試析海上風機在強臺風下葉片受損風險與對策——考察紅海灣風電場的啟示

王景全，陳政清

(1．解放軍理工大學工程兵工程學院，南京 210007;2．湖南大學風工程試驗研究中心，長沙 410028)

1 臺風“杜鵑”作用下紅海灣風電場葉片受損情況

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

1)紅海灣風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變槳距風電機組，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(見圖1)，離海岸線一般在2 km以內。

2)“杜鵑”臺風經過風電場持續時間為14∶00～19∶00，共5 h。臺風經過時風向不斷變化，風向由北轉東北，再轉東，最后轉東南離開。風機測得最高瞬時風速57 m/s，遠低于風機葉片設計抗風強度70 m/s。

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

3)9臺機組發生葉片破壞，且每臺只壞1個葉片，并且有7個葉片是處于下垂狀態，只有6號、16號損壞葉片處于朝上位置(另有3號機組在臺風前被雷擊壞1個葉片，臺風后葉片無新的破壞，故未計入在內)。

4)處于平地的13臺風機和處于最高海拔的3臺風機(瞬時風速也最高)葉片并未受到破壞。葉片破壞的風機均在30～50 m的中間高度地帶。最大瞬時風速只有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號風機為例:在離風輪中心徑向6～13 m處葉片后緣出現多道橫向裂紋，擴展到葉片主梁與翼板交接處后逐漸轉為縱向裂縫。縱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區間有兩道橫向裂縫。

圖2 紅海灣被臺風“杜鵑”破壞的葉片Fig．2 Blade damaged by the typhoon“Cuckoo”

6)所有風機葉片的受力主體結構如主梁、葉根等未受損壞。

2 葉片破壞原因是風致扭轉顫振

下面分4步來論證這一結論:

1)葉片具明顯的扭轉破壞特征。風力機葉片的結構可視為由1根由粗變細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，因此如果發生扭轉變形，距扭心最遠的后緣扭轉剪力最大，首先開裂，沿葉片橫向向主梁擴展，到達主梁與翼板交接處因剛度突變會改沿交界線縱向擴展。紅海灣風機葉片破壞的裂縫形式(特點5)完全與扭轉受力特征吻合。

2)葉片發生了強烈的扭轉振動。葉片由玻璃纖維與環氧樹脂制成，韌性極佳不易開裂，因此只有葉片發生強烈的扭轉振動，裂縫尖端才可能處于反復作用的高應力狀態而致裂縫迅速擴展。據資料記錄，在16∶34～17∶03的半小時內，16臺風機均記錄到機艙振動并發出停機指令。這可以認為是葉片扭轉振動的證據。

3)丘陵地形易誘發葉片扭轉顫振。氣動彈性力學上最先發現的顫振是機翼顫振。飛機大角度爬升時，達到一定速度后，機翼突然爆發出強烈的扭轉振動而致飛機失去速度，嚴重時機翼斷裂，飛機墜毀，因此也叫失速顫振。一般而言，攻角越大，導致顫振的臨界風速越低，機翼抗顫振的能力越弱。顫振理論認為扁平物體顫振由非定常氣動自激力產生，顫振導數可以描述在氣流中受到的非定常自激力，并可由顫振導數預測扁平體進入顫振的臨界風速［2，3］。

風力機遭遇臺風時，當風速超過25 m/s后，依據風機控制程序，風機退出發電狀態進入暫停狀態:風輪停轉，葉片順槳，偏航系統工作，保持風輪對準風向。葉片順槳后，總體上處于風攻角最小位置，抵抗扭轉顫振的能力即顫振臨界風速最大，一般不易發生顫振。但是筆者在考察中發現，紅海灣受損葉片的風機一般處于山坡中部，塔柱后有小山坡遮擋。當臺風吹過這些風機時，山坡的局部遮擋作用不僅可能使風轉向，還可能使風加速，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，從而誘發下垂葉片進入扭轉顫振狀態，發生嚴重的扭轉振動。扭轉顫振本質上是發散振動，它導致裂縫迅速擴展。文獻［1］也認為葉片可能發生了“扭諧振”，其實就是氣動彈性力學所指的顫振。

4)風機由暫停轉入緊急停機狀態會使葉片更易發生扭轉顫振。據文獻［1］介紹:“電機組在臺風時停機或者緊急停機后，按照原出廠設計的控制程序，機組將使葉片順槳，偏航停運，此后變槳距系統和偏航系統都將停止工作，處于剎閘狀態，基本相當于1臺定槳距機組。”這種處理方式對于抗擊臺風很可能是不利的。

紅海灣遭遇臺風“杜鵑”的當天，下午16∶33～17∶03的半小時內16臺風機探測到機箱振動，按照設計控制程序，這些風機由暫停轉入停機或緊急停機處于剎閘狀態。而恰恰在這段時間內風速達到最大值。臺風風向是不斷改變的，14∶00進入紅海灣正北方向至19∶00以東南方向離開紅海灣，5 h內風向變化約135°。假設風向均勻變化，那么停機后半小時內風向約改變13．5°。由于停機后偏航系統停止工作，因此致使在停機前處于順槳的葉片也會因風向不斷改變遭遇大攻角強風攻擊，致使發生扭轉顫振而損壞。

依據以上分析，筆者推測紅海灣風機葉片損壞的過程大致是:當風速增大到一定程度后，處于不利地形的風機葉片先滿足起振條件而發生振動，馬上自動進入停機或緊急停機狀態，偏航系統停止工作。此后由于風向繼續改變，固定不動的風輪葉片受到的風攻角越來越大，并且同時風速在進一步增大，致使部分葉片完全進入嚴重發散的扭轉顫振狀態而損壞。所幸停機半小時后臺風風速即迅速降低，否則損失會更大。

3 海上風機葉片受損的風險與對策

紅海灣風電場安裝的V47－660 kW風機制造商提供的葉片抗風強度為70 m/s，在順槳狀態下這個指標也許能達到。安裝在最高處的7號風機記錄到風電場最高風速(3 s陣風風速)為57 m/s，風向儀和尾翼桿被吹斷，但葉片并未受損。9臺受損風機均處于丘陵地帶，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葉片振動的一個環境因素。海上風機處于平坦的海面上，即使有10 m高的巨浪，對于兆瓦級風機來說，也難以起到局部改變風向的作用，因此從地理條件看，海上風機葉片受損的風險應低于近海丘陵地區風機。

但是臺風中心經過的區域氣流紊流強度大，并且有垂直對流氣流，這種強烈脈動的氣流可以誘發葉片抖振，對于大功率風機的長葉片會更嚴重一些。如果風機在檢測到葉片振動后轉為停機或緊急停機狀態，對停機以后的時段抗擊臺風是不利的，因為這時風機處于剎閘狀態，臺風風向隨時間變化后葉片受到的氣流攻角會加大，有可能使葉片進入扭轉顫振狀態，而一旦進入顫振，葉片的損壞則是必然的。因此對于海上兆瓦級風機，如何設計葉片發生振動后的處理程序，仍是一個值得研究的問題。其中保持風機的偏航功能隨著臺風風向的改變風機能始終對準臺風風向，從而葉片處于受力最小的順槳狀態，是降低葉片受損風險的關鍵。當然，提高葉片抗扭轉顫振性能是根本。

［1］ 于午銘．臺風“杜鵑”的危害與思考［C］//中國科協2004年學術年會電力分會場暨中國電機工程學會2004年學術年會．海南，2004．

［2］ 埃米爾·希謬，羅伯特·H．斯坎倫．風對結構的作用［M］．上海:同濟大學出版社，1992

［3］ 陳政清．橋梁風工程［M］．北京:人民交通出版社，2004．