图1 多功能人工气候实验室
Fig.1 Multi-functional artificial climate chamber
摘要 风力发电机叶片覆冰量化分析是认识和解决覆冰问题的基础。考虑到目前国内外对此鲜有研究，该文在多功能人工气候实验室中对小型风力发电机进行人工覆冰试验，获取雨凇、硬雾凇和软雾凇三种覆冰条件下的叶片覆冰冰型，并对覆冰结果进行深入分析；同时，给出了较为完善的叶片覆冰标定方法，实现对叶片覆冰的量化分析，进而对其实际应用进行了分析。研究结果表明：覆冰集中于叶片的前缘区域，且在截面翼型表面驻点附近的覆冰范围大约为叶片弦长的11%；覆冰在叶片展向上呈现线性增长趋势，大约占据叶片长度的70%，且在靠近叶尖处约30%～40%的叶片长度区域上覆冰较为明显。因而，可将靠近叶尖处约30%～40%的叶片长度且占据叶片弦长11%的截面翼型表面所形成的前缘区域作为重点研究区域，即在实际应用中可将其设计为最佳覆冰防护区域及叶片覆冰厚度监测点的设定区域。该文研究结果可为解决风机覆冰问题提供数据参考。
关键词：风力发电机叶片 人工覆冰 覆冰冰型 覆冰标定方法 量化分析 实际应用
近年来，风力发电因具有清洁性和可再生性[1]，成为全球关注的焦点。但在我国高湿寒冷地区的风力发电机在冬季时常遭受覆冰灾害，影响叶片的气动性能，甚至停机[2]，给风电场和电网的安全、稳定及经济运行带来威胁[3-6]。
当前，针对风力发电机叶片覆冰问题，Fu Ping等采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法实现了对雾凇环境下的风机叶片积冰过程的3D仿真模拟[7]；Shu Lichun等在人工气候实验室中对小型风力发电机开展了覆冰特性和输出性能的试验研究[8]；O. Fakorede等对现有的防除冰方案的特点、效率进行了比较分析，并对其经济成本进行了评估[9]；P. Suke对风机叶片采用电加热和热空气的方式实现防冰的热传递过程开展了研究，认为防冰功率由电加热系统决定，而热空气的方式难以实现防冰[10]；M. Etemaddar等仿真研究了风机叶片因覆冰而对其气动性能及动态响应产生的影响，得出低于额定风速时，功率损失达到35%，在额定风速下，推力下降14%[11]；Han Yiqiang等采用改进的Ruff方法对旋转下的风机叶片的覆冰条件进行了标定，并通过试验研究和分析了攻角、温度、液态水含量和覆冰时间等对冰型的影响[12]；A. G. Kraj等对风机叶片进行了覆冰实验，以积冰率为结冰阶段的分类依据，分析比较了涂层、热处理及其组合等防冰策略对雨凇冰和雾凇冰的防冰效果[13]；C. Mayer等在不同覆冰条件下，仅考虑叶片表面的对流换热，在风洞中对NACA 63415型风机叶片的电热除冰系统进行了实验研究[14]；M. S. Virk等考虑雾凇和雨凇环境，根据计算流体力学，对NREL 5MW风机叶片的五个截面进行了数值分析，认为叶片根部覆冰有限，叶片中心至叶尖处积冰明显，且与环境温度有关，并证明了优化叶片的几何外形可缓解其覆冰程度[15]。
综上所述，现有研究成果缺乏以试验的方式对风力发电机叶片覆冰特性进行研究，进而给实际应用提供帮助。因此，本文以小型风力发电机为研究对象，首先考虑不同覆冰时间和覆冰类型，在多功能人工气候实验室对叶片进行人工覆冰，并根据给出的冰型获取方法实现冰型的重构；其次给出了覆冰标定方法，实现叶片覆冰的量化分析；最后对试验及量化分析结果的实际应用进行了分析。该文的研究结果可为解决风机叶片覆冰问题提供帮助。
本文对风机叶片的人工覆冰试验在多功能人工气候实验室内完成，如图1所示。该气候室的内径和净空高度分别为7.8m、11.6m，可通过净水系统、制冷系统、喷淋系统及风速调节系统配合模拟自然环境下的覆冰情况。在精度为±1℃的PID控制器的调节下，室内温度最低可调至(-45±1)℃[16]。室内装备有满足IEC标准的喷头，共两排，每排7个；通过调节喷头水流、气流的压力，可得到水滴中值直径为20～120μm的过冷却水雾[17]。并且，在风速调节范围为1～12m/s的风速调节系统的作用下，可使室内温度及过冷却水滴的分布相对均匀。
图1 多功能人工气候实验室
Fig.1 Multi-functional artificial climate chamber
结合图1所示的实验室条件，为真实模拟出自然条件下风力发电机叶片的具体覆冰情况，本文选取型号为NE—100的小型水平轴风力发电机作为试验研究对象，其结构如图2所示。其中，装配3支长度为0.75m的叶片，风力发电机主要参数见表1。
图2 100W风力发电机
Fig.2 100W wind turbine
表1 100W风力发电机主要技术参数
Tab.1 Main parameters of 100W wind turbine
参数数值（型号） 发电机NE—100 额定功率/W100 风轮直径/m1.5 启动风速/(m/s)2 额定风速/(m/s)8 额定转速/(r/min)600
本文的目的是实现叶片覆冰冰型的准确获取并对其进行量化分析，进而为叶片覆冰问题的相关研究提供指导。因此，为获得雨凇、硬雾凇和软雾凇三种覆冰类型和不同覆冰程度下的叶片覆冰冰型，本文在图1所示的气候室中对图2所示的小型风力发电机进行人工覆冰试验。因风力发电机对不同覆冰类型的承受能力不同，且雨凇、硬雾凇和软雾凇的覆冰时间间隔存在差异，因而设计了不同覆冰类型的风力发电机覆冰试验，见表2。需要说明的是，雨凇覆冰对叶片气动特性的破坏十分迅速，故而仅设计了三组。
表2 风力发电机覆冰试验设计
Tab.2 Experiment arrangement of wind turbine icing
覆冰序列覆冰时间/min 雨凇硬雾凇软雾凇 13510 261020 391530 4—2040 5—2550 6—3060
为准确实现对自然覆冰环境下叶片覆冰特性的人工模拟，进而精确地获取叶片覆冰冰型，经过前期多次试探性试验，得到了科学的人工覆冰试验方法和叶片覆冰冰型获取方法。
1.3.1 人工覆冰试验
本文采用的人工覆冰试验方法如下：
（1）前期准备。试验前先将水净化处理以去除杂质，防止喷头堵塞；其次，将水温降至3～4℃。
（2）覆冰环境模拟。设定人工气候室的各项参数，起动制冷与喷雾系统，形成所需的覆冰环境。
（3）覆冰开始。将100W风力发电机放置于气候室内并开启轴流式鼓风机驱动其旋转，待起动完成（约15s）后计时开始。
（4）记录叶片冰型。达到试验设计的覆冰时间后，关闭轴流式鼓风机，检查叶片上的冰型是否完好。若完好则记录；反之，则放弃记录。
（5）后续工作。将叶片表面已有的积冰完全清除，并用纸巾擦去水分使其表面尽量干燥，为重新开始下一组试验做准备。
1.3.2 叶片覆冰冰型获取
本文采用的叶片覆冰冰型获取的方法如下：
（1）考虑到叶尖区域覆冰最为严重且对其气动性能造成明显的影响，故选择距叶片根部0.9R（R为叶片长度）处的截面冰型及截面翼型作为叶片覆冰冰型，如图2所示。
（2）采用放置于热水中数秒后取出并擦干的美工刀刀片将图2所示的冰型截取处的积冰割开，并将靠近叶尖处的积冰迅速、完整地剥离，如图3a所示。而后使用游标卡尺测量叶片冰层的弦向覆冰长度，如图3b所示。
图3 冰型参数的测量
Fig.3 Parameter measurement of wind turbine ice accretion
（3）从正视的角度，利用相机分别记录留存于叶片上和剥离下来且互为左右镜像的覆冰冰型，前者称为正向记录，如图4a所示，后者称为反向记录，如图4b所示。
图4 冰型的记录
Fig.4 Wind turbine ice shape recording
（4）根据正、反向记录的冰型照片与测量的相应参数，结合PhotoShop、Visio及AutoCAD等软件绘制冰型，以实现覆冰叶片几何外形的准确重构。
鉴于风力发电机叶片覆冰的多样性和随机性，对其所有特征进行全面表征是一项非常困难的工作。因此，本文从风力发电机叶片防除冰的实际需求出发，根据文献[18]所提出的方法，给出了描述叶片覆冰的主要参数，用于量化和评价叶片覆冰的分布特征。
风力发电机覆冰主要参数的定义如图5所示，叶片正对着来流方向的表面称为迎风面，而另一面则称为背风面。前缘为翼型在旋转方向上的最前端，尾缘为翼型在旋转方向上的最后端，并以前缘区域代指前缘附近的叶片区域。对于洁净的叶片，高速气流由于撞击在叶片前缘区域内的某一点而分为两股子流，气流在此点处的速度为零，而静压值达到最大，该点被称为气流的驻点，简称驻点。图5中加粗（绿）线表示截面翼型表面驻点附近的覆冰范围。本文选用以描述叶片覆冰特征的主要参数有：①弦向覆冰长度l，以叶片驻点为起始点，沿叶片弦长方向上的最大覆冰高度；②弦向迎风面覆冰长度Lp，以叶片驻点为起始点，沿迎风面的覆冰长度；③弦向背风面覆冰长度Ls，以叶片驻点为起始点，沿背风面的覆冰长度；④覆冰生长角δ，覆冰生长方向与叶片弦长方向的夹角。其中，将沿叶片弦长方向上的最大覆冰高度点与驻点的连接线并指向最大覆冰高度点的方向视为覆冰生长方向。
图5 风力发电机覆冰主要参数的定义
Fig.5 Definitions of main parameters of wind turbine icing
此外，为了表征前缘覆冰在叶片展向上的覆盖情况，选用以叶尖处为起始点，沿叶片前缘的展向覆冰长度Lr进行描述。
考虑到对于不同型号、尺寸的风力发电机叶片，应用上述参数无法进行覆冰程度的横向对比。因此，以叶片弦长c或叶片长度R作为基准量对其进行归一化处理，则有
归一化弦向覆冰长度
为
（1）
归一化弦向迎风面覆冰长度
为
（2）
归一化弦向背风面覆冰长度
为
（3）
归一化展向覆冰长度
为
（4）
3.1.1 雨凇
根据1.3节所述内容，获得了不同覆冰程度的叶片雨凇覆冰冰型，如图6所示。图中，第一排为采用正向拍摄记录的冰型，而第二排为由叶尖处切割、剥离下来的冰层的反向记录，二者在几何上互为左右镜像。结合正向与反向记录，对试验得到的冰型进行较为精确的绘制，所得绘制结果如图7所示。
图7展示了不同覆冰程度的风力发电机叶片雨凇覆冰冰型，其总体表现出典型的不规则、非流线形的覆冰特点。这是由于雨凇覆冰过程中，碰撞至冰层驻点附近的过冷却水滴无法及时冻结，而将在气动力和惯性的作用下向叶片两侧流动并逐渐释放潜热。因此，雨凇覆冰将在冰层驻点的两侧形成不规则的双角状冰。鉴于试验中所采用的100W风力发电机承受雨凇覆冰的能力有限，在9min雨凇覆冰时间内仅形成了双角状冰的雏形。
图6 不同覆冰程度的叶片雨凇覆冰
Fig.6 Blade glaze icing with different icing degree
图7 不同覆冰程度的叶片雨凇覆冰冰型
Fig.7 Blade glaze ice shapes with different icing degree
3.1.2 硬雾凇
根据1.3节所述内容，获得了不同覆冰程度的叶片硬雾凇覆冰冰型，如图8所示。其中，5min、10min及15min的冰型以正向记录形式给出，20min、25min及30min的冰型以反向记录形式给出。
图8 不同覆冰程度的叶片硬雾凇覆冰
Fig.8 Blade hard rime icing with different icing degree
图9给出了风力发电机叶片前缘硬雾凇覆冰的冰型情况。与雨凇覆冰完全不同，硬雾凇覆冰总体表现出沿叶片弦长方向生长的流线形外形。其原因在于，硬雾凇覆冰条件下，周围环境温度较低，具备良好的散热条件，过冷却水滴在流场的作用下碰撞在冰层外表面并立即冻结，从而形成流线形外形。
图9 不同覆冰程度的叶片硬雾凇覆冰冰型
Fig.9 Blade hard rime shapes with different icing degree
3.1.3 软雾凇
根据1.3节所述内容，获得了不同覆冰程度的叶片软雾凇覆冰冰型，如图10所示。其中，10min、20min及30min的冰型以正向记录形式给出，40min、50min及60min的冰型以反向记录形式给出。
图10 不同覆冰程度的叶片软雾凇覆冰
Fig.10 Blade soft rime icing with different icing degree
图11给出了不同覆冰程度的风力发电机叶片软雾凇覆冰冰型。相比于硬雾凇，软雾凇的生长速率明显较慢。在两倍覆冰时间的作用下，软雾凇的覆冰程度仍小于硬雾凇情况，其原因在于软雾凇覆冰环境中存在的液体水含量远小于硬雾凇情况。但是由于两种覆冰环境中的水滴中值直径均较小，所以在覆冰外形上，软雾凇与硬雾凇表现出一致的流线形特点。
图11 不同覆冰程度的叶片软雾凇覆冰冰型
Fig.11 Blade soft rime shapes with different icing degree
根据第2节所述内容，本节利用叶片覆冰标定方法对图7、图9和图11所描绘的不同覆冰程度下的雨凇、硬雾凇和软雾凇冰型进行定量分析。
3.2.1 覆冰生长角
图12给出了硬雾凇和软雾凇的覆冰生长角的变化趋势，图中的覆冰序列为零的点代表未覆冰时的叶片相关特性。需要说明的是，雨凇由于其冻结特性而多呈现为角状冰结构，不具有像雾凇一般规则的类流线型外形。因此，难以定义其覆冰生长角，故图12未给出雨凇条件下的覆冰生长角变化趋势。
图12 覆冰生长角的变化趋势
Fig.12 Growth tendency of icing angle
由图12可知，在雾凇覆冰条件下，随着覆冰时间的增长，覆冰生长角大体呈现出不断增长的趋势。这是因为随着叶片前缘覆冰量的增加，叶片重量不断增大，与此同时风力发电机整体气动特性逐渐下降，导致风力发电机转速下降。在来流速度保持不变的情况下，叶片圆周运动速度的下降将使得冰型尖端逐渐向迎风侧偏转。也就是说，叶片覆冰将逐渐偏向来流方向生长。但就其数值大小而言，当试验中的风力发电机达到运行极限时，也才仅增长到4°。
从相反的角度，覆冰生长角的变化也反映出了试验时风力发电机的运行状态。对比软雾凇与硬雾凇的结果可以发现，硬雾凇覆冰生长角的变化速度近似于线性，说明硬雾凇的积累对于风力发电机转速的下降起着至关重要的作用。而软雾凇覆冰生长角在前期的较长时间内均接近于零，说明软雾凇的积累速度较慢且对气动性能的破坏较小，只有在积累了一定程度的覆冰之后才会导致转速的骤降。
3.2.2 弦向覆冰长度
弦向覆冰长度是表征叶片表面覆冰严重程度的重要指标。图13展示了经归一化后的三种覆冰条件下的弦向覆冰长度情况。
图13 叶片弦向覆冰长度的变化趋势
Fig.13 Variation trend of blade chord icing length
由图13可知，随着覆冰程度的增长，硬雾凇与软雾凇的弦向覆冰长度呈现出相同的增长趋势，但硬雾凇表现出更强劲的增长势头。考虑到软雾凇试验的时间间隔是硬雾凇的两倍，因此在相同的覆冰时间长度下，硬雾凇将对风力发电机运行产生更严重的影响。同样地，雨凇情况下的覆冰长度也增长较为迅速，考虑到时间间隔的区别，其增长速度应是三者之最。
3.2.3 弦向迎风面与背风面覆冰长度
图14和图15分别给出了在雨凇、硬雾凇和软雾凇条件下的弦向迎风面和背风面积冰覆盖占比的变化趋势。
图14 迎风面积冰覆盖占比的变化趋势
Fig.14 Variation trend of ice coverage on pressure side
图15 背风面积冰覆盖占比的变化趋势
Fig.15 Variation trend of ice coverage on suction side
由图14可知，对于迎风面而言，无论何种覆冰，叶片前缘积冰覆盖占比随着覆冰程度的增长而表现出不断提高的趋势，但其增长速度有限。由图15可知，对于背风面而言，覆冰时间的增长几乎并未给其带来影响，无论何种覆冰冰型都一致地维持在相同的水平上。具体而言，迎风面与背风面前缘的积冰覆盖占比均保持在0.11及以下水平。也就是说，在截面翼型表面驻点附近的覆冰范围很大程度上不会超过叶片弦长的11%。
将三种冰型迎风面与背风面的积冰覆盖占比进行比较分析，所得结果如图16所示。由图16可知，无论何种覆冰类型，叶片迎风面的前缘积冰覆盖率普遍高于背风面，这是因为在风力发电机运行过程中，叶片总会以一个较小的正攻角切割空气从而积累覆冰。此外，相比于硬雾凇与软雾凇，雨凇情况下迎风面和背风面的冰层覆盖占比差异最大。对于防覆冰区域的选择而言，为了确保叶片前缘区域免受覆冰的影响，可选择前缘迎风面积冰覆盖率作为设计的参考依据。
图16 迎风面与背风面积冰覆盖占比对比
Fig.16 Comparison between ice coverage on pressure side and suction side
3.2.4 展向覆冰长度
图17给出了前缘覆冰在叶片伸展方向上的分布情况。
图17 展向覆冰长度占比的变化趋势
Fig.17 Variation trend of ice coverage in span-wise direction
从图17可知，在覆冰程度较轻的阶段，雨凇与硬雾凇在展向分布上均表现出了快速的增长态势，而软雾凇分布的增长则显得较为缓慢。此后，当覆冰程度处于较高水平时，硬雾凇和软雾凇在展向上的分布基本不再增长，大约维持在70%的水平。因此，在叶片展向上，最全面的防护选择是将靠近叶尖处约70%的叶片长度前缘区域设置为覆冰防护区域。这样的设计基本可以保持在任何覆冰条件下叶片前缘均能得到有效防护。试验还发现，叶片前缘覆冰沿着叶根至叶尖方向呈现线性增长，近叶根处的覆冰虽肉眼可见却并不显著，其对叶片气动性能的影响也极为有限。
3.3.1 叶片覆冰防护区域设计
虽然对风力发电机外表面采取全防护设计可使叶片的任何部位无论在何种覆冰天气下都免遭积冰的侵害，但其缺点在于防护的经济性较低。以重庆大学雪峰山野外站内的300kW中型风力发电机为例，单支叶片表面积约为38m2，若采用全防护设计，三支叶片共需防护的总面积高达114m2。当采用电加热的方式防冰时，所需临界融冰功率为1kW/m2量级[19]，则整机需要114kW，占其额定发电功率的38%。且当需快速融、防冰时，其能耗将更大，导致防护的经济性较低。因此，从节约能源消耗以提高覆冰防护的经济性角度出发，可以考虑舍弃对叶根处等非显著覆冰区域的防护。
通过本文的试验结果及量化分析可知，相比于其他区域，叶片前缘是覆冰最为严重的区域。即在截面翼型表面驻点附近的覆冰范围约为叶片弦长的11%；而在叶片展向上，显著覆冰区域只存在于近叶尖处约占叶片全长30%～40%的前缘区域。因此，可将上述区域设计为重点防护区域，以提升覆冰防护的经济性，如图18所示。这与文献[20]认为近叶尖处的1/3叶片长度区域的出力最大，对此区域进行覆冰防护可保持原有气动性能的90%较为吻合。同时，本课题组已在文献[2,19]中将距叶尖的1/3叶片长度的前缘区域作为电加热防冰区域，并现场试验了防冰的有效性。
图18 叶片覆冰重点防护区域
Fig.18 Key protection areas for blade icing
3.3.2 风力发电机叶片覆冰监测
根据本文的分析结果可知，叶尖前缘处覆冰最为严重。因此，可在上述提及的重点防护区域内选择某点对覆冰程度进行监测。以重庆大学雪峰山野外站内的300kW风力发电机为例，选择在距叶片根部0.95R处的背风面设定标记块，并在停机状态下拍摄标记块处的叶片覆冰图像，进而根据图像法原理，计算得到叶片前缘覆冰厚度d，具体过程详见文献[21]。在自然环境下对300kW风机叶片进行五组覆冰试验，其环境参数以覆冰期内的平均值给出，根据所拍摄覆冰图像计算得到对应的覆冰厚度见表3。同时，第4、5组的覆冰图像如图19所示。
该实际应用场景验证了本文研究得到的覆冰集中于靠近叶尖处约占叶片全长30%～40%的前缘区域，可将其作为重点研究区域。需要说明的是，可在重点防护区域中按间距相等或服从等比分布选取多个点设定标记块，进而计算得到多个点的覆冰厚度并求取平均值，可得到更为可信的覆冰厚度来表征覆冰程度。
表3 不同环境参数下对应的覆冰厚度
Tab.3 Corresponding icing thickness under different environmental parameters
覆冰组号12345 相对湿度(%)908510010095 环境温度/℃-2.0-1.3-0.8-1.0-2.2 风速/(m/s)3.66.510.512.14.3 覆冰时间/min3012060180360 覆冰厚度/mm104886112308
图19 300kW风力发电机叶片的自然覆冰图像
Fig.19 Natural icing image of 300kW wind turbine blade
本文通过人工覆冰试验对风力发电机叶片覆冰的量化分析及实际应用进行了研究，得到以下结论：
1）在不同覆冰时间和覆冰类型条件下，叶片的冰型差异明显且不规则，覆冰时间越长，覆冰量越多，覆冰量集中在叶尖前缘处。
2）叶片弦长方向上，覆冰集中于叶片截面翼型表面的驻点附近，覆冰范围约为叶片弦长的11%；叶片展向上，覆冰呈现线性增长趋势，约占据叶片全长的70%，其中较为显著的覆冰出现在靠近叶尖处约30%～40%叶片长度的前缘区域。
3）将靠近叶尖处约30%～40%的叶片长度且占据叶片截面翼型表面的驻点附近约11%叶片弦长的前缘区域作为重点研究区域，在实际应用中，可将其设计为最佳覆冰防护区域以及覆冰监测点的设定区域。此外，该区域还可以作为研究叶片覆冰其他问题的基础。
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Quantitative Analysis of Wind Turbine Blade Icing and Its Application
Abstract The quantitative analysis of wind turbine blade icing is the basis of understanding and solving the icing problem. Considering that there is little research on this at home and abroad, in this paper, the artificial icing test of small wind turbine is carried out in the multi-functional artificial climate laboratory, the blade icing types under three icing conditions such as rime, hard rime and soft rime are obtained, and the icing results are deeply analyzed; At the same time, a relatively perfect blade icing calibration method is given to realize the quantitative analysis of blade icing, and then its practical application is analyzed. The results show that the icing is concentrated in the leading edge of the blade, and the icing range near the stagnation point of the airfoil surface is about 11% of the chord length of the blade; The icing showed a linear growth trend in the blade span-wise direction, accounting for about 70% of the blade length, and the icing was more obvious in the area of about 30%～40% of the blade length near the blade tip. Therefore, the leading edge area formed by the section airfoil surface near the blade tip with about 30%～40% of the blade length and occupying 11% of the blade chord length can be taken as the key research area, that is, in practical application, it can be designed as the best icing protection area and the setting area of blade icing thickness monitoring points. The research results of this paper can provide data reference for solving the problem of fan icing.
keywords：Wind turbine blade, artificial icing, icing type, icing calibration method, quantitative analysis, practical application
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211234
中图分类号：TM315
国家自然科学基金资助项目（51977016，52077020，51637002）。
收稿日期 2021-08-11
改稿日期 2021-10-11
胡 琴 男，1981年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为超特高压输变电技术、外绝缘与灾害防御。E-mail：huqin@cqu.edu.cn（通信作者）
王 欢 男，1993年生，博士研究生，研究方向为电网及风电场防冰减灾。E-mail：1173394186@qq.com
（编辑 李冰）