一种风机叶片防结冰装置及风机叶片防结冰方法与流程

1.本发明涉及风机叶片技术领域，特别是涉及一种风机叶片防结冰装置及风机叶片防结冰方法。


背景技术：

2.目前，风能作为一种清洁能源被大力发展，然而风力发电机在极端天气条件下也面临着效率低下及设备安全的问题，—些地区的风力发电机组在寒冷时期会面临霜冻、寒潮、冻雨等极端天气，从而出现叶片覆冰、覆霜、挂雪等现象。这些现象会直接改变叶片的表面和横截面形状，降低叶片吸收风能的效率，增加叶片断裂失稳危险，导致机组机械运行损伤，加重设备运行荷载，转动失衡甚至导致倒塔事故。另外，叶片覆冰、挂雪还会影响测风的准确性，给风场带来严重的发电量经济性的损失。
3.因此各国风电工作人员对于叶片结冰机理和应对方式方法进行了深入研究，以降低叶片结冰对机组造成的损失，预防风场建设的不确定因素。目前的主要方法有溶液防冰、机械除冰、热能防冰、电脉冲除冰、涂层防冰、气动带除冰、超声波除冰和吹气防冻技术等，其中以热能防冰、融冰效果最好。
4.目前热能除冰主要存在两种型式，一种是在叶片内部加热空气通过热传导加热叶片，然而叶片材质为玻璃纤维增强塑料，具有良好的热绝缘性，此种方法超过60米以上叶片进行除冰存在功率瓶颈；一种是在叶片上预埋发热丝或在叶片表面发热涂层，但是发热材料极易损坏且维修困难。
5.如授权公告号为cn217002136u的中国专利公开了一种风机叶片自动防冰除冰装置，包括叶片本体，叶片本体的外侧设置有一组结冰传感器，叶片本体的一端开设有空腔，空腔内固定连接有多个振动电机，叶片本体的外侧固定连接有隔热层，隔热层的外侧固定连接有电加热层，电加热层的外侧固定连接有导热层，导热层的外侧固定连接有疏水层。
6.上述的风机叶片自动防冰除冰装置通过在叶片本体外侧设置电加热层、导热层，通过加热和振动的方式进行除冰，但是会出现电加热层的发热丝或者发热涂层容易损坏、维修困难的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是：提供一种风机叶片防结冰装置，以解决现有技术中的风机叶片空气传热除冰存在功率限制、发热涂层易损坏且维修困难的问题；本发明还提供了一种风机叶片防结冰方法。
8.为了实现上述目的，本发明提供了一种风机叶片防结冰装置，包括叶片本体，所述叶片本体具有转动时迎向气流的前缘，所述叶片本体的前缘的迎风面与背风面上均喷涂有铁磁性金属层，所述叶片本体内具有空腔，所述空腔靠近所述铁磁性金属层的腔壁上设置有电磁涡流探头；还包括电磁涡流激发仪，所述电磁涡流激发仪与所述电磁涡流探头电连接，所述电磁涡流激发仪用于控制涡流信号的触发。
9.优选地，所述铁磁性金属层为含有铁基耐候钢q235nh颗粒与fe3o4超顺磁性纳米粒子的复合涂层。
10.优选地，所述铁基耐候钢q235nh颗粒与fe3o4超顺磁性纳米粒子的质量比例为7：3。
11.优选地，所述铁基耐候钢q235nh颗粒的粒径为20μm，所述fe3o4超顺磁性纳米粒子的粒径范围为20－30nm。
12.优选地，所述叶片本体的外侧还布置有冰冻传感器，所述冰冻传感器沿所述叶片本体的长度方向间隔布置有两组，所述冰冻传感器用于监控所述叶片本体的表面状态，各所述冰冻传感器均与所述电磁涡流激发仪信号连接。
13.优选地，还包括接引线、引下线和接地装置，所述接引线与所述铁磁性金属层电连接，所述引下线连接在所述接引线与所述接地装置之间，所述接地装置用于与地面基础连接。
14.优选地，所述电磁涡流探头沿所述叶片本体的长度方向间隔均布有三个，各所述电磁涡流探头均与所述电磁涡流激发仪连接。
15.本发明还提供了一种风机叶片防结冰方法，包括以下步骤：步骤一，采用冷喷涂的方式在叶片本体前缘的迎风面与背风面上均喷涂铁磁性金属层，将电磁涡流探头布置在叶片本体的空腔内、冰冻传感器布置在叶片本体的外侧，电磁涡流探头、冰冻传感器均与电磁涡流激发仪连接；步骤二，冰冻传感器检测叶片本体的前缘的结冰信号，并将结冰信号传输给电磁涡流激发仪；步骤三，电磁涡流激发仪接受结冰信号并向电磁涡流探头传输工作信号，电磁涡流探头激发涡流场，激励铁磁性金属层产生感应电磁场，铁磁性金属层产生热量融化叶片本体上的结冰层。
16.优选地，定义电磁涡流激发仪的激发功率为p
p
，定义铁磁性金属层的接受功率为ps，其中ps/p
p
＝η，η为能量传送效率；定义电磁涡流探头激发出的初级电磁场强度为h
p
，定义铁磁性金属层感应出的次级电磁场强度为hs，其中次级电磁场与初级电磁场的比值正比于接收功率与激发功率的比值；
17.定义电磁涡流激发仪的频率为f，定义叶片本体的厚度为γ，f与γ满足：f＝k＇γ2/2π，其中k＇为固定系数。
18.优选地，当叶片本体的厚度范围为20mm～70mm时，电磁涡流激发仪的频率f范围为20khz～50khz。
19.本发明实施例一种风机叶片防结冰装置及风机叶片防结冰方法与现有技术相比，其有益效果在于：在叶片本体上喷涂铁磁性金属层，同时在叶片本体的空腔内靠近铁磁性金属层的腔壁上设置电磁涡流探头，在需要对叶片本体进行除冰时，电磁涡流激发仪启动并通过电磁涡流探头激发初级电磁场，叶片本体不会感应电磁场而产生涡流，无法直接吸收电磁波产生热量，但是叶片本体可以透过电磁波，使得电磁涡流探头产生的交流电磁场穿过叶片本体的厚度方向，与铁磁性金属层耦合，铁磁性金属层产生次级电磁场，即发生涡流效应并在铁磁性金属层内产生涡流，涡流流过金属层通过焦耳效应产生电阻损耗从而产生电阻热，利用电阻产生的热量达到迅速除冰的目的；利用电磁涡流原理进行除冰，不需要在风机叶片上布置发热丝或者电加热层，避免出现热量传导不畅产生的功率限制，也解决了发热涂层损坏维修的问题，同时铁磁性金属层还可以对叶片本体进行防磨保护。
附图说明
20.图1是本发的风机叶片防结冰装置的结构示意图；
21.图2是图1的风机叶片防结冰装置的a－a线剖视图。
22.图中，1、叶片本体，2、叶轮，3、铁磁性金属层，4、电磁涡流探头，5、前缘，6、电磁涡流激发仪，7、冰冻传感器，8、接引线，9、引下线，10、接地装置。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
24.本发明的一种风机叶片防结冰装置的优选实施例，如图1与图2所示，该风机叶片防结冰装置包括叶片本体1，叶片本体1共有三个，三个叶片本体1转动装配在叶轮2上，三个叶片本体1沿叶轮2的周向间隔均布，三个叶片本体1的结构相同，此处仅以一处为例进行说明。
25.叶片本体1具有转动时迎向气流的前缘5，叶片本体1的前缘5的迎风面与背风面上均喷涂有铁磁性金属层3，叶片本体1内具有空腔，即叶片本体1为空腔结构，为电磁涡流探头4以及其他结构的安装提供空间。前缘5是叶片本体1在转动时撞击液体的最易结冰的部位，将铁磁性金属层3布置在前缘5最易与气体接触的迎风面与背风面上，可以保证除冰效果，铁磁性金属层3还可以对叶片本体1进行防磨保护。
26.叶片本体1表面出现结冰的现象，是水在特定环境之下产生的物相变化。在规定条件之下，空气过冷造成的水滴和风机叶片出现碰撞而导致凝结成冰，叶片本体1表面的结冰形式中一般是过冷水滴成冰。风电机组的叶片本体1表面撞击到存在过冷水滴的空气时，水滴因撞击会直接在叶片本体1的前缘5的迎风面的位置上，过冷水滴的内部平衡被破坏，使得过冷水滴的结冰温度变高，更易在风电机组叶片的表面结冰。
27.风电机组叶片表面结冰的发生是耦合相变复杂传热的阶段，因为叶片本体1的表面温度要低于过冷水滴的温度，所以在过冷水滴撞击叶片本体1时，会快速的吸收水分而经过凝固之后释放热量，然后过冷水滴在叶片表面迅速成冰，因此结冰层在叶片前缘5的发生率比较高，且叶尖覆冰主要沉积在叶根位置。
28.叶片本体1的空腔内还布置有电磁涡流探头4，电磁涡流探头4布置在空腔的靠近铁磁性金属层3的腔壁上，在本实施例中，电磁涡流探头4为扁平式结构，以便于装配在叶片本体1的空腔内。
29.该风机叶片防结冰装置还包括电磁涡流激发仪6，电磁涡流激发仪6与电磁涡流探头4通过电缆电连接，电磁涡流激发仪6用于控制涡流信号的触发，并通过电磁涡流探头4激发电磁场。电磁涡流激发仪6通过交流电产生变化的电磁场，并在穿过叶片本体1后与铁磁性电磁场感应发生耦合以产生涡流。
30.常用风机叶片主要成分为玻璃纤维增强塑料，由热固性树脂(环氧树脂)及增强材料(玻璃纤维)复合而成，具有重量轻，比强度高，耐腐蚀，电绝缘性能好，传热慢，热绝缘性好，耐瞬时超高温性能好，以及无磁性、能透过电磁波等特性。因此风机叶片不产生涡流效应，无法直接吸收电磁波产生热量，但可以透过电磁波，在叶片本体1的外侧上喷涂铁磁性材料以此来感应在叶片本体1内部产生的电磁波接收能量成为可能。
31.通过电磁感应原理，电磁涡流激发仪6对装在叶片本体1的空腔内的电磁涡流探头4施加合适频率的交流电，电磁涡流探头4激发出交流电磁场，电磁场穿透叶片本体1的厚度并与叶片本体1外侧的铁磁性金属层3耦合，铁磁性金属层3在变化的电磁场中激发产生涡流电磁场，即发生涡流效应并在铁磁性金属层3内产生涡流，在磁滞损耗加热、弛豫损耗加热、涡流加热效应下，涡流流过金属层产生电阻热，利用产生的热量达到迅速除冰的目的。
32.利用电磁涡流原理进行除冰，不需要在风机叶片上布置发热丝或者电加热层，避免出现热量传导不畅产生的功率限制，也解决了发热涂层损坏维修的问题，同时铁磁性金属层3还可以对叶片本体1进行防磨保护。
33.在本实施例中，采用冷喷涂的方式喷涂铁磁性金属层3。冷喷涂全名冷空气动力喷涂法，是基于空气动力学原理基础的一项喷涂技术，能够在不同的基体材料上喷溶金属、金属合金、塑料和合成材料，喷涂材料的粉末粒子在热的非氧化性气流束中加速，喷溶加热温度较低，涂层基本无氧化现象。
34.冷喷涂是一种金属喷涂工艺，但是它不同于传统热喷涂(超速火焰喷涂，等离子喷涂，爆炸喷涂等传统热喷涂)，它不需要将喷涂的金属粒子融化，所以喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃，对基体热影响小。由于叶片本体1的外部材料为玻璃纤维增强塑料，高温会对其损伤，选用温度较低、对基体损伤较小的冷喷涂技术，可以减少对叶片本体1的损伤。冷喷涂采用氦气或者氮气作为喷涂用气，为减少成本，本发明采用氮气。
35.优选地，铁磁性金属层3为含有铁基耐候钢q235nh颗粒与fe3o4超顺磁性纳米粒子的复合涂层。
36.电磁感应加热技术是作为一种通过吸收电磁能直接转换为热能的非直接接触式加热技术，可穿过空气、塑料等非铁磁性物体，热量直接在导电铁磁性材料上迅速感应产生，改善了能量传递效率。
37.电磁感应加热机制主要有三种，即磁滞损耗加热、弛豫损耗加热、涡流加热。对于多畴铁磁性或亚铁磁性材料，主要是通过磁滞损耗生热；超顺磁性纳米粒子磁致生热主要是来自弛豫效应；对于导电材料主要由涡流效应引起焦耳热。
38.磁滞损耗生热：当铁磁性或亚铁磁性材料暴露于交变磁场中时，由于其磁化过程是不可逆的，磁化曲线表现出“磁滞行为”，并通过磁滞损耗来产生热量。磁滞损耗的大小与剩余磁化强度和矫顽场成正比。磁滞回线围成的面积即磁滞面积，磁滞面积越大，产生的热量也越多。
39.弛豫损耗生热：当磁性纳米颗粒的粒径低于它的临界粒径时，显示出超顺磁性。对于单畴超顺磁性的纳米颗粒，它们没有磁畴壁，因此不会因磁滞损耗而产热。当暴露于交变磁场时，外部交流磁场提供能量并使得单畴纳米颗粒中的单个磁矩朝着施加的外部磁场旋转，从而克服能垒，当颗粒磁矩松弛到其平衡取向时，就会将热量释放到系统中，这就是尼尔弛豫效应。另一种驰豫机制是布朗弛豫，是指磁流体中纳米颗粒内部的磁矩固定在与晶体轴平行的方向，在交变磁场的作用下颗粒的旋转带动磁矩的方向发生改变，纳米颗粒与周围基载液之间存在一定的黏度进而对颗粒旋转产生阻力。这种由摩擦生成的机械能以热能形式散发的机制被称为布朗弛豫。在特定磁场强度和频率下，与多畴粒子相比，超顺磁性粒子产生的热量更高。
40.涡流加热：涡流加热是通过焦耳效应产生电阻损耗，产生的热量通常集中在材料
表面，即趋肤效应。由于导体有电阻，涡流流过导体时产生电阻热。
41.为了强化电磁感应加热，铁磁性金属层3材料要求具备以下性质：良好的铁磁性，以便形成良好的电磁感应效应；一定矫顽力，以便形成良好的磁滞损耗加热效应；良好的导电性，以便形成良好的涡流加热效应；一定的超顺磁性，以便形成良好的弛豫损耗加热效应；良好的导热性，以便将热量迅速传递至周围以及覆冰；良好的耐候性、防锈性、防磨性。
42.耐候钢(即耐大气腐蚀钢)是介于普通钢和不锈钢之间的价廉物美的低合金钢系列，耐候钢由普碳钢添加少量铜、磷、铬、镍等耐腐蚀元素，使其在金属基体表面形成保护层，具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、疲劳等特性，耐候性为普碳钢的2～8倍。铁基耐候钢q235nh颗粒作用铁磁性金属层3的部分原料，具有良好的铁磁性、导电性、导热性、耐候性、防锈性、耐磨性和经济性，可以形成良好的电磁感应效应、涡流加热效应。
43.当磁性纳米颗粒的粒径低于它的临界粒径时，就会显示出超顺磁性。超顺磁性纳米粒子有两个最重要的特点：一是磁化率超大于顺磁体的磁化率；二是不会出现磁滞，即集合体的剩磁和矫顽力都为零。fe3o4超顺磁性纳米粒子作为铁磁性金属层3的原料之一，可以形成良好的弛豫损耗加热效应，且易于制取。
44.优选地，铁基耐候钢q235nh颗粒与fe3o4超顺磁性纳米粒子的质量比例为7：3。
45.经过比较分析和试验，铁基耐候钢q235nh颗粒与fe3o4超顺磁性纳米粒子的质量比例为7：3时，可以兼顾磁滞损耗生热、弛豫效应、涡流效应三种电磁感应加热，提高除冰效果。
46.优选地，铁基耐候钢q235nh颗粒的粒径为20μm，fe3o4超顺磁性纳米粒子的粒径范围为20－30nm。
47.在喷涂时原料都选择粉末颗粒状，为了获得较好的沉淀效率，涂层粒子的尺寸越小越好，铁基耐候钢q235nh颗粒的粒径为20μm，可以具有良好的沉淀效率，同时兼顾铁基耐候钢q235nh颗粒的制作成本。
48.fe3o4超顺磁性纳米粒子的粒径范围为20－30nm，可以兼顾超顺磁性和制取成本。
49.优选地，叶片本体1的外侧还布置有冰冻传感器7，冰冻传感器7沿叶片本体1的长度方向间隔布置有两组，冰冻传感器7用于监控叶片本体1的表面状态，各冰冻传感器7均与电磁涡流激发仪6信号连接。
50.冰冻传感器7可以监控叶片本体1的表面状态，提供叶片外壁参数给电磁涡流激发仪6。当布置在叶片本体1外侧的冰冻传感器7探测到叶片结冰信号时，将叶片结冰信号反馈至电磁涡流激发仪6，电磁涡流激发仪6启动，开始通过扁平式的电磁涡流探头4激发涡流场，激励叶片本体1的外壁的电磁性金属层产生感应电磁场，在磁滞损耗加热、弛豫损耗加热、涡流加热效应下，外壁的电磁性金属层产生热量融化风机叶片表面冰层。当结冰层融化脱落，冰冻传感器7探测到叶片无结冰现象时，将信号反馈至电磁涡流激发仪6，电磁涡流激发仪6停止工作，以此达到防止叶片结冰的目的。
51.优选地，还包括接引线8、引下线9和接地装置10，接引线8与铁磁性金属层3电连接，引下线9连接在接引线8与接地装置10之间，接地装置10用于与地面基础连接。
52.接引线8、引下线9和接地装置10形成风机的避雷系统，当风机叶片遭受雷击时，铁磁性金属层3在防止叶片本体1结冰的同时还起到了雷电引流的作用，叶片本体1的迎风侧的前缘5面积大，增加了铁磁性金属层3的面积，而铁磁性金属层3的导电性好，引流效果显
著。
53.常规的避雷系统主要由设置在叶片表面的接闪器和叶片本体1内部导线构成，所有接闪器与导线连接，导线在叶根处设置与整机的接口，接闪器接收雷电并通过导线连接到整机避雷系统，从而避免叶片本体1玻璃钢遭受雷击。随着技术进步，金属网被越来越多地运用在叶片避雷系统中，通过在叶片表面铺设金属网，金属网通过引下线9连接到避雷系统主导线，在叶片遭受雷击的时候将雷电流引导到风电整机的避雷系统。但是，采用铺设金属网避雷系统的风力发电叶片，由于金属网本身结构局限，引下线9端部只能金属网丝局部连接，接触面积较小，导致从金属网到引下线9存在较大的电阻突变，容易引起连接处附近的金属网烧伤。
54.本实施例中，由于在叶片本体1的前缘5处大面积通长布置了导电性良好的电磁性金属层，接引线8的端部可以与铁磁性金属层3全面接触，增大接引线8与铁磁性金属层3的接触面积，不会引起接触部位的电阻突变，也不会烧损喷涂层。引下线9连接接引线8与接地装置10，分流部分叶片本体1遭遇的雷击，起到避雷的作用。
55.优选地，电磁涡流探头4沿叶片本体1的长度方向间隔均布有三个，各电磁涡流探头4均与电磁涡流激发仪6连接。
56.电磁涡流探头4均布三个，可以增加电磁涡流探头4的覆盖区域，实现激发垂直涡流场。
57.本发明还提供了一种风机叶片防结冰方法，包括以下步骤：步骤一，采用冷喷涂的方式在叶片本体1前缘5的迎风面与背风面上均喷涂铁磁性金属层3，将电磁涡流探头4布置在叶片本体1的空腔内、冰冻传感器7布置在叶片本体1的外侧，电磁涡流探头4、冰冻传感器7均与电磁涡流激发仪6连接；步骤二，冰冻传感器7检测叶片本体1的前缘5的结冰信号，并将结冰信号传输给电磁涡流激发仪6；步骤三，电磁涡流激发仪6接受结冰信号并向电磁涡流探头4传输工作信号，电磁涡流探头4激发涡流场，激励铁磁性金属层3产生感应电磁场，铁磁性金属层3产生热量融化叶片本体1上的结冰层。
58.优选地，定义电磁涡流激发仪6的激发功率为p
p
，定义铁磁性金属层3的接受功率为ps，其中ps/p
p
＝η，η为能量传送效率；定义电磁涡流探头4激发出的初级电磁场强度为h
p
，定义铁磁性金属层3感应出的次级电磁场强度为hs，其中次级电磁场与初级电磁场的比值正比于接收功率与激发功率的比值；
59.定义电磁涡流激发仪6的频率为f，定义叶片本体1的厚度为γ，f与γ满足：f＝k＇γ2/2π，其中k＇为固定系数。
60.在本实施例中，p
p
＝ui，u为激发电压，i为激发电流，为满足必要的加热能量，电磁涡流激发仪6需设置合适的电流、电压，以此激发一定的功率。
61.电磁涡流激发仪6首先通过电磁涡流探头4(发射线圈)激发出初级电磁场，初级电磁场穿过叶片厚度方向，在叶片外部的铁磁性金属层3中感应出涡流电磁场，也称次级电磁场。其他条件不变下，次级电磁场场强与初级电磁场场强正比于接收功率与激发功率，即：hs/h
p
∝
ps/p
p
。
62.由于叶片本体1存在一定厚度(t)，布置在叶片本体1内侧的电磁涡流探头4激发出的交流电磁场需要穿过叶片厚度，与叶片本体1外部的铁磁性金属层3形成电磁感应。因此，为提高能量传送效率，电磁涡流激发仪6的电流、电压、频率等参数设置与电磁涡流探头4的
匹配应满足：电磁涡流探头4激发的电磁涡流场穿过叶片本体1厚度方向可以与叶片外壁电磁感应喷涂层正常耦合。
63.次级电磁场与初级电磁场存在如下关系：
[0064][0065]
其中，ω为角频率，ω＝2πf；μ0为空间磁场传导系数；γ为间距(即叶片厚度)；σ
α
为视电导率；k为固定系数。
[0066]
由上述可知，特定电磁涡流系统搭设完毕后，如需要保持次级电磁场与初级电磁场比值一定，当其他参数不变时，ω与γ2成反比。即：ω＝2πf＝k＇γ2，其中k＇为固定系数，即：f＝k＇γ2/2π。
[0067]
为满足必要的能量传送效率，电磁涡流激发仪6需设置合适的频率，以此实现交流电磁场穿过叶片本体1后电磁涡流感应效应良好耦合。由上可见，当叶片厚度γ越大时，需要的工作频率f越高。
[0068]
优选地，当叶片本体1的厚度范围为20mm～70mm时，电磁涡流激发仪6的频率f范围为20khz～50khz。
[0069]
根据计算、试验，叶片本体1的厚度范围为20mm～70mm、电磁涡流激发仪6的频率f范围为20khz～50khz时，能量传送效率η为90％左右，提高了能量传递效率。
[0070]
综上，本发明实施例提供一种风机叶片防结冰装置及风机叶片防结冰方法，其在叶片本体上喷涂铁磁性金属层，同时在叶片本体的空腔内靠近铁磁性金属层的腔壁上设置电磁涡流探头，在需要对叶片本体进行除冰时，电磁涡流激发仪启动并通过电磁涡流探头激发初级电磁场，叶片本体不会感应电磁场而产生涡流，无法直接吸收电磁波产生热量，但是叶片本体可以透过电磁波，使得电磁涡流探头产生的交流电磁场穿过叶片本体的厚度方向，与铁磁性金属层耦合，铁磁性金属层产生次级电磁场，即发生涡流效应并在铁磁性金属层内产生涡流，涡流流过金属层通过焦耳效应产生电阻损耗从而产生电阻热，利用电阻产生的热量达到迅速除冰的目的；利用电磁涡流原理进行除冰，不需要在风机叶片上布置发热丝或者电加热层，避免出现热量传导不畅产生的功率限制，也解决了发热涂层损坏维修的问题，同时铁磁性金属层还可以对叶片本体进行防磨保护。
[0071]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。