1.3 风力机结冰

结冰是一种物理现象，有一套完整的、专门的理论和研究体系。风力机的结冰属于结构的大气结冰类型（Atmospheric Icing of Structures），国际标准ISO12494:2001对这类结冰的定义、范围、分类、原理、特征和影响等进行了详细的阐述和说明。同时，在此基础上，国际能源署的寒冷气候风能利用项目组的多个研究报告又专门针对风力机结冰进一步给予了细化和补充说明，更加详细和专业地对风力机结冰的各个方面进行了深入介绍。

1.3.1 结冰基本概念

一般情况下，大气结冰（Atmospheric Icing）是指在一定的大气条件下，空气中的水滴冻结或黏附在暴露于大气中的物体而结冰的过程，包括来自于漂浮或降落的水滴、降雨、细雨和湿雪等各种形式。通常，根据大气结冰的形成过程可以将其分为云冰、沉降冰、积霜等。还可以根据结成的冰的性质将其分为霜冰、明冰、湿雪混合冰等。结冰分类如图1-8所示。对于风力机而言，云冰和沉降冰都会对其造成严重影响，所有的结冰类型也都可能出现在风力机上。

1．结冰过程分类

（1）云冰（In-cloud Icing）。云冰是指由漂浮在云层或云雾中的过冷水滴而凝结成的冰。细小的过冷水滴漂浮云层中，当达到一定温度条件便会凝结在物体上，结成霜、霜冰、明冰等。在这种结冰过程常见于飞机结冰和风力机结冰等，危害较大。

（2）沉降冰（Precipitation Icing）。沉降冰是指由在低温条件下的冻雨或湿雪等产生的结冰。如果在低温条件下有降雨，即使是毛毛细雨，只要落在表面温度低于0℃的物体上也会凝结成冰。对于湿雪的情况，如果物体表面温度足够低，湿雪将逐渐累积在物体表面而不融化，或者累积的速率大于融化的速率，就会形成明冰或者湿雪类型的冰。这种情况对风力机也是常见的。

（3）积霜（Hoar Frost）。积霜是指水蒸气直接相变为冰的过程，通常发生在低温条件。严格地说，积霜并不是一种真正意义上的冰，其密度和强度都要较冰低许多，厚度也小，因此，物体表面积霜通常不会对其强度和载荷造成严重的影响。

2．结冰性质分类

（1）霜冰（Rime Icing）。霜冰是指白色不透明的冰，其内部存在一定量的被封住的空气。其结冰过程如图1-9所示。过冷液态水滴在云或者雾中随风运动，当其撞击到物体表面时就会立即冻结，形成霜冰。在结冰的过程中，冰没有发生融化，因此不会形成透明状的冰，而是形成白色、不透明的冰。液滴的大小不同，形成的霜冰特征也不同，还可以将霜冰细分为轻度霜冰和重度霜冰两种。由较小水滴形成的霜冰为轻度霜冰，如果水滴较大则形成重度霜冰。霜冰在物体上形状往往是不对称的，主要在迎风面上凝结和生长。其结冰温度条件较宽，可低至—20℃。

（2）明冰（也称为瘤冰，Glaze Icing）。明冰主要是由冻雨等沉降水滴或者云雾中的大水滴遇到寒冷物体表面凝结而成。其结冰机理如图1-10所示。其形成有一定的温度范围，通常在0～6℃之间，由于在结冰过程中伴随一定的融化过程，因此在已经凝结的冰层和正在撞击过来的水滴之间形成一个很薄的水膜。因此，明冰是一种透明、光滑和均匀的冰层，具有很高的密度和很强的黏附结构。由于在明冰结成冰生长的过程可能伴随着一定的流动性，加之因此风和重力的共同作用，可能会绕物体流动生长，在物体的背风面出现结冰。

（3）湿雪（Wet Snow）。湿雪是指具有较高液态水滴含量且部分已经融化的雪会具有很高的黏附性，使其能够黏在物体表面凝结成冰。湿雪发生的温度条件一般为0～3℃。湿雪发生后，如果继续降温，湿雪便会冻结，随着降温程度不同，形成的湿雪的密度、强度等特性的变化范围也较宽。

（4）混合冰（Mixed Icing）。混合冰是指两种或两种以上的结冰类型共存的状态，如在一定温度条件下会出现明冰与霜冰共存的状态，或者在沉降冰发生时，明冰有时也可以和湿雪同时存在。混合冰形成后，随着温度的变化，混合状态有可能被打破或融化或继续冻结。因而混合冰的密度、强度等差别很大。

图1-11给出了风力机叶片表面的积霜、湿雪和混合冰的实际照片。

各种结冰的主要物理特性对比见表1-3。明冰、重度霜冰、轻度霜冰与风速和温度之间的关系如图1-12所示。

3．结冰生长过程（Icing Accretion）

结冰生长过程是指冰在物体表面累积、生长、稳定成形的过程。结冰生长过程决定了最终的结冰类型和形态。影响生长过程的因素有很多，包括了环境的因素和被结冰物体的自身参数等。环境参数主要包括：温度、湿度、风速、空气密度、过冷水滴含量、液态水滴平均粒径等；物体自身参数包括：尺度、形状、材料、迎风面积、运动状态等。对于风力机而言，这些都是要考虑的问题。

4．结冰作用（Icing Action）

结冰作用是指结冰对物体或某种结构的作用和影响。这种影响包括两个方面：一个是冰重载荷影响；另一个是风载荷影响。由于结冰导致被结冰物体的重力载荷分布发生改变，从而造成物体的各种力学特性改变，影响载荷分布。另外，由于结冰改变了物体外形，使得风作用在物体上的载荷也会发生变化。这种影响对于飞机机翼和风力机叶片尤为显著，直接影响飞机的安全飞行和风力机的气动特性。

1.3.2 结冰过程

结冰从发生到融化有个随着时间变化的过程。根据国际能源署的报告，可以将涉及风力机的结冰过程（Phases of An Icing Event）分为3个阶段，即气象结冰、仪器结冰和风轮结冰。另外，从结冰的生命周期来看又可以分为4个阶段，即培育阶段、生长阶段、持续阶段和消融阶段。风力机结冰的整体情况如图1-13所示。

1．气象结冰（Meteorological Icing）

气象结冰阶段是指在这一时期内各种气象条件达到了结冰的要求，如温度、风速、液态水滴含量、液态水滴分布等。

2．仪器结冰（Instrumental Icing）

仪器结冰阶段是指在这一时期内在物体上出现了结冰或者可以观测到结冰存在。由于在气象学上也指在气象观测仪器上出现了或观测到了结冰，所以被称作仪器结冰。

3．风轮结冰（Rotor Icing）

风轮结冰阶段是指在这一时期内结冰出现在风力机风轮叶片上。由于风轮尺寸、形状、流速和湍流等条件的不同，风轮结冰通常不能等同与仪器结冰。风轮结冰的培育期和消融期通常要小于仪器结冰。而整个风轮结冰过程对于静止风轮和旋转风轮有很大区别。

4．结冰培育期（Icing Incubation）

结冰培育期是指从满足气象结冰时间节点开始到仪器结冰或者风轮结冰这段时间。它取决于物体的表面条件和温度。

5．结冰生长期（Icing Accretion）

结冰生长期是指结冰从发生到成形的生长过程。通常是指有效结冰的形成。

6．结冰持续期（Icing Persistence）

结冰持续期是指结冰保持稳定状态时期，在这一期间结冰不生长也不融化。

7．结冰消融期（Icing Ablation）

结冰消融期是指通过融化结冰被除去的过程。消融可通过融化、升华、腐蚀、脱落等实现。

1.3.3 结冰等级

国际能源署分别对满足低温气候和结冰气候地区温度条件作了明确规定，并将其与风力机的设计进行了关联说明，如图1-14所示。对符合低温气候条件地区的要求是：长期或年均平均气温在0℃以下；根据长期观测记录（10年以上），年均有9天（按小时折算）气温低于—20℃。对于普通的风力机来说，其正常运行的低温范围是—10℃，安全极限低温为—20℃。而对于在低温气候条件地区的风力机，其正常运行的最低温度为—30℃，安全极限温度为—40℃。这对风力机的设计提出了很高的要求。

而对于满足结冰气候条件的地区是包括在低温气候条件地区中的，因此除了防止低温，还要考虑结冰。国际能源署对结冰地区、气候、条件地区进行了等级划分，见表1-4。其中，结冰等级共有五级，1～5级逐级严重，达到5级以上后便不再分级。

1.3.4 影响风力机结冰的因素

影响风力机结冰强度和发生概率取决于许多因素，下面对主要的影响因素进行讨论。

1．环境温度

低温是风力机结冰的先决条件，只有环境温度低于0℃才会出现叶片覆冰现象。环境温度决定了云层中的液态水含量，还影响着结冰过程中释放出的潜热的散失。通常来说，风力机出现结冰现象的环境温度范围为—40～0℃，其中在—10～—2℃的温度范围内出现结冰频率最高，温度低于—10℃时，空气中的水蒸气将会凝结成冰晶降落到地面，反而降低了风力机叶片的结冰量。影响环境温度的因素主要有地域原因、地形分布及早晚温差，其中早晚温差对风力结冰影响较大，夜晚低温造成风力机结冰，早晨太阳升起照射叶片使风力机叶片表面结冰融化，这容易导致观测错觉，某些结冰风场不发生结冰现象或结冰时间较短。

2．液态水含量（Liquid Water Content, LWC）

液态水含量是指单位体积的空气中所含有的液态水的质量，在结冰研究过程中，其单位为g/m3。LWC是影响结冰形状和结冰类型的重要的云雾参数，在给定温度和水滴粒径的情况下，液态水含量增大直接导致风力机结冰量增加，结冰的冰型也会由霜冰转化为明冰，同时会出现溢流冰现象。

空气中液态水含量首先取决于地域特性，对于南方高山或沿海地区，潮湿的气候条件导致了空气中的液态水含量较高；其次是取决于环境温度，温度很低时，空气中的过冷水滴凝结成了冰晶降落到地面，这直接导致了空气中液态水含量降低，这也是三北地区的风场中降雪消融结冰严重与云雾结冰的原因。

3．平均水滴粒子直径（Medium Volume Droplet Diameter, MVD）

空气中分布的水滴直径尺寸不是单一的，而是有一定分布，在结冰研究中MVD定义为将总粒子分布分为两半的临界尺寸，即认为直径大于MVD的大水滴的总体积与直径小于MVD的小水滴的总体积相等。

空气中的水滴直径通常为2～50μm，在高空中存在更大直径的水滴粒子，称为大水滴，但是在低空中直径超过100μm的水滴一般都会以降雨的形式下落到地面。水滴粒子直径直接关系到撞击到叶片表面的范围、撞击量及结冰冰形的影响。MVD较大的水滴惯性较大，更容易和风力机叶片相撞，单位时间内形成的冰层更厚，结冰强度更大。而对于MVD较小的水滴则会绕过风力机叶片表面，造成结冰量小，对风力机结冰影响较小。

4．结冰时间

结冰时间是风力机处于结冰环境的时间，风力机结冰过程是空气中过冷水滴不断撞击到风力机叶片上并凝结成冰的过程，可以发现，结冰时间越长，风力机上的结冰量越大。但是，当风力机叶片上结冰超过一定界限时，积冰量过大导致覆冰在重力及旋转力作用下从叶片表面上脱落下来。可以发现风力机叶片上的结冰量并不是随着时间无限增长。

5．来流速度

水滴的速度随来流速度的增大而增大，这就导致过冷水水滴更加不易随空气的流动而偏转，导致水滴的撞击表面区域扩大，结冰范围增加。同时来流速度增大还会使单位时间内碰到的机体上的过冷水滴增多，结冰速率增加。同时，风速增大会带走更多的结冰释放的潜热，使结冰更为迅速。

6．回转半径与旋转速度

对于现行的风力机，通常要求在额定转速下运转，这就导致随着回转半径的不同，叶片在该位置的翼型的回转线速度不同，其中：回转半径越大，回转线速度相应的也就越大；回转半径越小，相应的回转线速度也就越小。

对于回转半径较大的叶片翼型，由于其回转速度大，单位时间划过的距离长，碰撞的过冷水滴增多，结冰速率增大，相应的结冰量更大，同时结冰释放潜热散失更多，结冰速率更快。风力机叶片工作的主要区域集中在叶片端部部分，当实际运行过程中叶片端部部位已经达到结冰极限时，风力机就无法正常工作，而叶片根部结冰量较少，因而现阶段风力机的除防冰装置主要集中在叶片端部部分。

对于变速型风力机，随着旋转速度的增加，叶片端部结冰趋势将更加明显，结冰速度与结冰总量将相应的增加。

7．叶片翼型

对于风力机翼型，前缘半径的增加会导致过冷水滴的撞击量降低。这是由于前缘半径增加，空气流线的弯曲程度相对变缓，水滴更容易随空气流动，前缘撞击量降低，水收集率减少，相反，前缘半径越小，收集率越高。其次，叶片翼型的气动光滑性也是影响结冰速率的主要原因之一，如果翼型表面不够光滑，水滴更易附着在其表面，相反，如果表面足够光滑，其水滴在凝结之前就会被风吹走，从而降低结冰速率与结冰量。