高寒地区气温低、空气密度大，可用风能比其他地区高约10%。然而，低温带来的覆冰问题严重削弱了风机的输出功率，并影响风机的安全稳定运行。目前，热空气技术和电热技术是风机防/除冰的主要手段。然而，上述方法会随着环境温度的降低和来流风速的提升消耗更多能量，且除冰周期增加。

与之相比，机械式的气动除冰方法更加直接高效，且能耗较低。1980年以来，该方法被广泛用于直升机旋翼和民用机机翼除冰方面。由于风机叶片与机翼结构相似，气动除冰方法在风机叶片除冰方面具有较好的应用前景。机翼上的气动除冰方法主要依靠粘贴在表面的橡胶气囊实现，如图1所示。气囊充气时会产生6～10 mm的形变，持续时间为1～4s，表面冰层在弯曲力的作用下破碎并在剪切力的作用下被剥离。

图1 橡胶气囊除冰示意图

为减少外部粘贴气囊长时间大形变对叶片气动性能的影响，受飞机机翼气囊除冰方法启发，重庆大学雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站的于周、舒立春等，提出一种新结构式的气动脉冲除冰方法。他们将气囊浇注于叶片内部来减少表面形变和除冰时长，为研究该方法在不同覆冰厚度下的除冰效果，利用Abaqus商业软件对该方法的简化模型进行除冰过程的数值仿真，对比分析了不同脉冲充气气压下覆冰厚度对除冰效果的影响。同时，通过人工覆冰与除冰试验，对仿真结果进行验证。

图2 气动脉冲除冰样板设计示意图

图3 气动脉冲除冰原理

研究者发现，与粘贴在翼型表面的气囊除冰方法相比，新结构式的气动脉冲除冰方法能够在减小表面形变位移和形变时长的条件下实现除冰目的，其中，表面形变最大位移不超过2 mm，形变时长为4 ms。

图4 充气压力1 MPa的脱冰效果

图5 充气压力1.5 MPa的脱冰效果

而且，在较低的充气气压下，覆冰厚度越薄，冰层越容易破碎和脱落，但是脱冰率偏低，可以通过增大充气气压来提升冰层受到的横向剪切应力，从而达到提升脱冰率的目的。

图6 充气压力3 MPa的脱冰效果

他们指出，当充气气压相同时，冰层厚度的增加有利于减小表面形变，同时冰层变厚有利于提升低充气气压下的脱冰率。在工程应用时，可以考虑在覆冰达到一定厚度时，利用合适的低充气气压实现大面积除冰操作，其主要原理是利用被剥离冰层带动两端冰层一起脱落。

本工作成果发表在2024年第3期《电工技术学报》，论文标题为“覆冰厚度对气动脉冲除冰效果影响的数值仿真与试验验证”。本课题得到国家自然科学基金的支持。