本书是《风力发电工程技术丛书》之一，主要包括寒冷气候条件风能利用、风力机叶片结冰模型分析及计算、风力机结冰与防除冰实验、结冰对风力机性能影响计算研究、风力机结冰探测与预报技术、风力机叶片防除冰技术、垂直轴 风力机结冰研究等内容。

本书可作为风电专业本科和研究生的教学或参考用书，也可供从事风电控制技术研究的专业技术人员参考阅读。

前言

第1章 寒冷气候条件下风能利用

1.1 世界寒冷气候条件下风能资源

1.1.1 世界风力发电发展现状

1.1.2 世界寒冷气候条件下风能利用

1.2 我国寒冷气候条件风能资源

1.2.1 我国风力发电发展现状

1.2.2 我国寒冷气候条件风能资源利用

1.3 风力机结冰

1.3.1 结冰基本概念

1.3.2 结冰过程

1.3.3 结冰等级

1.3.4 影响风力机结冰的因素

第2章 风力机叶片结冰模型分析及计算

2.1 风力机结冰模型

2.1.1 结冰理论模型

2.1.2 结冰经验模型

2.1.3 除冰模型

2.2 结冰理论

2.2.1 基本概念

2.2.2 空气流场计算

2.2.3 水滴撞击特性

2.2.4 积冰热力学模型

2.3 典型风力机准三维结冰数值模拟算例

2.3.1 风力机结冰计算外形

2.3.2 影响因素对风力机结冰分布影响

第3章 风力机结冰与防除冰试验

3.1 风力机结冰与防除冰试验概述

3.2 冰风洞试验

3.2.1 冰风洞概述

3.2.2 冰风洞参数测量

3.2.3 冰风洞结冰试验

3.2.4 叶片结冰相似准则

第4章 结冰对风力机性能影响计算研究

4.1 二维结冰翼型气动性能变化

4.1.1 结冰计算方法

4.1.2 二维翼型气动特性

4.1.3 结冰对翼型气动特性影响

4.2 结冰风力机气动性能分析与载荷计算

4.2.1 叶素一动量理论气动特性计算方法

4.2.2 结冰风力机载荷计算

4.2.3 结冰对叶片结构影响

4.2.4 GHBladed计算软件

4.3 流固耦合在结冰对风力机性能影响中的应用

4.3.1 流固耦合理论

4.3.2 流固耦合模拟方法

第5章 风力机结冰探测与预报技术

5.1 风力机结冰探测系统简介

5.2 常用结冰传感器简介

5.3 典型结冰传感器

5.3.1 光纤法结冰传感器

5.3.2 红外摄像法结冰传感器

5.3.3 压电谐振法结冰传感器

5.3.4 磁致伸缩谐振法结冰传感器

5.3.5 电容及电阻式结冰传感器

5.4 结冰探测系统

5.4.1 结冰探测器设计方法

5.4.2 结冰探测器举例

5.4.3 探测器外形优化

5.4.4 结冰探测器专利与产品介绍

第6章 风力机叶片防除冰技术

6.1 风力机叶片防除冰简介

6.2 典型防除冰方法

6.2.1 被动法

6.2.2 主动法

6.2.3 防除冰典型方法专利介绍

第7章 垂直轴风力机结冰研究

7.1 垂直轴风力机工作原理

7.1.1 垂直轴风力机简介

7.1.2 垂直轴风力机与水平轴风力机的性能对比

7.1.3 直线翼垂直轴风力机

7.1.4 直线翼垂直轴风力机工作原理

7.2 垂直轴风力机叶片静态结冰特性

7.2.1 研究方法

7.2.2 静态叶片零度攻角长时间结冰特性研究

7.2.3 静态叶片不同攻角结冰特性试验研究

7.3 垂直轴风力机动态结冰特性

7.3.1 冰风洞试验研究

7.3.2 结冰数值模拟计算研究

参考文献

本书是“十二五”“十三五”国家重点图书出版规划项目，《风力发电工程技术丛书》(共35分册)之一，权wei编写，系统地、全面地介绍了风力发电领域相关技术，包括全新的研究成果、热点话题、应用实践等。

李岩（1972年12月— ），教授，博士生导师。本科毕业于哈尔滨理工大学，2000年赴日本鸟取大学留学，先后获得工学硕士和博士学位。2006年回国工作，任东北农业大学工程学院副院长，寒地农业可再生资源利用技术与装备黑龙江省重点实验室主任。主要从事风能与可再生能源综合利用研究，尤其是在新型垂直轴风力机研发以及风力机结冰机理与防除冰技术等领域。主持国家自然科学基金等各类科研项目十余项，发表学术论文50余篇，编著教材3部，曾获日本太阳能学会奖、黑龙江省科技发明二等奖。

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。