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變槳距風力發電機組不同的損壞。根據現場查看，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，部分機組的導流罩破損、機艙罩發生掀蓋現象。

 

　　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生折斷，典型破壞形式如圖2所示，根據現場的圖片資料可以總結出臺風致紅海灣風電場葉片損壞的如下特點：

 

　　葉片發生損壞的機組的三個葉片基本都出現一定程度的損壞，同時不同機組葉片損壞出現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較多。

 

　　葉片的主要承力結構主梁基本出現破壞，葉片損壞端面附近未出現明顯裂紋，破壞形式區別于裂紋失效的形式。

 

　　3)塔筒損壞

 

圖3 “天兔”經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，大部分基礎環連接螺栓被拉脫見圖7，可見在臺風期間所承受的基礎載荷已超過設計載荷，達到螺栓連接的極限。破壞部位的變形為內癟形態，焊縫在破壞中心區域完好，而在褶皺邊緣由于塔筒壁的塑形變形發生撕裂，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類風區設計，可抵抗瞬時極大風速為70m/s，IEC規范1類風區工況定義針對極端風況，描述了機組在空轉(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計的極限主導載荷。

 

　　通過對葉片破壞情況的初步分析，從強臺風“天兔”風速數據判斷，葉片折斷的主要原因是葉片過載引起。基礎環連接螺栓大部分被拉脫，表明基礎載荷已超過設計載荷，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，此次臺風連續兩次加強，最高風力17級(60米/秒以上);處于主風區內的某風場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、發電機掉落、機艙被揭開)以致無法運行。

 

　　臺風經過風場的路徑見下圖

 

圖4 “威爾遜”經過的某風電場路徑

 

　　不同于“天兔”臺風中心從紅海灣的經過，“威馬遜”是邊緣經過勇士風場，根據現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，風向基本沒有發生變化。

 

 

圖5 機組倒塌方向與風向一致

 

　　同時，據現場觀察，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(風先經過機艙后經過輪轂)，如下圖。

 

圖6 “威爾遜”經過的某風電場

 

　　現場照片顯示存在3個現象：

 

　　葉片存在順槳不到位的情況;

 

　　機組發生了明顯的前后振動，并將發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1類風區為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1類風區為56m/s)。而在此之外的都屬非設計條件。

 

　　從現場照片和風數據可以推論：

 

　　在臺風中，該系列機組可能存在葉片無法保持順槳狀態的現象;

 

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

 

　　另外，根據仿真設計經驗，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，容易導致塔筒左右方向的倒塌，而前后倒塌的可能性非常小。

 

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

 

　　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，導致背風機組的變槳機構在極端風速下不能使葉片始終保持順槳狀態，使得機組狀態超出設計范圍，最終導致一系列的破壞。

 

　　總結和應對建議

 

　　臺風中，葉片變槳機構的剎車尤為重要，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，因為在正常發電的時候摩擦力往往是以阻尼的形式出現，采用上限進行仿真才能使得結果偏安全;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，對于臺風多發地區的塔筒設計，應當采用多分段的設計或者在屈曲強度較低的部位增加加強環，以提高塔筒的屈曲強度，避免發生倒塔事故。

 

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

 

　　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任何損壞。因此，在基礎研究沒有取得突破的情況下，嚴格按照現有的標準進行整機仿真分析及設計的風機產品，也能夠基本滿足實際的需要。