超強臺風“天兔”對風機的典型破壞原因分析

 

　　1)概述

 

　　2013年9月23日，超強臺風“天兔”從廣州汕尾登陸，造成汕尾附近某風電場的25臺47-660kW變槳距風力發(fā)電機組不同的損壞。根據(jù)現(xiàn)場查看，有8臺機組從塔筒處折斷，有9臺機組的葉片不同程度受損，部分機組的導(dǎo)流罩破損、機艙罩發(fā)生掀蓋現(xiàn)象。

 

　　下圖為2013年，臺風“天兔”襲擊廣東紅海灣風場的行徑路徑

 

圖1 “天兔”經(jīng)過的某風電場路徑及風機排布

 

　　注： 為塔筒斷裂的機組; 為完好無損的機組; 為葉片損壞或斷裂的機組;紅色的線示意風機倒塔方向

 

　　2)葉片損壞

 

圖2 “天兔”經(jīng)過的某風電場葉片破壞形式

 

　　紅海灣風電場多臺機組葉片發(fā)生折斷，典型破壞形式如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)場的圖片資料可以總結(jié)出臺風致紅海灣風電場葉片損壞的如下特點：

 

　　葉片發(fā)生損壞的機組的三個葉片基本都出現(xiàn)一定程度的損壞，同時不同機組葉片損壞出現(xiàn)的風輪方位角基本不相同。

 

　　8臺葉片損壞的機組的葉片破壞的主要形式為折斷，折斷的位置出現(xiàn)在葉片的最大弦長位置、葉片中部以及葉片尖部的均有，最大弦長處附近的破壞次數(shù)較多。

 

　　葉片的主要承力結(jié)構(gòu)主梁基本出現(xiàn)破壞，葉片損壞端面附近未出現(xiàn)明顯裂紋，破壞形式區(qū)別于裂紋失效的形式。

 

　　3)塔筒損壞

 

圖3 “天兔”經(jīng)過的某風電場塔筒破壞形式

 

　　16#風機是所有機組受損最嚴重的一臺，大部分基礎(chǔ)環(huán)連接螺栓被拉脫見圖7，可見在臺風期間所承受的基礎(chǔ)載荷已超過設(shè)計載荷，達到螺栓連接的極限。破壞部位的變形為內(nèi)癟形態(tài)，焊縫在破壞中心區(qū)域完好，而在褶皺邊緣由于塔筒壁的塑形變形發(fā)生撕裂，由此可判斷這個部位的破壞屬于屈曲破壞。

 

　　4)原因分析

 

　　該風場安裝的47-660kW風機是按IEC 1類風區(qū)設(shè)計，可抵抗瞬時極大風速為70m/s，IEC規(guī)范1類風區(qū)工況定義針對極端風況，描述了機組在空轉(zhuǎn)(葉片變槳角度為90度左右)情況下遭受50年一遇瞬時風速可達70m/s的極端湍流風(DLC6.1工況)和50年一遇風速70m/s風向在0到360間變化的極端風(DLC6.2工況)的受載情況，這兩種極限工況通常造成葉片的極限彎矩載荷以及塔筒的極端傾覆力矩并成為葉片和塔筒設(shè)計的極限主導(dǎo)載荷。

 

　　通過對葉片破壞情況的初步分析，從強臺風“天兔”風速數(shù)據(jù)判斷，葉片折斷的主要原因是葉片過載引起。基礎(chǔ)環(huán)連接螺栓大部分被拉脫，表明基礎(chǔ)載荷已超過設(shè)計載荷，達到螺栓連接的極限，塔筒的破壞形式為屈曲破壞。

 

　　據(jù)報道，超強臺風“天兔”于9月22日19時40分在廣東省汕尾市沿海登陸，“天兔”影響期間，氣象站記錄陣風超過17級的有甲東70.4m/s、牛角隆水庫74.7m/s，該風場在事故之際，場內(nèi)風速儀測得的極大風速達62.9m/s，隨后儀器被損毀，印證了之前的推論。

 

 

　　1)概述

 

　　2014年7月18日，超強臺風“威馬遜”臺風正面登陸廣東湛江徐聞，此次臺風連續(xù)兩次加強，最高風力17級(60米/秒以上);處于主風區(qū)內(nèi)的某風場33臺1500/77機組，有13臺風機倒塔，另有5臺風機損壞(葉片破裂、發(fā)電機掉落、機艙被揭開)以致無法運行。

 

　　臺風經(jīng)過風場的路徑見下圖

 

圖4 “威爾遜”經(jīng)過的某風電場路徑

 

　　不同于“天兔”臺風中心從紅海灣的經(jīng)過，“威馬遜”是邊緣經(jīng)過勇士風場，根據(jù)現(xiàn)場植被的倒伏情況以及機組的倒塌情況可以明顯看出是屬于同一方向，臺風破壞力最強的時候，風向基本沒有發(fā)生變化。

 

 

圖5 機組倒塌方向與風向一致

 

　　同時，據(jù)現(xiàn)場觀察，所有18臺受損機組機艙都朝向同一方向，而幾乎所有(僅有一臺例外)未受損機組，機艙都沒有朝向該方向，如上圖。同時所有受損機組都是朝向背風方向(風先經(jīng)過機艙后經(jīng)過輪轂)，如下圖。

 

圖6 “威爾遜”經(jīng)過的某風電場

 

　　現(xiàn)場照片顯示存在3個現(xiàn)象：

 

　　葉片存在順槳不到位的情況;

 

　　機組發(fā)生了明顯的前后振動，并將發(fā)電機從倒塌方向反向甩出;

 

　　所有葉片破壞或整機倒塌的機艙朝向都是背風方向。

 

　　3)原因分析

 

　　在GL2012規(guī)范中有2個工況來保證機組在遭遇50年一遇極端風速(Ve50，對應(yīng)1類風區(qū)為70m/s)下存活：DLC6.1、DLC6.2，但這兩個工況都要求3個葉片必須全部順槳;另外DLC7.0工況考慮到了1葉片故障而導(dǎo)致無法順槳的情況，但此時只允許遭受一年一遇的陣風(Ve1，對應(yīng)1類風區(qū)為56m/s)。而在此之外的都屬非設(shè)計條件。

 

　　從現(xiàn)場照片和風數(shù)據(jù)可以推論：

 

　　在臺風中，該系列機組可能存在葉片無法保持順槳狀態(tài)的現(xiàn)象;

 

　　由于葉片不能保持順槳狀態(tài)，在風速處于60m/s時，機組承載超出了該風機設(shè)計時的仿真設(shè)計值。

 

　　另外，根據(jù)仿真設(shè)計經(jīng)驗，在機組遭遇50年一遇極端風時，載荷最大的情況是90°或270°風向，此時塔筒的左右方向載荷和振動較大，容易導(dǎo)致葉片和塔筒損壞。但風速處于0°或180°風向時，載荷相對較小。所以在50年一遇的極端風速下，容易導(dǎo)致塔筒左右方向的倒塌，而前后倒塌的可能性非常小。

 

　　而現(xiàn)場情況是機組朝前方倒塌，同時前后方向出現(xiàn)了很大的振動，這和仿真情況完全相反。但考慮到現(xiàn)場有順槳不到位的情況，此時已經(jīng)超出了工況設(shè)定的考慮范圍。很容易理解在極限風速下，若葉片順槳不到位，會導(dǎo)致塔筒前后方向載荷增大，甚至使得葉片開始旋轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致前后方向倒塌。

 

　　但為何所以倒塌的機組都是180°風向呢?以某TC1B型機組為例，采用湍流風對DLC6.2工況進行仿真，下圖分別是0°、90°、180°、270°風向下，葉片變槳剎車上的載荷對比(已考慮變槳軸承的摩擦)。可見，180°風向下，葉片變槳剎車上的載荷是最大的。

 

圖7 變槳剎車載荷仿真對比

 

　　綜上所述，勇士風場18臺機組，很有可能是因為葉片變槳剎車選型太小，導(dǎo)致背風機組的變槳機構(gòu)在極端風速下不能使葉片始終保持順槳狀態(tài)，使得機組狀態(tài)超出設(shè)計范圍，最終導(dǎo)致一系列的破壞。

 

　　總結(jié)和應(yīng)對建議

 

　　臺風中，葉片變槳機構(gòu)的剎車尤為重要，需要注意以下兩點：

 

　　1)剎車載荷是由葉根載荷減去軸承摩擦得到的，而摩擦因子必然是一個范圍值。我們通常計算時很有可能是采用的摩擦因子上限來進行的仿真，因為在正常發(fā)電的時候摩擦力往往是以阻尼的形式出現(xiàn)，采用上限進行仿真才能使得結(jié)果偏安全;而極端風速下，摩擦力卻和變槳剎車共同克服外載，此時選取摩擦因素的上限來進行仿真會偏危險。

 

　　2) 考慮到仿真中往往比較注重于葉片0°附近的氣動特性，而180°的氣動特性關(guān)注較小，并且仿真中是采用3D修正后的氣動模型，而風輪處于靜止時可能有所差異。建議高風區(qū)機組采用CFD分析的方法確認葉片180°的氣動扭矩。

 

　　另外，對于臺風多發(fā)地區(qū)的塔筒設(shè)計，應(yīng)當采用多分段的設(shè)計或者在屈曲強度較低的部位增加加強環(huán)，以提高塔筒的屈曲強度，避免發(fā)生倒塔事故。

 

　　臺風是中國特有的一種氣象災(zāi)害，在IEC和GL風機規(guī)范中并未有特別的工況定義，只能參考相應(yīng)的工況進行仿真計算。建議風能行業(yè)同氣象行業(yè)共同開展臺風工況及風種子模型的基礎(chǔ)研究，從理論上解決設(shè)計源頭問題。

 

　　需要指出的是，勇士風場緊鄰的其他兩個風場中的其他品牌風機，在威馬遜臺風中并未出現(xiàn)任何損壞。因此，在基礎(chǔ)研究沒有取得突破的情況下，嚴格按照現(xiàn)有的標準進行整機仿真分析及設(shè)計的風機產(chǎn)品，也能夠基本滿足實際的需要。