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试析海上风机在强台风下叶片受损风险与对策_图文

试析海上风机在强台风下叶片受损风险与对策
— —考察红海湾风电场的启示 —
王景全 , 陈政清
1 2

( 1 .解 放 军 理 工 大 学 工 程 兵 工 程 学 院 ,南 京 210007 ; 2 .湖 南 大 学 风 工 程 试 验 研 究 中 心 ,长 沙 410028 )

可以断定叶片曾发生大幅度扭转颤振而且与不利地形有关。 从这一实例来看,同等强度台风情况下海上风 机叶片受损的风险可能低于海岸风机,因为海面平坦,不具备风向局部变化条件。 此次风灾也表明,保持风 [关键词] 海上风机;强台风;叶片受损;风险;对策 机处于停转顺桨,但可偏航的暂停状态是叶片防损的关键。

[摘要] 2003 年 9 月近海丘陵区风电场——汕尾红海湾风电场风机叶片被台风“ 杜鹃” 吹坏。 从破坏形式 —

[中图分类号]  TM315 [文献标识码] A [文章编号] 1009 - 1742(2010)11 - 0032 - 03

1 台风“ 杜鹃”作用下红海湾风电场叶片 受损情况
2 日台风“ 杜鹃” 袭击广东汕尾市红海湾风电场的过 程和风电场 受 损 情 况。 2010 年 4 月 13—14 日, 笔 者一行 8 人实地考察了红海湾风电场,并听取风电   于午铭在文献 [ 1 ] 中详 细介 绍了 2003 年 9 月

场总经理吴少花女士的详细介绍。 依据以上信息可 以总结出台风 致红 海湾 风电 场 叶 片 毁 坏 的 如 下 特 点: 1) 红海湾风电场位于汕尾市施公寮半岛,地处

2 km 以内。

拔 30 ~ m 的丘陵地区( 见图 1) ,离海岸线一般在 64

组,13 台位于低海拔平坦地带,另外 12 台安装在海

褐石湾西海岸,共有 25 台 V47 - 660 变桨距风电机
图 1 红海湾位于小山丘地带 的风力发电机 Fig. 1 Wind turbine on the foothills in red bay wind farm

19∶ 共 5 h。 台风经过时风向不断变化,风向由 00, 70 m / s。

2) “ 杜鹃” 台风经过风电场持续时间为 14∶ ~ 00

瞬时风速 57 m / 远 低 于 风 机 叶 片 设 计 抗 风 强 度 s,

北转东北,再转东,最后转东南离开。 风机测得最高

16 号损坏叶片处于朝上位置( 另有 3 号机组在台风

片,并 且 有 7 个 叶 片 是 处 于 下 垂 状 态, 只 有 6 号、

3)9 台机组发生叶片破坏,且每台只坏 1 个叶

[ 收 稿 日 期 ]  2010 - - 07 28

[ 作 者 简 介 ]   王 景 全 ( 1937 — ) ,男 ,江 西 南 昌 市 人 ,中 国 工 程 院 院 士 ,解 放 军 理 工 大 学 教 授 , 博 士 生 导 师 , 长 期 从 事 浮 式 结 构 、 风 电 场 建 设 等 方 面 的 研 究 ;E -mail:wangjq@ cae. cn

[ 基 金 项 目 ]   中 国 工 程 院 土 木 、水 利 与 建 筑 工 程 学 部 重 点 咨 询 项 目 “ 我 国 海 上 风 电 场 建 设 重 大 工 程 问 题 研 究 ” ( 2008 -XZ - ) 05

32 中国工程科学

前被雷击坏 1 个叶片,台风后叶片无新的破坏,故未 计入在内) 。 3 台风机( 瞬时风速也最高) 叶片并未受到破坏。 叶 大瞬时风速只有 50. m / 7 s。 4) 处于 平 地 的 13 台 风 机 和 处 于 最 高 海 拔 的

扭转振动的证据。

力学上最先发现的颤振是机翼颤振。 飞机大角度爬 升时,达到一定速度后,机翼突然爆发出强烈的扭转 振动而致飞机 失去 速 度, 严 重 时 机 翼 断 裂, 飞 机 坠 毁,因此也叫失速颤振。 一般而言,攻角越大,导致 颤振的临界风速越低,机翼抗颤振的能力越弱。 颤 振理论认为 扁平 物体 颤 振由非 定 常 气 动 自 激 力 产 生,颤振导数可以描述在气流中受到的非定常自激 力,并可由颤振导数预测扁平体进入颤振的临界风 速
[ 2 ,3 ]

3) 丘陵 地形 易诱发 叶 片 扭 转 颤 振。 气 动 弹 性

片破坏的风机均在 30 ~ m 的中间高度地带。 最 50 可以 8 号风机为例:在离风轮中心径向 6 ~ m 处 13 叶片后缘出现多道横向裂纹,扩展到叶片主梁与翼 5) 叶片 破坏 形 式比 较一 致。 典 型 的 破 坏 形 式

板交接处后逐渐转为纵向裂缝。 纵向裂缝连通两道 横向裂纹,致连通处的叶片局部脱落,见图 2。 距中 心 1 / 半径后直至叶尖,叶片后缘完全裂开。 损坏 3

裂缝。

最轻的叶片则只在距叶跟 8 ~ m 区间有两道横向 12

据风机控制程序,风机退出发电状态进入暂停状态: 风轮停转,叶片顺桨,偏航系统工作,保持风轮对准 风向。 叶片顺桨后,总体上处于风攻角最小位置,抵 抗扭转颤振的能力即颤振临界风速最大,一般不易 发生颤振。 但是笔者在考察中发现,红海湾受损叶 片的风机一般处于山坡中部,塔柱后有小山坡遮挡。 当台风吹过这些风机时,山坡的局部遮挡作用不仅 可能使风转向,还可能使风加速,这就使得下垂叶片 相对实际来流不是处于顺桨位置,而是大攻角位置, 从而诱发下垂叶片进入扭转颤振状态,发生严重的 缝迅速扩展。 文献 [ 1 ] 也认为叶片可能发生了 “ 扭 谐振” ,其实就是气动弹性力学所指的颤振。 4) 风机由 暂停转 入 紧急 停机 状态 会 使 叶 片 更 扭转振动。 扭转颤振本质上是发散振动,它导致裂

风力机遭遇台风时,当风速超过 25 m / 后,依 s



Fig. 2 Blade damaged by the typhoon “ Cuckoo”

图 2 红海湾被台风“杜鹃”破坏的叶片

等未受损坏。

6) 所有风机叶片的受力主体结构如主梁、叶根

2 叶片破坏原因是风致扭转颤振
1) 叶片 具明 显 的扭 转破 坏 特 征。 风 力 机 叶 片 下面分 4 步来论证这一结论:

易发生扭转颤振。 据文献[1] 介绍:“ 电机组在台风 时停机或者紧急停机后,按照原出厂设计的控制程 序,机组将使叶片顺桨,偏航停运,此后变桨距系统 于 1 台定桨距机组。” 这种处理方式对于抗 击台 风 和偏航系统都将停止工作,处于刹闸状态,基本相当

形成的流线型断面。 由于刚度主要由主梁承担,因 此如果发生扭转变形,距扭心最远的后缘扭转剪力 最大,首先开裂,沿叶片横向向主梁扩展,到达主梁 与翼板交接处因刚度突变会改沿交界线纵向扩展。 红海湾风机叶片破坏的裂缝形式( 特点 5) 完全与扭 转受力特征吻合。

的结构可视为由 1 根由粗变细的主梁外包两片翼板

很可能是不利的。

17∶ 的半小时内 16 台风机探测到机箱振动,按照 03 设计控制程序,这些风机由暂停转入停机或紧急停 大值。 台风风向是不断改变的,14 ∶ 进 入 红海 湾 00 正北方向至 19∶ 以东南方向离开红海湾,5 h 内风 00 小时内风向约改变 13. ° 由于停机后偏航系统停 5 。 机处于刹闸状态。 而恰恰在这段时间内风速达到最

红海湾遭遇台风“ 杜鹃” 的当天,下午 16 ∶ ~ 33

纤维与环氧树脂制成,韧性极佳不易开裂,因此只有 叶片发生强烈的扭转振动,裂缝尖端才可能处于反 复作用的高应力状态而致裂缝迅速扩展。 据资料记 录到机舱振动并发出停机指令。 这可以认为是叶片 录,在 16∶34 ~ 17∶03 的半小时内,16 台风机均记

2) 叶片 发生 了 强烈 的扭 转 振 动。 叶 片 由 玻 璃

向变化约 135 ° 假设风向均匀变化,那么停机后半 。 止工作,因此致使在停机前处于顺桨的叶片也会因 风向不断改变遭遇大攻角强风攻击,致使发生扭转 颤振而损坏。
2010 年第 12 卷第 11 期 33

依据以上分析,笔者推测红海湾风机叶片损坏 的过程大致是:当风速增大到一定程度后,处于不利 地形的风机叶片先满足起振条件而发生振动,马上 自动进入停机或紧急停机状态,偏航系统停止工作。 此后由于风向继续改变,固定不动的风轮叶片受到 的风攻角越来越大,并且同时风速在进一步增大,致 使部分叶片完全进入严重发散的扭转颤振状态而损 坏。 所幸停机半小时后台风风速即迅速降低,否则 损失会更大。

低于近海丘陵地区风机。 但是台风中心经过的区域气流紊流强度大,并 且有垂直对流气流,这种强烈脉动的气流可以诱发 叶片抖振,对于大功率风机的长叶片会更严重一些。 如果风机在检测到叶片振动后转为停机或紧急停机 状态,对停机以后的时段抗击台风是不利的,因为这 时风机处于刹闸状态,台风风向随时间变化后叶片 受到的气流攻角会加大,有可能使叶片进入扭转颤 振状态,而一旦进入颤振,叶片的损坏则是必然的。 因此对于海上兆瓦级风机,如何设计叶片发生振动 后的处理程序,仍是一个值得研究的问题。 其中保 持风机的偏航功能随着台风风向的改变风机能始终 对准台风风向,从而叶片处于受力最小的顺桨状态, 是降低叶片受损风险的关键。 当然,提高叶片抗扭 转颤振性能是根本。
参考文献
[ 1 ]   于 午 铭 . 风 “ 杜 鹃 ” 的 危 害 与 思 考 [ C ] /中 国 科 协 2004 年 学 台 / 南 ,2004 . 术 年 会 电 力 分 会 场 暨 中 国 电 机 工 程 学 会 2004 年 学 术 年 会 . 海

3 海上风机叶片受损的风险与对策
商提供的叶片抗风强度为 70 m / s,在顺桨状态下这 红海湾风电场安装的 V47 - 660 kW 风机制造

到风电场最高风速(3 s 阵风风速) 为 57 m / s,风向 机均处于丘陵地带,且每台只坏 1 个叶片,7 个叶片

个指标也许能达到。 安装在最高处的 7 号风机记录 仪和尾翼杆被吹断,但叶片并未受损。 9 台 受损 风

是处于离地面最近的下垂位置,由此可以推断,不利 的地形条件是诱发叶片振动的一个环境因素。 海上 风机处于平坦的海面上,即使有 10 m 高的巨浪,对 于兆瓦级风机来说,也难以起到局部改变风向的作 用,因此从地理条件看,海上风机叶片受损的风险应

[2 ]   埃 米 尔 · 希 谬 ,罗 伯 特 · H .斯 坎 伦 . 对 结 构 的 作 用 [ M ] . 风 上 [ 3 ]   陈 政 清 . 梁 风 工 程 [ M ] . 京 :人 民 交 通 出 版 社 ,2004 . 桥 北 海 :同 济 大 学 出 版 社 ,1992

Analysis of risks and measures on the blade damage of offshore wind turbine during strong typhoons — —enlightenment from Red Bay wind farm —
(1.Engineering Institute of Engineer Corporations,PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007,China; 2.Wind Engineering Research Center of Hunan University, Changsha 410028,China)

Wang Jingquan , Chen Zhengqing




wei Red Bay wind farm, an offshore hilly land.It can be concluded from the failure modes that the blades flutter under the same intensity of typhoons, the risk of blade damage of sea wind turbine may be lower than that of coastal ones because of flat sea lack of local change conditions of wind direction.The storm also showed that it was the key for blade loss prevention to keep the wind turbine be paused state of stopping rotation, feathering and yawing. [ Key words]  offshore wind turbine; strong typhoons; blade damage; risk; measures

[ Abstract]  In september 2003, the fan blades of wind turbine were damaged by typhoon “ cuckoo” in Shan-

have occurred and significantly reversed, which was related to the negative terrain.From this instance of the term,

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