典型台风破坏原因分析及应对建议

 

 

　　超强台风“天兔”对风机的典型破坏原因分析

 

　　1)概述

 

　　2013年9月23日，超强台风“天兔”从广州汕尾登陆，造成汕尾附近某风电场的25台47-660kW变桨距风力发电机组不同的损坏。根据现场查看，有8台机组从塔筒处折断，有9台机组的叶片不同程度受损，部分机组的导流罩破损、机舱罩发生掀盖现象。

 

　　下图为2013年，台风“天兔”袭击广东红海湾风场的行径路径

 

图1 “天兔”经过的某风电场路径及风机排布

 

　　注： 为塔筒断裂的机组; 为完好无损的机组; 为叶片损坏或断裂的机组;红色的线示意风机倒塔方向

 

　　2)叶片损坏

 

图2 “天兔”经过的某风电场叶片破坏形式

 

　　红海湾风电场多台机组叶片发生折断，典型破坏形式如图2所示，根据现场的图片资料可以总结出台风致红海湾风电场叶片损坏的如下特点：

 

　　叶片发生损坏的机组的三个叶片基本都出现一定程度的损坏，同时不同机组叶片损坏出现的风轮方位角基本不相同。

 

　　8台叶片损坏的机组的叶片破坏的主要形式为折断，折断的位置出现在叶片的最大弦长位置、叶片中部以及叶片尖部的均有，最大弦长处附近的破坏次数较多。

 

　　叶片的主要承力结构主梁基本出现破坏，叶片损坏端面附近未出现明显裂纹，破坏形式区别于裂纹失效的形式。

 

　　3)塔筒损坏

 

图3 “天兔”经过的某风电场塔筒破坏形式

 

　　16#风机是所有机组受损最严重的一台，大部分基础环连接螺栓被拉脱见图7，可见在台风期间所承受的基础载荷已超过设计载荷，达到螺栓连接的极限。破坏部位的变形为内瘪形态，焊缝在破坏中心区域完好，而在褶皱边缘由于塔筒壁的塑形变形发生撕裂，由此可判断这个部位的破坏属于屈曲破坏。

 

　　4)原因分析

 

　　该风场安装的47-660kW风机是按IEC 1类风区设计，可抵抗瞬时极大风速为70m/s，IEC规范1类风区工况定义针对极端风况，描述了机组在空转(叶片变桨角度为90度左右)情况下遭受50年一遇瞬时风速可达70m/s的极端湍流风(DLC6.1工况)和50年一遇风速70m/s风向在0到360间变化的极端风(DLC6.2工况)的受载情况，这两种极限工况通常造成叶片的极限弯矩载荷以及塔筒的极端倾覆力矩并成为叶片和塔筒设计的极限主导载荷。

 

　　通过对叶片破坏情况的初步分析，从强台风“天兔”风速数据判断，叶片折断的主要原因是叶片过载引起。基础环连接螺栓大部分被拉脱，表明基础载荷已超过设计载荷，达到螺栓连接的极限，塔筒的破坏形式为屈曲破坏。

 

　　据报道，超强台风“天兔”于9月22日19时40分在广东省汕尾市沿海登陆，“天兔”影响期间，气象站记录阵风超过17级的有甲东70.4m/s、牛角隆水库74.7m/s，该风场在事故之际，场内风速仪测得的极大风速达62.9m/s，随后仪器被损毁，印证了之前的推论。

 

 

　　1)概述

 

　　2014年7月18日，超强台风“威马逊”台风正面登陆广东湛江徐闻，此次台风连续两次加强，最高风力17级(60米/秒以上);处于主风区内的某风场33台1500/77机组，有13台风机倒塔，另有5台风机损坏(叶片破裂、发电机掉落、机舱被揭开)以致无法运行。

 

　　台风经过风场的路径见下图

 

图4 “威尔逊”经过的某风电场路径

 

　　不同于“天兔”台风中心从红海湾的经过，“威马逊”是边缘经过勇士风场，根据现场植被的倒伏情况以及机组的倒塌情况可以明显看出是属于同一方向，台风破坏力最强的时候，风向基本没有发生变化。

 

 

图5 机组倒塌方向与风向一致

 

　　同时，据现场观察，所有18台受损机组机舱都朝向同一方向，而几乎所有(仅有一台例外)未受损机组，机舱都没有朝向该方向，如上图。同时所有受损机组都是朝向背风方向(风先经过机舱后经过轮毂)，如下图。

 

图6 “威尔逊”经过的某风电场

 

　　现场照片显示存在3个现象：

 

　　叶片存在顺桨不到位的情况;

 

　　机组发生了明显的前后振动，并将发电机从倒塌方向反向甩出;

 

　　所有叶片破坏或整机倒塌的机舱朝向都是背风方向。

 

　　3)原因分析

 

　　在GL2012规范中有2个工况来保证机组在遭遇50年一遇极端风速(Ve50，对应1类风区为70m/s)下存活：DLC6.1、DLC6.2，但这两个工况都要求3个叶片必须全部顺桨;另外DLC7.0工况考虑到了1叶片故障而导致无法顺桨的情况，但此时只允许遭受一年一遇的阵风(Ve1，对应1类风区为56m/s)。而在此之外的都属非设计条件。

 

　　从现场照片和风数据可以推论：

 

　　在台风中，该系列机组可能存在叶片无法保持顺桨状态的现象;

 

　　由于叶片不能保持顺桨状态，在风速处于60m/s时，机组承载超出了该风机设计时的仿真设计值。

 

　　另外，根据仿真设计经验，在机组遭遇50年一遇极端风时，载荷最大的情况是90°或270°风向，此时塔筒的左右方向载荷和振动较大，容易导致叶片和塔筒损坏。但风速处于0°或180°风向时，载荷相对较小。所以在50年一遇的极端风速下，容易导致塔筒左右方向的倒塌，而前后倒塌的可能性非常小。

 

　　而现场情况是机组朝前方倒塌，同时前后方向出现了很大的振动，这和仿真情况完全相反。但考虑到现场有顺桨不到位的情况，此时已经超出了工况设定的考虑范围。很容易理解在极限风速下，若叶片顺桨不到位，会导致塔筒前后方向载荷增大，甚至使得叶片开始旋转，最终导致前后方向倒塌。

 

　　但为何所以倒塌的机组都是180°风向呢?以某TC1B型机组为例，采用湍流风对DLC6.2工况进行仿真，下图分别是0°、90°、180°、270°风向下，叶片变桨刹车上的载荷对比(已考虑变桨轴承的摩擦)。可见，180°风向下，叶片变桨刹车上的载荷是最大的。

 

图7 变桨刹车载荷仿真对比

 

　　综上所述，勇士风场18台机组，很有可能是因为叶片变桨刹车选型太小，导致背风机组的变桨机构在极端风速下不能使叶片始终保持顺桨状态，使得机组状态超出设计范围，最终导致一系列的破坏。

 

　　总结和应对建议

 

　　台风中，叶片变桨机构的刹车尤为重要，需要注意以下两点：

 

　　1)刹车载荷是由叶根载荷减去轴承摩擦得到的，而摩擦因子必然是一个范围值。我们通常计算时很有可能是采用的摩擦因子上限来进行的仿真，因为在正常发电的时候摩擦力往往是以阻尼的形式出现，采用上限进行仿真才能使得结果偏安全;而极端风速下，摩擦力却和变桨刹车共同克服外载，此时选取摩擦因素的上限来进行仿真会偏危险。

 

　　2) 考虑到仿真中往往比较注重于叶片0°附近的气动特性，而180°的气动特性关注较小，并且仿真中是采用3D修正后的气动模型，而风轮处于静止时可能有所差异。建议高风区机组采用CFD分析的方法确认叶片180°的气动扭矩。

 

　　另外，对于台风多发地区的塔筒设计，应当采用多分段的设计或者在屈曲强度较低的部位增加加强环，以提高塔筒的屈曲强度，避免发生倒塔事故。

 

　　台风是中国特有的一种气象灾害，在IEC和GL风机规范中并未有特别的工况定义，只能参考相应的工况进行仿真计算。建议风能行业同气象行业共同开展台风工况及风种子模型的基础研究，从理论上解决设计源头问题。

 

　　需要指出的是，勇士风场紧邻的其他两个风场中的其他品牌风机，在威马逊台风中并未出现任何损坏。因此，在基础研究没有取得突破的情况下，严格按照现有的标准进行整机仿真分析及设计的风机产品，也能够基本满足实际的需要。