試析海上風(fēng)機(jī)在強(qiáng)臺風(fēng)下葉片受損風(fēng)險與對策——考察紅海灣風(fēng)電場的啟示

王景全，陳政清

(1．解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，南京 210007;2．湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心，長沙 410028)

1 臺風(fēng)“杜鵑”作用下紅海灣風(fēng)電場葉片受損情況

于午銘在文獻(xiàn)［1］中詳細(xì)介紹了2003年9月2日臺風(fēng)“杜鵑”襲擊廣東汕尾市紅海灣風(fēng)電場的過程和風(fēng)電場受損情況。2010年4月13—14日，筆者一行8人實地考察了紅海灣風(fēng)電場，并聽取風(fēng)電場總經(jīng)理吳少花女士的詳細(xì)介紹。依據(jù)以上信息可以總結(jié)出臺風(fēng)致紅海灣風(fēng)電場葉片毀壞的如下特點:

1)紅海灣風(fēng)電場位于汕尾市施公寮半島，地處褐石灣西海岸，共有25臺V47－660變槳距風(fēng)電機(jī)組，13臺位于低海拔平坦地帶，另外12臺安裝在海拔30～64 m的丘陵地區(qū)(見圖1)，離海岸線一般在2 km以內(nèi)。

2)“杜鵑”臺風(fēng)經(jīng)過風(fēng)電場持續(xù)時間為14∶00～19∶00，共5 h。臺風(fēng)經(jīng)過時風(fēng)向不斷變化，風(fēng)向由北轉(zhuǎn)東北，再轉(zhuǎn)東，最后轉(zhuǎn)東南離開。風(fēng)機(jī)測得最高瞬時風(fēng)速57 m/s，遠(yuǎn)低于風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計抗風(fēng)強(qiáng)度70 m/s。

圖1 紅海灣位于小山丘地帶的風(fēng)力發(fā)電機(jī)Fig．1 W ind turbine on the foothills in red bay w ind farm

3)9臺機(jī)組發(fā)生葉片破壞，且每臺只壞1個葉片，并且有7個葉片是處于下垂?fàn)顟B(tài)，只有6號、16號損壞葉片處于朝上位置(另有3號機(jī)組在臺風(fēng)前被雷擊壞1個葉片，臺風(fēng)后葉片無新的破壞，故未計入在內(nèi))。

4)處于平地的13臺風(fēng)機(jī)和處于最高海拔的3臺風(fēng)機(jī)(瞬時風(fēng)速也最高)葉片并未受到破壞。葉片破壞的風(fēng)機(jī)均在30～50 m的中間高度地帶。最大瞬時風(fēng)速只有50．7 m/s。

5)葉片破壞形式比較一致。典型的破壞形式可以8號風(fēng)機(jī)為例:在離風(fēng)輪中心徑向6～13 m處葉片后緣出現(xiàn)多道橫向裂紋，擴(kuò)展到葉片主梁與翼板交接處后逐漸轉(zhuǎn)為縱向裂縫?？v向裂縫連通兩道橫向裂紋，致連通處的葉片局部脫落，見圖2。距中心1/3半徑后直至葉尖，葉片后緣完全裂開。損壞最輕的葉片則只在距葉跟8～12 m區(qū)間有兩道橫向裂縫。

圖2 紅海灣被臺風(fēng)“杜鵑”破壞的葉片F(xiàn)ig．2 Blade damaged by the typhoon“Cuckoo”

6)所有風(fēng)機(jī)葉片的受力主體結(jié)構(gòu)如主梁、葉根等未受損壞。

2 葉片破壞原因是風(fēng)致扭轉(zhuǎn)顫振

下面分4步來論證這一結(jié)論:

1)葉片具明顯的扭轉(zhuǎn)破壞特征。風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)可視為由1根由粗變細(xì)的主梁外包兩片翼板形成的流線型斷面。由于剛度主要由主梁承擔(dān)，因此如果發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，距扭心最遠(yuǎn)的后緣扭轉(zhuǎn)剪力最大，首先開裂，沿葉片橫向向主梁擴(kuò)展，到達(dá)主梁與翼板交接處因剛度突變會改沿交界線縱向擴(kuò)展。紅海灣風(fēng)機(jī)葉片破壞的裂縫形式(特點5)完全與扭轉(zhuǎn)受力特征吻合。

2)葉片發(fā)生了強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動。葉片由玻璃纖維與環(huán)氧樹脂制成，韌性極佳不易開裂，因此只有葉片發(fā)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動，裂縫尖端才可能處于反復(fù)作用的高應(yīng)力狀態(tài)而致裂縫迅速擴(kuò)展。據(jù)資料記錄，在16∶34～17∶03的半小時內(nèi)，16臺風(fēng)機(jī)均記錄到機(jī)艙振動并發(fā)出停機(jī)指令。這可以認(rèn)為是葉片扭轉(zhuǎn)振動的證據(jù)。

3)丘陵地形易誘發(fā)葉片扭轉(zhuǎn)顫振。氣動彈性力學(xué)上最先發(fā)現(xiàn)的顫振是機(jī)翼顫振。飛機(jī)大角度爬升時，達(dá)到一定速度后，機(jī)翼突然爆發(fā)出強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動而致飛機(jī)失去速度，嚴(yán)重時機(jī)翼斷裂，飛機(jī)墜毀，因此也叫失速顫振。一般而言，攻角越大，導(dǎo)致顫振的臨界風(fēng)速越低，機(jī)翼抗顫振的能力越弱。顫振理論認(rèn)為扁平物體顫振由非定常氣動自激力產(chǎn)生，顫振導(dǎo)數(shù)可以描述在氣流中受到的非定常自激力，并可由顫振導(dǎo)數(shù)預(yù)測扁平體進(jìn)入顫振的臨界風(fēng)速［2，3］。

風(fēng)力機(jī)遭遇臺風(fēng)時，當(dāng)風(fēng)速超過25 m/s后，依據(jù)風(fēng)機(jī)控制程序，風(fēng)機(jī)退出發(fā)電狀態(tài)進(jìn)入暫停狀態(tài):風(fēng)輪停轉(zhuǎn)，葉片順槳，偏航系統(tǒng)工作，保持風(fēng)輪對準(zhǔn)風(fēng)向。葉片順槳后，總體上處于風(fēng)攻角最小位置，抵抗扭轉(zhuǎn)顫振的能力即顫振臨界風(fēng)速最大，一般不易發(fā)生顫振。但是筆者在考察中發(fā)現(xiàn)，紅海灣受損葉片的風(fēng)機(jī)一般處于山坡中部，塔柱后有小山坡遮擋。當(dāng)臺風(fēng)吹過這些風(fēng)機(jī)時，山坡的局部遮擋作用不僅可能使風(fēng)轉(zhuǎn)向，還可能使風(fēng)加速，這就使得下垂葉片相對實際來流不是處于順槳位置，而是大攻角位置，從而誘發(fā)下垂葉片進(jìn)入扭轉(zhuǎn)顫振狀態(tài)，發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動。扭轉(zhuǎn)顫振本質(zhì)上是發(fā)散振動，它導(dǎo)致裂縫迅速擴(kuò)展。文獻(xiàn)［1］也認(rèn)為葉片可能發(fā)生了“扭諧振”，其實就是氣動彈性力學(xué)所指的顫振。

4)風(fēng)機(jī)由暫停轉(zhuǎn)入緊急停機(jī)狀態(tài)會使葉片更易發(fā)生扭轉(zhuǎn)顫振。據(jù)文獻(xiàn)［1］介紹:“電機(jī)組在臺風(fēng)時停機(jī)或者緊急停機(jī)后，按照原出廠設(shè)計的控制程序，機(jī)組將使葉片順槳，偏航停運，此后變槳距系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)都將停止工作，處于剎閘狀態(tài)，基本相當(dāng)于1臺定槳距機(jī)組。”這種處理方式對于抗擊臺風(fēng)很可能是不利的。

紅海灣遭遇臺風(fēng)“杜鵑”的當(dāng)天，下午16∶33～17∶03的半小時內(nèi)16臺風(fēng)機(jī)探測到機(jī)箱振動，按照設(shè)計控制程序，這些風(fēng)機(jī)由暫停轉(zhuǎn)入停機(jī)或緊急停機(jī)處于剎閘狀態(tài)。而恰恰在這段時間內(nèi)風(fēng)速達(dá)到最大值。臺風(fēng)風(fēng)向是不斷改變的，14∶00進(jìn)入紅海灣正北方向至19∶00以東南方向離開紅海灣，5 h內(nèi)風(fēng)向變化約135°。假設(shè)風(fēng)向均勻變化，那么停機(jī)后半小時內(nèi)風(fēng)向約改變13．5°。由于停機(jī)后偏航系統(tǒng)停止工作，因此致使在停機(jī)前處于順槳的葉片也會因風(fēng)向不斷改變遭遇大攻角強(qiáng)風(fēng)攻擊，致使發(fā)生扭轉(zhuǎn)顫振而損壞。

依據(jù)以上分析，筆者推測紅海灣風(fēng)機(jī)葉片損壞的過程大致是:當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度后，處于不利地形的風(fēng)機(jī)葉片先滿足起振條件而發(fā)生振動，馬上自動進(jìn)入停機(jī)或緊急停機(jī)狀態(tài)，偏航系統(tǒng)停止工作。此后由于風(fēng)向繼續(xù)改變，固定不動的風(fēng)輪葉片受到的風(fēng)攻角越來越大，并且同時風(fēng)速在進(jìn)一步增大，致使部分葉片完全進(jìn)入嚴(yán)重發(fā)散的扭轉(zhuǎn)顫振狀態(tài)而損壞。所幸停機(jī)半小時后臺風(fēng)風(fēng)速即迅速降低，否則損失會更大。

3 海上風(fēng)機(jī)葉片受損的風(fēng)險與對策

紅海灣風(fēng)電場安裝的V47－660 kW風(fēng)機(jī)制造商提供的葉片抗風(fēng)強(qiáng)度為70 m/s，在順槳狀態(tài)下這個指標(biāo)也許能達(dá)到。安裝在最高處的7號風(fēng)機(jī)記錄到風(fēng)電場最高風(fēng)速(3 s陣風(fēng)風(fēng)速)為57 m/s，風(fēng)向儀和尾翼桿被吹斷，但葉片并未受損。9臺受損風(fēng)機(jī)均處于丘陵地帶，且每臺只壞1個葉片，7個葉片是處于離地面最近的下垂位置，由此可以推斷，不利的地形條件是誘發(fā)葉片振動的一個環(huán)境因素。海上風(fēng)機(jī)處于平坦的海面上，即使有10 m高的巨浪，對于兆瓦級風(fēng)機(jī)來說，也難以起到局部改變風(fēng)向的作用，因此從地理條件看，海上風(fēng)機(jī)葉片受損的風(fēng)險應(yīng)低于近海丘陵地區(qū)風(fēng)機(jī)。

但是臺風(fēng)中心經(jīng)過的區(qū)域氣流紊流強(qiáng)度大，并且有垂直對流氣流，這種強(qiáng)烈脈動的氣流可以誘發(fā)葉片抖振，對于大功率風(fēng)機(jī)的長葉片會更嚴(yán)重一些。如果風(fēng)機(jī)在檢測到葉片振動后轉(zhuǎn)為停機(jī)或緊急停機(jī)狀態(tài)，對停機(jī)以后的時段抗擊臺風(fēng)是不利的，因為這時風(fēng)機(jī)處于剎閘狀態(tài)，臺風(fēng)風(fēng)向隨時間變化后葉片受到的氣流攻角會加大，有可能使葉片進(jìn)入扭轉(zhuǎn)顫振狀態(tài)，而一旦進(jìn)入顫振，葉片的損壞則是必然的。因此對于海上兆瓦級風(fēng)機(jī)，如何設(shè)計葉片發(fā)生振動后的處理程序，仍是一個值得研究的問題。其中保持風(fēng)機(jī)的偏航功能隨著臺風(fēng)風(fēng)向的改變風(fēng)機(jī)能始終對準(zhǔn)臺風(fēng)風(fēng)向，從而葉片處于受力最小的順槳狀態(tài)，是降低葉片受損風(fēng)險的關(guān)鍵。當(dāng)然，提高葉片抗扭轉(zhuǎn)顫振性能是根本。

［1］ 于午銘．臺風(fēng)“杜鵑”的危害與思考［C］//中國科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會電力分會場暨中國電機(jī)工程學(xué)會2004年學(xué)術(shù)年會．海南，2004．

［2］ 埃米爾·希謬，羅伯特·H．斯坎倫．風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1992

［3］ 陳政清．橋梁風(fēng)工程［M］．北京:人民交通出版社，2004．