加热效果。

进一步地，第一气路和第二气路的分布密度沿风机出口管道至挡板增大，单位展向气流的停留时间越长，换热时间随之增加，换热效果加强，能够提高靠近叶尖部位覆冰的去除效果。

进一步地，第一气路和第二气路迂回幅值大于30cm，能够减小气流流动的局部损失。

进一步地，第一气路和第二气路的迂回方向相反，能够更好地分配热流，减少叶片内部的温度不均。

本发明公开的上述风机叶片除冰系统的工作方法，通过叶片前缘测温仪和腹板测温仪的实时温度反馈，能够改善叶片内部的传热效果，提高叶片内部温度的均衡性，具有良好地应用前景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的a-a视图；

图3为图1的b-b视图；

图4为挡板的结构示意图。

图中：1-风机出口管道；2-阀门；3-第二气路；4-第一气路；5-叶片前缘；6-叶片前缘测温仪；7-挡板；701-第二气路接口；702-第一气路接口；8-腹板测温仪；9-腹板；10-叶片后缘；11-叶根；12-吸力面；13-压力面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

如图1，为本发明的风机叶片除冰系统，包括风机出口管道1、第一气路4、第二气路3和挡板7。风机出口管道1为直管，风机出口管道1的长度一般为2～3m。

第一气路4和第二气路3在叶片前缘5和腹板9之间分层迂回排列，第一气路4靠近叶片前缘5设置；优选地，第一气路4和第二气路3分别位于叶片前缘5与腹板9之间的三等分位置处。

如图4，挡板7分别于叶片前缘5和腹板9固定连接，挡板7上开设有贯通的第一气路接口702和第二气路接口701；第一气路4的一端与风机出口管道1连接，另一端与第一气路接口702连接；第二气路3的一端与风机出口管道1连接，另一端与第二气路接口701连接。

第二气路3上设有阀门2，叶片前缘5上设有叶片前缘测温仪6，腹板9上设有腹板测温仪8。

如图2和图3，在本发明的一个较优的实施例中，第一气路4和第二气路3采用方波形，第一气路4靠近叶片前缘5的管段与叶片前缘5的弯曲度匹配，同时，第一气路4和第二气路3的分布密度沿风机出口管道1至挡板7增大。第一气路4和第二气路3迂回幅值大于30cm，第一气路4和第二气路3的迂回方向相反。第一气路4和第二气路3也可以采用正弦波形。

本发明的工作原理如下：

除冰气流在靠近叶根11的位置经过加热器加热，从风机出口管道1进入叶片内部管道。初始段气流沿着紧贴叶片前缘5的管道流动，在距离风机出口2～3米的位置，通过三通阀的布置，除冰气流管路分为第一气路4和第二气路3，两个气路之间的流量通过阀门2调节。对于第一气路4，其沿着紧贴叶片前缘5的位置布置。为了调节气流的停留时间，第一气路4采用弯曲的气路布置，本实施例采用方波形弯曲回路。管道之间连接采用平滑的接头，减小气体流动的局部阻力。沿着展向不同位置，方波波形的间距缩小，即越靠近叶尖方向，方波形弯曲管路分布越密集，单位展向气流的停留时间越长，换热时间随之增加，换热效果加强。对于靠近腹板9布置的第二气路3，其目的是减小沿着叶片弦长方向的温度不均。第二气路3布置于腹板9与叶片前缘5之间，距离叶片前缘5的距离为叶片前缘5与腹板9距离的三分之二，即距离腹板9的距离为叶片前缘5与腹板9距离的三分之一。第二气路3上设置有气量调节阀门2，第二气路3的气流流量根据叶片的温度分布进行合理调节。在叶片前缘5中段位置布置叶片前缘测温仪6，在腹板9相对应的位置布置腹板测温仪8。当除冰系统刚开启工作时，阀门2处于关闭状态，除冰气流仅仅通过第一气路4流动换热。读取叶片前缘测温仪6的温度t0和腹板测温仪8的温度t1，当t1比t0低5℃以上时，逐渐增加阀门2的开度，直至t1与t0之间的温度差在5℃以内，即通过t0和t1实现阀门2开度的闭环控制。第一气路4和第二气路3的尾端均连接至挡板7并紧密粘接。第一气路4和第二气路3的气流流过挡板后，在叶片内部通道混合，并向叶尖流动。挡板7与叶片内表面和腹板之间做好密封，防止气流回流。除冰气流流至叶尖，绕流过腹板9，进入腹板9与叶片后缘10所包围的空间内进行换热后，于叶根11处流出叶片。

图2为由a-a方向观察第二气路3的示意图，管路布置于压力面12与吸力面13之间。越靠近叶根11方向，方波形弯曲管路分布越密集。为了减小气流流动的局部损失，最短的方波形管路不短于30cm。

图3为由b-b方向观察第一气路4的示意图。管路布置于压力面12与吸力面13之间。越靠近叶根11方向，方波形弯曲管路分布越密集。第二气路3方波形管路的布置方式与第一气路4相错开，目的是使得热量在空间分配更均匀，减少热应力。

图4为挡板截面示意图。第二气路3与挡板7上第二气路接口701连接并紧密粘接，第一气路4与挡板7上第一气路接口702连接并紧密粘接。

以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。