叶片结冰特性及疏水弹性涂层的脱冰试验

2023-09-26应宇翔杨柳晶金崇会李亚斌周永刚

动力工程学报 2023年9期

应宇翔, 杨柳晶, 金崇会, 李珂, 李亚斌, 周永刚

(1.国电宁波风电开发有限公司,浙江宁波 315000;2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州 310027;3.浙江科技学院能源与环境系统工程系,杭州 310023)

由于风能的分布特性,我国风电厂多建于高山寒冷地区,并且冬季与春季的风能资源丰富[1-2],但此时风机叶片易发生结冰现象,影响设备的气动特性,造成发电量损失,且会降低机组寿命,产生安全问题。

叶片结冰特性的主要研究方法有数值模拟[3]、风洞试验[4]以及室内的相似模型试验[5],而现场实测则较少。现有的风机叶片除冰技术可分为主动除冰和被动除冰2种。主动除冰方法包括加热[6-7]、超声波[8]和电磁脉冲[9]等,需要改变风机原有结构,这会带来噪声和振动等不良影响,且能耗较大[10]。被动除冰主要是在风机叶片上进行材料涂敷,通过改变叶片表面特性以达到防冰、除冰的目的,不影响风机结构且能耗少。其中,疏水涂层[11]、超疏水涂层[12]和光热涂层[13]等是通过减少液滴在表面停留时间来实现防冰的,但在低温下除冰作用有限。疏水弹性涂层在疏水防冰的基础上,利用表层微尺度的形变来降低冰黏附强度,通过离心力等力的作用可以有效甩脱覆冰。

笔者通过搭建小型试验风机进行了实地结冰特性研究,对疏水弹性涂层的除冰效果进行了验证。在周期性切向力的作用下,疏水弹性涂层能够有效降低冰块的黏附强度,对霜冰和明冰都具有脱除效果,手涂涂层的脱冰效果优于喷涂涂层,且具有脱冰的耐久性,这为涂层在大风机上的应用奠定了基础。

1 试验装置和测试方法

1.1 试验风机参数

试验风机如图1所示,位于宁波某风电厂海拔700 m的山顶风口处。试验系统主要由试验风机、转速表、风速仪、温湿度传感器和数据采集仪组成,其中试验风机为小型风力发电机组,额定功率300 W,包括3个叶片、发电机、尾翼、超速刹车、照明和蓄电池。叶片直径2 m,材质为玻璃纤维复合材料,设计转速为400 r/min(风速为8 m/s)。为了减少爬坡风及近地附面层的影响,风机立柱高2.2 m,同时风机布置在山顶的边缘。试验过程中尾翼保证风机对准风来流方向,风速过高会吹起刹车板,以降低叶片转速避免叶片超速运行。采用激光转速表(型号SW-6234C)对叶片转速进行监测,现场的风速、气温和湿度数据分别由风速仪(型号PG-510FSC)和温湿度传感器(型号FK-TH800)监测,并用数据采集仪(型号Agilent 34970A)记录。在试验风机左后方15 m处有1台1.5 MW的风力发电机(型号UP77-1500),轮毂高度65 m,叶片直径77 m,叶片材料为玻璃纤维复合材料,额定转速17.4 r/min。

1.2 涂层的制备及性能测试方法

利用硅酮橡胶的高弹性和疏水性,配以六甲基二硅氧烷溶剂制备疏水弹性涂层。选取硅酮橡胶和六甲基二硅氧烷的质量比分别为1∶2和1∶3来制作手涂涂层和喷涂涂层。为了表征涂层的疏水性,采用视频接触角测试仪(型号OCA20)对涂层与水的接触角进行测量,每个样品取3 个试点,重复测量3 次取平均值。利用日立SU3500型号的台式扫描电子显微镜(SEM)观察叶片和涂层表面的微观形貌,分析疏水弹性涂层的脱冰机理。

采用直接切拉法测试冰的黏附强度,测试系统如图2所示,包括半导体制冷板、拉力计、结冰模具、玻璃罩、热电偶和采集仪。具体测试过程如下:将测试样品放置在半导体制冷板上,在样品上放置结冰模具(长×宽×高为7 mm×7 mm×7 mm,壁厚2 mm);然后向模具内注入纯净水,打开电源开始制冷,监测制冷表面、模具内水和玻璃罩内环境温度;待模具内水达到设定温度,调整拉力计位置,水平缓慢匀速地拉结冰模具,直至结冰模具与样品表面分离;最后取测试过程中拉力计的最大值与结冰面积比作为样品的冰黏附强度。

图2 冰黏附强度测试系统

1.3 涂层脱冰现场试验方案

对试验风机叶片进行编号,分别为1号、2号和3号。在整个1号叶片上手工涂刷疏水弹性涂层,在整个2号叶片上利用喷枪喷涂疏水弹性涂层,涂层厚度约为1 mm,3号叶片无涂层。在结霜冰和结明冰的气象条件下观测有无涂层条件下叶片的结冰参数,记录试验过程中的环境温度、湿度、风速等。对于某1.5 MW的风力发电机(即大风机),记录风速和功率参数,分析结冰对风机功率的影响。

2 风机叶片结冰特性

2.1 风机叶片霜冰覆冰特性

试验风机结霜冰试验期间的环境参数及大风机功率如图3所示。环境相对湿度100%,试验当天环境温度从20:45开始降到0 ℃以下,21:00风速达到切出风速20 m/s,大风机降负荷停机,22:00启动大风机时发现叶片结冰,覆冰导致风机未启动运行。在机舱位置拍摄大风机叶根处的结冰图像,如图4所示,发现覆冰主要在叶片前缘位置[14],结冰形状为羽毛形。从前缘位置到后缘,“羽毛”长度逐渐变短,分枝减少,浓度降低,同时“羽毛”根部小,呈小角度扇形展开。从结冰形态分布看,当叶片表面形成结冰点后(羽毛根部),其表面粗糙度增加,对水滴的捕获能力增强,结冰量增加的幅度会慢慢增大。叶片结冰会影响空气流过叶片流线,结冰严重时,叶片气动外形改变,风机的输出功率降低。然而,由于技术原因,大风机叶片叶尖处的覆冰情况图像却难以捕捉,因此在大风机附近设置小型试验风机,以研究风机叶片不同位置的覆冰情况。

(a) 温度

图4 大风机叶根处覆盖的霜冰图像

从22:00开始每隔1 h测量试验风机的结冰厚度并拍照记录叶片的结冰图像。不同时刻无涂层叶片结冰图像如图5所示,其中r为叶片旋转半径。

(a) 叶身处结冰图像

可以看出,与大风机类似,试验风机叶片结冰为白色,主要分布在叶片前缘,形状为锯齿状。距离旋转中心越远,霜冰结冰量越多。叶片迎风面有少量的结冰,而在背风侧基本没有结冰。叶片不同位置结冰厚度随时间的变化如图6所示。从图6可以看出,随着时间的增加,叶片各位置结冰量增多,越靠近叶尖,增幅越明显。从22:00—2:00,叶片结冰厚度随时间延长呈线性增加。结冰厚度随叶片位置变化增速不同,距离叶尖越近,结冰厚度增速越大。叶尖(r=800 mm)霜冰平均增速为10.8 mm/h,而近旋转中心处(r=400 mm)的霜冰平均增速仅为4.4 mm/h。2:00—3:00风速约为15 m/s,温度为-5 ℃,较2:00前温度略有降低,但山上雾气消散,空气液态水含量降低,结冰量基本不变。从叶尖(r=800 mm)到近旋转中心(r=400 mm),最大霜冰量由49.8 mm降低至20.8 mm,说明随着旋转半径的增加,霜冰的结冰量也随之增加。过冷云滴或雾滴在撞击叶片的瞬间凝结成冰,粒状冰块累积而成霜冰[15]。叶片在风力推动下的旋转过程中,空气中的水滴在惯性作用下与叶片前缘碰撞的概率最高(相对速度大),叶片旋转一圈半径r处前缘单位面积捕捉的水滴量Mr可由式(1)表示:

图6 无涂层试验风机叶片不同位置霜冰厚度随时间的变化

(1)

式中:Lwc为空气的液态水含量;l为半径r处叶片前缘弧长;dr为径向微元。

可以看出,叶片前缘结冰量与液态水含量和半径成正比。

2.2 风机叶片明冰覆冰特性

在环境温度-2～0 ℃,风速6～10 m/s,相对湿度100%的条件下,风机叶片覆冰类型为明冰。相较于风机叶片覆霜冰时的气象条件,环境风速和温度均较低。由于环境温度接近0 ℃,撞击到叶片表面的水滴并不能立即冻结,而是在液态水滴扫掠过叶片过程中发生结冰[16]。在风和重力的作用下,表面液态水可以绕叶片流动[17],因此相比霜冰,叶片前缘明冰覆冰范围有所扩大。试验风机结明冰的图像如图7(a)所示,主要结冰位置与霜冰一致,且随着旋转半径的增大,前缘结冰厚度增加,附着的明冰表面较光滑,冰体内无气泡,比较透明。大风机叶片上掉落的冰块图像如图7(b)和图7(c)所示,大风机叶片上明冰的外形和小风机相似,小的冰块前端呈锯齿状(前缘外侧结的冰块掉落),大的冰块呈山峰状,底部为弧面(与叶片的接触面)。掉落冰块厚度如图7(d)所示,厚度有45 mm,明显大于试验风机的结冰厚度(2～6 mm)。

图7 试验风机明冰覆冰图像及大风机掉落的明冰

3 疏水弹性涂层对不同类型覆冰的脱冰效果

3.1 涂层特性对结冰及脱冰的影响

3.1.1 涂层疏水性对结冰的影响

对风机厂家提供的叶片材料样本、手涂涂层和喷涂涂层的接触角进行测量,结果如图8所示。由图8可知,玻璃纤维复合板的接触角平均值为70.2°,而涂层的接触角在115°左右(疏水表面),增加了约45°,增幅约64%,手涂涂层的接触角略大于喷涂涂层。材料表面微观形貌是其疏水性的影响因素之一。利用扫描电子显微镜对叶片材料样本、手涂涂层和喷涂涂层的微观形貌进行观测,放大倍率为1 000倍,如图8所示。可以看出,手涂涂层和喷涂涂层的微观表面连续光滑,略有起伏,而叶片材料样本表面凹凸不平,存在微米级的孔状结构,从而导致叶片的润湿性增强,接触角减小。同时,当水滴在叶片表面结冰时,冰块与叶片表面凹坑相互勾连,提高了冰块脱落的难度。

图8 风机叶片材料及涂层的接触角与微观形貌

研究表明,疏水表面在延缓结冰和脱冰方面具有明显优势。首先,涂层的接触角越大,水滴在涂层表面的接触面积越小,传热较慢,导致液膜达到成核条件(液滴发生核化产生冰晶)的速度减慢,从而有利于延缓水滴在叶片表面结冰[18]。其次,大的接触角不利于水滴在涂层表面附着聚集,从而减小结冰厚度。液滴撞击冷表面后,会经历铺展、回缩、黏附和反弹等动力学过程,由于疏水性的提高,液滴在撞击疏水弹性涂层过程中动能损耗减小,回缩速率增大,回缩时间减小,液滴快速弹离表面,从而降低了结冰量[18-19]。最后,冰块在疏水表面的附着力降低,在外力作用下容易脱落。

3.1.2 涂层弹性对脱冰的影响

采用冰黏附强度测试系统对叶片材料样本和涂层的冰黏附强度进行测量,此时控制制冷表面温度为-25 ℃,保持20 min,玻璃罩内环境温度为-2 ℃,结果如图9所示。5次试验叶片的平均冰黏附强度为285 kPa,手涂涂层和喷涂涂层的冰黏附强度分别为17 kPa和22 kPa,降幅达93%。说明相比于叶片,涂层脱冰能力显著,这主要得益于涂层光滑的表面特性以及弹性特征。一方面,光滑的涂层表面减小了涂层和冰块的接触面积,缓解了冰与粗糙叶片表面的勾连作用。另一方面,当涂层表面结冰时,冰块在离心力、气流扰动和周期性重力的作用下使弹性涂层发生微尺度形变,由于涂层厚度略有不同,形变量存在差异,此时局部区域涂层和冰块分离产生空气间隙,这有效降低了冰块的黏附强度[20]。当冰块质量较大时,周期性切向力引起的涂层形变势能部分转化成内能,提高了结冰界面的温度。

图9 不同材料的冰黏附强度

3.2 疏水弹性涂层的寿命测试

对于大风机而言,涂层的涂覆成本较高,提高涂层的寿命,可以降低运行成本。对疏水弹性涂层开展多次结冰-脱冰试验,测量反复脱冰后涂层的接触角和冰黏附强度,结果如图10所示。试验过程中手涂涂层的接触角都高于喷涂涂层,其冰黏附强度要略低于喷涂涂层。这主要是由于手涂涂层和喷涂涂层的组成不同所致。作为防覆冰主要作用成分的硅酮橡胶的黏度可达175 830 mPa·s,不便于涂刷在叶片上,需用六甲基二硅氧烷稀释。手涂涂层要易涂覆,因此要求黏度较高,而喷涂要能够雾化,有利于均匀分散,因此要求黏度较低,故喷涂涂层的冰黏附强度略高于手涂涂层。然而,由于手涂涂层受操作者主观影响较大,不利于标准化加工,因此建议采用喷涂方式作为涂层加工方式。可通过优化硅酮橡胶和六甲基二硅氧烷的比例,采用加压喷涂高浓度硅酮橡胶的方式进一步提高喷涂涂层的防覆冰性能。

(a) 接触角

随着结冰-脱冰次数的增加,涂层的接触角和冰黏附强度变化不明显,5次试验后手涂涂层和喷涂涂层的接触角分别为117.5°和114.5°,冰黏附强度分别为16 kPa和25 kPa。可以看出多次结冰-脱冰试验后,涂层的疏水特性和弹性没有显著变化,说明疏水弹性涂层具有良好的耐久性,其应用于风机叶片防覆冰具有可行性。

3.3 疏水弹性涂层对霜冰和明冰的脱除效果

分别在霜冰和明冰的气象条件下开展涂层的脱冰试验,如图11所示。根据式(2)计算涂层的冰黏附强度σr:

(a) 手涂涂层(霜冰)

(2)

式中:F为冰块的黏附力;s为冰块与叶片的接触面积;m为冰块质量;δ为结冰厚度;ρ为冰块的密度;ω为叶片转速。

从表1可以看出,涂层上结霜冰时,手涂涂层的脱冰效果比喷涂涂层好,手涂涂层叶片冰块脱落处的厚度为8.2 mm,对应的冰黏附强度为8.5 kPa,而喷涂涂层冰块脱落处的厚度为11.2 mm,对应的冰黏附强度为14.1 kPa。涂层结明冰的脱冰图像如图11(c)和图11(d)所示,其手涂涂层的脱冰厚度为3.1 mm,要小于喷涂涂层的脱冰厚度5.7 mm,对应的冰黏附强度分别为3.8 kPa和9.5 kPa。试验过程中观察到涂层结冰脱落时,无涂层叶片叶尖处的结冰没有脱落。从表1还可以看出,霜冰的冰黏附强度要明显大于明冰的冰黏附强度,这与结冰的环境温度有关,冰黏附强度随着环境温度的降低而增强。

表1 疏水弹性涂层对试验风机叶片不同类型覆冰的脱除效果

根据现场试验风机脱冰处的结冰厚度和转速计算得到的冰黏附强度(表1)要低于实验室试验结果,这主要是因为叶片上结的冰会和叶片一起旋转,当叶片竖直向上或竖直向下时,冰块的离心力和重力的方向分别为异向和同向,冰块受到的力作周期性变化,容易使冰块和涂层间产生空气间隙,减小冰块和涂层的接触面积,降低了冰块的冰黏附强度。根据试验风机冰黏附强度测试结果,估算大风机的脱冰厚度,以大风机结冰较严重的叶尖r=28.9 m处为例,霜冰和明冰的脱冰厚度分别为104 mm和47 mm,基于前期大风机掉落的冰块来判断,能够满足风机运行的要求。