一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构的制作方法

1.本发明属于叶片气热除冰系技术领域，具体涉及一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构。


背景技术：

2.气热除冰是现阶段较常用的技术，但因为叶片的长度较长，在叶片弦向与展向方向上均不同程度地存在厚度分布不均的问题，若只是采用气热除冰的单一技术来除冰，存在以下问题：叶片虽然结冰情况相对严重，但因为厚度较小，热气流对叶尖的加热效果较好，使得叶尖部位不太容易出现覆冰；相比之下，叶片中段特别是前缘部分，由于叶片厚度较大，虽内部通有热气流，但加热效果欠佳。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，解决了叶片中段气热除冰效果欠佳的问题。
4.本发明是通过以下技术方案来实现：
5.一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，所述强化换热结构为在叶片中需要提升换热强度的强化加热段；
6.在强化加热段内设有波纹管段，用于改变强化加热段内的热气流通流区域；
7.波纹管段由前端面、后端面以及半圆柱段构成，前端面和后端面与对应的叶片边缘内表面的距离相同；
8.波纹管段固定于叶片内的第一腹板上，第一腹板与波纹管段的中心重叠。
9.进一步，在波纹管段的前端和末端连接有平滑的锥段。
10.进一步，在波纹管段前端连接的椎段上对称设置有一对流道挡板，用于将更多的热气流引流至叶片边缘迎角点附近的流场区域。
11.进一步，流道挡板与叶片展向中心线呈20
°
～45
°
夹角。
12.进一步，当强化加热段设置在叶片前缘内时，2只流道挡板、椎段和叶片前缘内表面围成的通流面积，占对应位置处整个半圆环状通流面积的0.4～0.6。
13.进一步，进入前端面的热气流流速相比在未设置强化加热段前的流速提升2～3倍。
14.进一步，波纹管段设置在叶片前缘内，或设置在叶片内的第一腹板和第二腹板之间。
15.进一步，波纹管段与叶片弦向平行的截面i表面上任意点到同一位置的叶片前缘截面的内表面的最近距离相同。
16.进一步，波纹管段的材料选取与叶片材料相同的复合材料。
17.进一步，波纹管段上相邻的波峰与波谷的高度取相同值，其值等于对应波纹与叶片前缘截面最近距离的0.4～0.6倍。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
19.本发明公开了一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，在对应筛选出的强化换热区域内，通过在该区域内设计并设置波纹形状的流场结构，用以提升热气流在波纹形通流区域内的湍流强度，进而强化了热气流与厚度较大的叶片中段前缘的整体换热效果，即在原有的气热除冰效果上，额外提升了对应流段的加热效果；本发明设计的波纹管为半圆柱形，而非锥形，是因为如果采用锥形，在需要加强换热的地方，会出现通流面积的变化，虽然越往下游流速越快，但会导致前端的强化换热效果相对欠佳，因为追求的是需要强化换热段的整体的加热提升效果，因此本发明最终选用圆柱形，会在加热效果与流动阻力之间取得更好的平衡效果；叶片在展向方向上的中段，是叶片气热效果不佳的区域，而在这个区域中，叶片前缘因为叶片容易结冰，是需要进行强化换热的，但也并不是只能局限在前缘，比如与前缘接壤的叶片中间段，也可能存在这个情况，所以也可以用本强化换热结构来进行换热。
20.进一步，为了避免叶片前缘内的热气流因通流面积的突然变化引发额外的压力损失和振动等情况，在波纹管段的前端面连接有平滑的锥段。同样地，在椎台流场结构的末端同样连接有椎段，避免了热气流在进入椎台流场结构前后的流场的突然变化。
21.进一步，由于叶片前缘迎角点附近区域是结冰情况较严重的叶片前缘中相对更为严重的区域，在波纹管段前端的椎段上对称设置一对流道挡板，通过流道挡板将更多的热气流引流至叶片前缘迎角点附近的流场区域，通过流量的提升，为前缘迎角点附近区域提供更多的融冰热流。
22.进一步，将热气流进入前端面对应通流截面的速度提升为2～3倍，这样可以在流速提升与压力损失间取得平衡，获得较好的经济效益。
23.进一步，波纹管段的材料选取与叶片材料相同的复合材料，在重构区域流场的同时减少波纹管段的重量，降低其对机组载荷等的影响。
附图说明
24.图1为在叶片前缘气热强化加热段内的气固强化换热结构图；
25.图2为波纹管段的结构示意图；
26.图3为波纹管段前端的流道挡板示意图。
27.1：叶片前缘；2.叶片尾缘；3：第一腹板；4：第二腹板；5：前缘强化加热段；6：椎段；7：波纹管段；8：前端面；9：后端面；10：流道挡板；11：波纹段横截面。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
29.本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
30.在设备输出功率、叶片安全性和整体运行经济性等限制因素的前提下，查找叶片弦向与展向两个方向上需要额外提升气热换热效果的区域，即不是一味地通过提升气热除冰运行参数(如流量和温度)等有损叶片安全和运行经济性的方式去实现较难加热的叶片区域的除冰效果，本发明采用正常的通用的运行方式去解决叶片根部和尖部(初步的对于叶片结冰区域的结论)的除冰需求，对于叶片中部及(或)其他区域，因为叶片厚度或是结冰情况较为严重，筛选出需要强化换热的区域，在上述区域内部，设计局部的强化换热结构。
31.如图1所示，本发明设计的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其原理是在筛选出的叶片强化换热段内设置波纹形状的管段，即波纹管段7，通过引流导流结构提升了流速的热气流，在波纹管段7表面的波纹流道的作用下，提升了热流湍流强度，从而导致换热强度的对应提升。
32.基于图1所示结构，在整只叶片中筛选出需要提升换热强度的前缘强化加热段5，其长度为l1。除了前缘部分，还可能包括叶片弦向方向上的其余区域，如叶片的第一腹板3和第二腹板4之间的部分区域，其设计方法类似于叶片前缘段，在图1中未画出。
33.如图1和图2所示，在该区域的叶片前缘1内，设计波纹管段7的内置流场改变结构，用于改变前缘强化加热段5内的热气流通流区域。波纹管段7由前端面8、后端面9以及二者之间的波纹表面组成。前端面8和后端面9设计成相同的形状，结合其与前缘内表面的间距的小幅变化，需要对形状进行对应的尺寸修改，保证前端面8和后端面9与对应的前缘内表面的距离相同。在前端面8和后端面9之间，用波纹形状的波纹表面包络处理。最后将该波纹管段7固定于第一腹板3上，二者的中心重叠。
34.如图1所示，为避免叶片前缘内的热气流因通流面积的突然变化(即进入流道的骤缩及流出流道的骤扩)引发额外的压力损失和振动等情况，在波纹管段7的前端面8连接有平滑的锥段6。同样地，在波纹管段7的末端同样连接有椎段(图1中未画出)，避免了热气流在进入波纹管段7前后的流场的突然变化。
35.如图2所示，关于波纹管段7的设计，前端面8和后端面9分别直接连接有外凸形状的波纹，其形状可以选择半圆形或弓形。该形状的半径和高度，以及其与前缘内表面的距离，结合数值模拟方法从强化换热的出发点可开展对应的设计与优化。确定形状参数后，以凹凸形状交替，形成整个波纹表面。
36.如图2所示，波纹段横截面11上可以看到波纹管段7上相邻的波峰与波谷的高度取相同值，其值等于对应波纹与叶片前缘截面最近距离的0.4～0.6倍。
37.在本发明中，前端面8和后端面9距离叶片前缘的流道高度相同，即图3中的r1。就是为了提升热气流在前缘强化加热段5内的换热效果，热气流流速相比在未设置前缘强化加热段5的前缘内的其他区域的流速要提升2～5倍。本发明中，将热气流进入前端面8对应通流截面的速度提升为2～3倍，这样可以在流速提升与压力损失间取得平衡，获得较好的经济效益。
38.由于叶片前缘迎角点附近区域是结冰情况较严重的叶片前缘中相对更为严重的区域，在波纹管段7前端的椎段6，对称设置一对流道挡板10，如图3所示。流道挡板10的作用是将更多的热气流引流至叶片前缘迎角点附近的流场区域，通过流量的提升，为前缘迎角点附近区域提供更多的融冰热流。该流道挡板10与叶片展向中心线呈一定的角度分布，可在20
°
～45
°
之间取值。
39.如图3所示，2只流道挡板10以一定角度，构建了一个减缩型的流道，有利于将更高比例的热流引入强化换热段中的前缘中间区域，更好地解决前缘更容易形成覆冰的区域的换热需求。
40.2只流道挡板10、椎段6和叶片前缘1内表面围成的通流面积，即在该展向方向上特定位置上的截面积，占对应位置处整个半圆环状通流面积的0.4～0.6。比如流道挡板10前端所处位置，由流道挡板的边缘、椎段6曲面和叶片前缘的弧线围成的面积，占此处半圆环状面积的0.6，而流道挡板末端对应围成的面积，占对应半圆环状面积的0.4。
41.按照上述方法确定了波纹管段7后，可以结合流道挡板10的设计，对流道挡板10的布置方式进行优化。
42.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，所述强化换热结构为在叶片中需要提升换热强度的强化加热段；在强化加热段内设有波纹管段(7)，用于改变强化加热段内的热气流通流区域；波纹管段(7)由前端面(8)、后端面(9)以及半圆柱段构成，前端面(8)和后端面(9)与对应的叶片边缘内表面的距离相同；波纹管段(7)固定于叶片内的第一腹板(3)上，第一腹板(3)与波纹管段(7)的中心重叠。2.根据权利要求1所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，在波纹管段(7)的前端和末端连接有平滑的锥段(6)。3.根据权利要求2所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，在波纹管段(7)前端连接的椎段(6)上对称设置有一对流道挡板(10)，用于将更多的热气流引流至叶片边缘迎角点附近的流场区域。4.根据权利要求1所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，流道挡板(10)与叶片展向中心线呈20
°
～45
°
夹角。5.根据权利要求1所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，当强化加热段设置在叶片前缘(1)内时，2只流道挡板(10)、椎段(6)和叶片前缘(1)内表面围成的通流面积，占对应位置处整个半圆环状通流面积的0.4～0.6。6.根据权利要求1所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，进入前端面(8)的热气流流速相比在未设置强化加热段前的流速提升2～3倍。7.根据权利要求1所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，波纹管段(7)设置在叶片前缘(1)内，或设置在叶片内的第一腹板(3)和第二腹板(4)之间。8.根据权利要求1所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，波纹管段(7)与叶片弦向平行的截面i表面上任意点到同一位置的叶片前缘(1)截面的内表面的最近距离相同。9.根据权利要求1所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，波纹管段(7)的材料选取与叶片材料相同的复合材料。10.根据权利要求1所述的一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，其特征在于，波纹管段(7)上相邻的波峰与波谷的高度取相同值，其值等于对应波纹与叶片前缘(1)截面最近距离的0.4～0.6倍。

技术总结
本发明属于叶片气热除冰系技术领域，涉及一种改变叶片气热除冰局部流场的强化换热结构，所述强化换热结构为在叶片中需要提升换热强度的强化加热段；在强化加热段内设有波纹管段，用于改变强化加热段内的热气流通流区域；波纹管段由前端面、后端面以及半圆柱段构成，前端面和后端面与对应的叶片边缘内表面的距离相同；波纹管段固定于叶片内的第一腹板上，第一腹板与波纹管段的中心重叠。在对应筛选出的强化换热区域内，通过在该区域内设计并设置波纹形状的流场结构，用以提升热气流在波纹形通流区域内的湍流强度，进而强化了热气流与厚度较大的叶片中段前缘的整体换热效果，即在原有的气热除冰效果上，额外提升了对应流段的加热效果。热效果。热效果。


技术研发人员：林伟荣 唐烂芳 文军 吴忠伟 孟秀俊 陈宫 汪德军 胡辉 詹彪 朱玉瑞 吴孝伟 刘勇
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 中国华能集团有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/6