风力发电机叶片覆冰与防冰除冰的基础问题研究

项目严格按照项目计划书要求展开工作，并达到了相应的目标。本项目在国内首次提出风力发电机叶片覆冰与防除冰的研究方向并针对所涉及的基础性问题开展了系统性的研究工作。通过机理分析、模型研究与试验研究相结合的方法，在雨凇与雾凇、不同覆冰程度、不同表面粗糙度下研究风力发电机叶片的覆冰机理、覆冰增长过程及其对风机出力的影响，并在此基础上开发可以预测风机叶片覆冰的数值计算方法；同时，分析并建立风机防冰除冰过程中的热平衡模型，并研究以防除冰元件设计、防除冰元件布置方式及防除冰功率选择为核心的风机叶片防冰除冰的方法和技术措施。研究发现：覆冰类型、覆冰程度和表面粗糙度均对叶片气动特性有显著影响；同时，本项目所建立的叶片覆冰增长模型、粗糙度模型、防冰除冰模型均与试验结果有较好的吻合。研究结果为解决风力发电机在覆冰地区使用存在的问题提供理论基础和技术依据；项目所建立的叶片覆冰增长模型和防冰除冰模型有助于推动国内叶片覆冰及防除冰领域的研究，所设计的基于循环控制策略的风力发电机叶片电加热融/防冰技术与装置具有较好的工程应用前景和重要的工程应用价值。

风力发电机叶片覆冰会影响设备和运行的安全，减少发电量，危害严重。风电在我国起步较晚，关于风机叶片覆冰与防冰除冰的研究还未引起人们的重视，研究基本处于空白。因此，有必要尽早对风机覆冰机理、覆冰模型、防冰除冰方法等基础性问题展开研究，这样才能防患于未然，保障我国风电产业的健康发展。本项目拟在人工气候室及自然覆冰试验站研究风机叶片覆冰增长与环境参数的关系，使用流体力学、空气动力学、热力学相关理论建立风机叶片的覆冰增长与预测模型；通过建立叶片表面热平衡模型，确定不同环境条件下风机叶片防冰、融冰所需的加热功率及热源的布置方式；在人工气候室及自然覆冰试验站验证和完善风机叶片覆冰模型，验证提出的防冰除冰模型及方法。在我国极端气候频发及风电市场呈现井喷式发展的背景下，本项目的研究将为解决风力发电机在覆冰地区使用存在的问题提供理论基础，既具有重要的学术价值，也具有工程紧迫性。

飞机结冰的防护系统可分为防冰系统与除冰系统，防冰意在防止在飞行过程中冰的形成，除冰是将飞机表面上已形成的冰去除。根据防除冰方法的原理，目前已经使用和正在研发的防除冰系统主要包括以下三类：

（1）冰点抑制法

冰点抑制法，顾名思义就是降低液体的凝固温度。液体防冰系统利用的原理就为冰点抑制法，向需要防护的部件表面喷涂防冰液，当过冷水滴撞击表面时与之混合，使得混合液体的凝固点低于水的凝固点从而阻止了冰的形成。该系统通常连续喷射防冰液，也可以周期性喷射，常用的防冰液为乙二醇、异丙醇、甲醇等。

二战期问，英国航空工程师开发了便于时示除冰的多孔机翼前缘。该不锈钢机翼前缘设计了可以用于流经防冰的乙二醇溶液的孔。例如Cessna 206安装了液体防冰系统，此系统装载了27.25L乙二醇，可以运行3.5小时，但增加的附加重量为13.61kg。 该系统的优点是:1，机翼前缘具有优异的耐受性；2，在除冰工作结束后，不会有剩余冰层或再生冰层;3，系统硬件的寿命很长;4，耗能较少;5，飞行员除冰操作比较简单。但不足之处是:1，很难去除粘附强度很大的冰层;2，直升机由于工作时问长而不适合安装液体防冰系统;3，也不适用于涡轮螺旋桨匕机;4，防冰液消耗量大，维修麻烦。

（2）热融法

热融法防除冰的原理是利用高热量使冰融化并蒸发或直接升华，该方法受热流大小的限制。此类系统可以采用加热冲压空气、压气机引气、高温废气、热油或者电热能等方式。热融法的典型代表为热气防除冰与电热防除冰系统。

热气防除冰系统是利用热空气将飞机部件加热以达到防除冰的目的。活塞式发动机多采用汽油加温器等加热冲压空气作热气源;喷气式发动机一般从发动机的压气机内引气作为热源。所引的热空气通过供气管道分配到需要除冰的各个部件，经过热量交换破坏冰层与蒙皮问的粘附强度，最后冰层在气动力与惯性力作用下从飞机上脱落。由于蒙皮的热惯性大，该系统不适用于周期性加热，而多采用连续加热方式。其优点在于维护简单，工作可靠，不足之处是发动机引气会降低发动机的功效，增加了燃耗，且热的利用率很低。

电热防除冰方法就是将电能转化为热能，再加热飞机部件以达到防除冰的目的。该蒙皮一般采用五层复合结构，电热片嵌入在蒙皮中。电热防除冰技术通常用于热气防除冰系统难以涉及的部位，如推进器、机身头锥、直升机螺旋桨与轮毅等。电热防除冰可以连续也可以周期问断加热，不足之处是应用范围有限且消耗电能大。

另外一种正在研究使用的微波除冰方法也是利用升高表面冰层温度的方法，在飞机结冰的蒙皮的缝隙中填充微波材料，当飞机蒙皮发生结冰时，飞机上的微波发射器就会产生微波，并通过波导管射到冰层使冰融化。该系统多见于旋翼飞机，能耗少，使用与维护简单，但因为装有微波发生器，很容易被雷达捕获。

（3）表面变形法

为减少大量能量的消耗，开发了使飞机上的积冰发生变形破坏的除冰方法，属于机械除冰范畴。当蒙皮表面发生变形时，粘附在蒙皮上的冰层也随之改变，出现破裂或者脱落现象，气动力或惯性力将残余的冰带走。主要的除冰系统包括气囊式除冰、超声波除冰、压电除冰、电脉冲除冰等，下面逐一介绍这儿类除冰方法。

气囊式除冰方法是最早出现的机械除冰方法之一，该方法是在需要防护的部位安装充气囊，当有除冰需要时，气囊充气，气管向外突出使得冰层形变破裂，当除冰完成后，气囊收缩恢复到原有的气动外形。MV-22“鱼鹰”与ATR42 飞机均装有气囊式除冰装置。该除冰方法的优点是工作可靠、节省能量，但它却有一个致命的弱点，即阻力大，不适于高速时示的飞机，并且启动气动罩除冰时不可能进行得很彻底，将留有一些剩余的冰，这会使得阻力增加，进而破坏飞机原有的气动外形。

超声波除冰的原理是利用超声波驱动器形成的Lamb和SH波在介质中传播时产生的速度差，在冰与粘附层界面形成剪切应力，通过该剪切力达到去除冰层的目的。该项技术仍处于实验研发阶段，还没有真正运用在飞机上。

压电除冰技术也是一种发展中的除冰技术，通过激励压电驱动器，使得蒙皮在低频范围内达到共振，并改变蒙皮上附着的冰层结构以去除冰层。

电脉冲除冰系统是在俄罗斯发展较成熟的除冰系统，美国对其研究也比较充分，但仍滞后于俄罗斯。其原理如图1所示，在金属蒙皮下方安装脉冲线圈，利用瞬问放电技术在金属蒙皮上形成电磁涡流场，从而产生了瞬态的电磁力，该电磁力导致蒙皮快速振动并使冰层发生形变而破裂或者脱落，最后在气动力和惯性力的作用下将残余的积冰去除。该技术已经成功应用在俄罗斯伊尔系列飞机上，且显示出高效、稳定与节能等优点。

随着现代飞机对于高效、低能耗要求的提出，对于防/除冰也有了相应更高的要求，而电脉冲除冰技术以其具有结构简单、尺寸小、重量轻、能耗少、效率高及维修方便等显著优点，具有广泛的应用前景，是一种极具发展前途的飞机除冰方式。

今后，在电脉冲除冰脉冲电路、脉冲激励与除冰效果研究的基础上，针对影响电脉冲除冰效果的因素，如冰形、除冰部位、线圈安装位置等，进一步完善电脉冲除冰的设计流程;针对电脉冲除冰会产生电磁场这一现象，应论证电磁辐射干扰等是否会影响飞机的安全。

另外，研究复合材料在电脉冲除冰技术中的使用问题，以及与现有航空电子设备和电气系统的一体化问题都是未来需要考虑和研究的内容。

通过对国内外电脉冲除冰技术研究现状的整理，尤其是对国内研究现状的分析，可以发现，国内电脉冲除冰技术的研究起步较晚，还未完全掌握电脉冲除冰系统电动力学和结构动强度设计与分析方法、电脉冲除冰结构的疲劳寿命评估方法、电脉冲除冰技术的动强度和疲劳强度验证试验方法以及电脉冲除冰系统的综合优化设计与评估方法等关键技术，在型号应用方面更是处于空白状态。

如要将电脉冲除冰技术应用于型号飞机上，则必须要解决在飞机上应用的关键技术，也是电脉冲除冰技术研究的难点与挑战。

电脉冲除冰技术研究的难点之一是如何得到最优的脉冲电路以及除冰电脉冲激励的计算。考虑到脉冲电路参数间的关系是复杂的、综合作用的，需进行深入的理论研究以获得脉冲电路电压、电容、线圈尺寸、蒙皮材料以及线圈与蒙皮之间的间隙和脉冲力、脉冲时间等的基本关系，由此得到一个确定的设计方法，进而设计最优脉冲电路。在得到脉冲电路的基础上研究脉冲激励，但因为脉冲激励分布不均匀，若简单的建立模型施加总电磁力，会影响计算精度，需按照脉冲力分布特点进行有限元网格的划分，计算得到不同位置不同时刻的脉冲激励。

电脉冲除冰技术研究的难点之二是冰层失效准则的研究。冰层失效准则的研究是进行除冰效果研究的前提，冰层失效问题的影响因素繁多，尤其需要了解冰层的物理属性。由于冰层的物性参数受环境温度、液态水含量、水滴直径、撞击速度等因素的影响，同时冰檬皮间的粘附强度还受基层材料、表面粗糙度等约束，因此在不同条件下产生的冰层其物性参数差别很大。这些都是冰层失效准则研究的关键。而除冰效果的仿真研究，是通过计算覆盖在蒙皮上的冰层失效状态，模拟出电脉冲除冰的除冰范围，从而求解得到除冰效果。其中所选用的冰层失效准则是否适用是影响除冰效果计算的关键因素。

电脉冲除冰技术研究的难点之三是如何得到电脉冲除冰结构的疲劳寿命时间。通过对除冰结构疲劳性能的深入研究，从而获得电脉冲除冰结构的疲劳寿命评估方法。需结合蒙皮结构电脉冲除冰的动强度和疲劳强度验证试验，提出电脉冲除冰结构疲劳寿命的有效评估方法。为将来电脉冲除冰技术的装机应用奠定基础。

电脉冲除冰技术研究的难点之四是脉冲线圈以及系统研制的工艺要求。目前国内尚无能批量生产电磁脉冲线圈的厂家，并且尚无成熟的线圈制作工艺规程以及系统研制工艺规程。

在未解决上述难点之前，电脉冲除冰技术在国内飞机型号上的应用还需进行大量的理论研究与试验研究的积累。电脉冲除冰技术在国内飞机上的应用研究对国内防/除冰系统设计团队来说是极具挑战的研究项目。