臺(tái)風(fēng)時(shí)變槳風(fēng)機(jī)損壞原因及對(duì)策研究

田鵬

（福建惠安泉惠發(fā)電有限責(zé)任公司 福建惠安 362100）

0 引言

東南沿海是臺(tái)風(fēng)影響較多的地區(qū)， 沿海的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全壽命周期易受臺(tái)風(fēng)影響。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)機(jī)在極端環(huán)境下的設(shè)計(jì)方法和破壞現(xiàn)象有多種論述。Clausen 等［1］對(duì)臺(tái)風(fēng)的研究提出了相應(yīng)的風(fēng)機(jī)整體設(shè)計(jì)方法；Garciano 等［2-3］描述了臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)機(jī)的多種破壞形式， 并提出了抗臺(tái)風(fēng)型風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求；Larsen 等［4］通過(guò)對(duì)4 種極端風(fēng)況建模、仿真、分析，提出了風(fēng)機(jī)在極限工況下的設(shè)計(jì)方法。 以上研究側(cè)重于風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)于批量風(fēng)機(jī)在臺(tái)風(fēng)工況失去外部電源的應(yīng)用鮮有論述。

本文以廣東東部沿海某山地風(fēng)電場(chǎng)為背景， 針對(duì)2 MW水平軸上風(fēng)向變槳風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、葉片等在臺(tái)風(fēng)中批量受損壞的現(xiàn)象， 依據(jù)該機(jī)型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 擬定極端風(fēng)速模型，綜合動(dòng)態(tài)失速和動(dòng)態(tài)入流等氣彈響應(yīng)問(wèn)題，基于Beddoes-Leishman 計(jì)算模型分析極端風(fēng)速工況下不同來(lái)流方向的載荷變化， 研究批量化應(yīng)用風(fēng)機(jī)在最簡(jiǎn)化更改控制邏輯和最少化更新硬件設(shè)備的前提下應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的策略。

1 背景風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)損壞概況

1.1 背景風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的基本狀態(tài)

臺(tái)風(fēng)影響時(shí)背景風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的基本狀態(tài)如圖1 所示。

1.2 背景風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)主要受損現(xiàn)象

工作于臺(tái)風(fēng)中的順槳風(fēng)機(jī)， 若機(jī)艙位置遲滯于相對(duì)風(fēng)向角度較大即大攻角狀態(tài)，葉片氣動(dòng)阻尼遞減，翼形易失速；展向扭矩在損壞風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的同時(shí)，加劇葉片顫振，進(jìn)而導(dǎo)致葉片破損斷裂；偏航系統(tǒng)（偏航電機(jī)、偏航齒等）受交變偏航載荷作用受損；風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)過(guò)大觸發(fā)急停回路，機(jī)械剎車投入工作， 高速軸剎車盤(pán)在投入工作的過(guò)程中受葉輪面內(nèi)交變載荷作用加劇磨損，磨損過(guò)程易導(dǎo)致機(jī)艙著火。 背景風(fēng)場(chǎng)部分損壞現(xiàn)象如圖2 所示。

圖2 背景風(fēng)場(chǎng)部分損壞現(xiàn)象圖

1.3 解決方案

針對(duì)批量應(yīng)用機(jī)型選取算例， 分析算例在考慮動(dòng)態(tài)失速的極端風(fēng)速模型中易引致風(fēng)機(jī)振動(dòng)的載荷變化。 結(jié)合背景風(fēng)場(chǎng)應(yīng)用風(fēng)機(jī)公布的技術(shù)資料， 研究臺(tái)風(fēng)工況下將機(jī)艙位置與相對(duì)風(fēng)向控制在合理偏差內(nèi)的解決方案。

2 風(fēng)況設(shè)定及B-L 計(jì)算方法簡(jiǎn)介

兆瓦級(jí)水平軸上風(fēng)向變槳風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)葉片順槳， 處于臺(tái)風(fēng)環(huán)境時(shí)順槳葉片的攻角、氣動(dòng)阻尼等會(huì)隨風(fēng)向時(shí)變，氣流與風(fēng)機(jī)相互作用加強(qiáng)。 此時(shí)若采用靜態(tài)氣動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，會(huì)與風(fēng)機(jī)的實(shí)際受力偏差較大， 因此在模擬計(jì)算極限載荷時(shí)應(yīng)充分考慮氣動(dòng)彈性響應(yīng)，計(jì)算其極限載荷響應(yīng)。

2.1 EWM 風(fēng)況設(shè)定依據(jù)

（1）背景風(fēng)場(chǎng)使用風(fēng)機(jī)的技術(shù)資料中簡(jiǎn)要說(shuō)明了該型風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參考規(guī)范，如表1 所述。

表1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用機(jī)型參考標(biāo)準(zhǔn)

（2）背景風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。 臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，該風(fēng)場(chǎng)始終位于其運(yùn)動(dòng)路徑右側(cè)。至臺(tái)風(fēng)登陸，場(chǎng)內(nèi)測(cè)得10 min 平均風(fēng)速為53.4 m/s； 風(fēng)場(chǎng)區(qū)域宏觀風(fēng)向沿順時(shí)針呈NE-E-SW-W-N方向變化。

2.2 Beddoes-Leishman 計(jì)算方法簡(jiǎn)介

Beddoes-Leishman 模型是由Beddoes 和Leishman 建立的對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)氣動(dòng)計(jì)算的模型； 模型中方程建立在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上， 方程中的參數(shù)需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。 同時(shí)由于模型中方程能較好地解釋氣彈現(xiàn)象， 因此Beddoes-Leishman 模型也被稱為“半經(jīng)驗(yàn)”模型。 丹麥Risφ 實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了B-L 模型，使得其適用于全范圍攻角。

動(dòng)態(tài)氣動(dòng)升力延遲增量dCL0，d表示為：

式中：φ（t）表示響應(yīng)函數(shù)，dCL0（τ）在時(shí)間τ 時(shí)的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)升力系數(shù)。

響應(yīng)函數(shù)φ（t）滿足：

式中：A1、A2、ω1、ω2為描述時(shí)間延遲的變量，A1+A2≈0.5，ω1、ω2表示時(shí)間尺度變量。

動(dòng)態(tài)氣動(dòng)升力系數(shù)可表示為：

式中：c1（t）、c2（t）分別表示狀態(tài)變量。

在葉片變槳頻率較大時(shí)， 需要考慮沖擊等非循環(huán)因素的影響，式（3）變?yōu)椋?/p>

式中：c3（t）、c4（t）表示由于攻角突變引起的沖擊變量［5-8］。

假定風(fēng)機(jī)在突遇狂風(fēng)情況下，未發(fā)生偏航動(dòng)作，動(dòng)態(tài)失速模型參數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值為：A1=0.165，A2=0.335，ω1=0.0455，ω2=0.3，A3=A4=1，ω4=ω5=2.5。

3 計(jì)算機(jī)仿真

3.1 極端風(fēng)速工況設(shè)定

綜合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 擬定了表2 所示的極端風(fēng)速模型，模擬區(qū)間風(fēng)速分布如圖3 所示。

3.2 算例基本參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2 MW 風(fēng)機(jī)公布的參數(shù)有限， 本文選取表3 所示的2 MW 變槳IA 風(fēng)機(jī)為例， 計(jì)算其在EWM 工況不同來(lái)流方向時(shí)的變化趨勢(shì)。

表2 極端風(fēng)速模型

圖3 模擬區(qū)間風(fēng)速分布

表3 算例基本參數(shù)

偏航控制系統(tǒng)一般采用相對(duì)風(fēng)向（圖4）來(lái)計(jì)量風(fēng)向與機(jī)艙位置，為方便分析，本文在結(jié)果對(duì)比時(shí)亦采用相對(duì)風(fēng)向坐標(biāo)系。

圖4 相對(duì)風(fēng)向圖

3.3 結(jié)果對(duì)比

（1）不同來(lái)流方向時(shí)葉根揮舞、擺振力矩葉根順槳停機(jī)后，揮舞力矩是葉片面內(nèi)振動(dòng)的主要激勵(lì)，擺振力矩是葉片面外振動(dòng)的主要激勵(lì)； 比較揮舞、 擺振力矩可直觀了解葉片面內(nèi)、面外的振動(dòng)激勵(lì)。

圖5 不同來(lái)流方向時(shí)葉片揮舞、擺振力矩

從圖5 對(duì)比可看出， 來(lái)流方向在30 deg、-30 deg 和180 deg 時(shí)葉根揮舞、擺振力矩及揮舞、擺振振幅均較0 deg 小；應(yīng)用風(fēng)機(jī)的控制策略為上風(fēng)向主動(dòng)對(duì)風(fēng)， 偏航邏輯設(shè)計(jì)是按照最短路徑計(jì)算， 故本文僅對(duì)比來(lái)流方向在0 deg、30 deg、-30 deg 的載荷變化。

（2）3 個(gè)來(lái)流方向葉根MZ 力矩對(duì)比。 如圖6 所示，來(lái)流方向30 deg 時(shí)葉根1 m 處MZ 力矩極值、 幅值較0 deg 時(shí)小，說(shuō)明30 deg 時(shí)葉片扭轉(zhuǎn)幅度較0 deg 時(shí)小， 對(duì)變槳系統(tǒng)破壞性小；-30 deg 時(shí)葉根1 m 處MZ 力矩極值、幅值較0 deg 時(shí)大。

（3）3 個(gè)來(lái)流方向時(shí)偏航MZ 力矩。偏航MZ 力矩是風(fēng)機(jī)偏航的主要阻力，是主要的偏航齒及減速器沖擊載荷。 由圖7 可見(jiàn)，相對(duì)風(fēng)向30 deg 較0 deg 偏航MZ 力矩極值大，但幅值小，對(duì)偏航系統(tǒng)沖擊小；-30 deg 時(shí)較0 deg 時(shí)極值小、幅值小。

圖6 3 個(gè)來(lái)流方向的葉根MZ 力矩對(duì)比圖

圖7 3 個(gè)來(lái)流方向的偏航MZ 力矩對(duì)比圖

4 結(jié)論及建議

通過(guò)計(jì)算某型變槳風(fēng)機(jī)在EWM 工況的載荷，比較分析了不同來(lái)流方向時(shí)葉根展向扭矩、 葉根揮舞、 擺振力矩及偏航MZ 力矩的變化趨勢(shì)，結(jié)合背景風(fēng)場(chǎng)應(yīng)用風(fēng)機(jī)公布的技術(shù)資料，研究臺(tái)風(fēng)工況時(shí)風(fēng)電場(chǎng)失去電網(wǎng)電源的應(yīng)急策略，總結(jié)如下：

（1）綜合站內(nèi)電氣設(shè)備、風(fēng)機(jī)設(shè)備、測(cè)風(fēng)設(shè)備、交通通訊條件等因素， 制定詳細(xì)完備的防臺(tái)防汛應(yīng)急預(yù)案和臺(tái)風(fēng)后現(xiàn)場(chǎng)巡檢方案。 應(yīng)急預(yù)案至少包含風(fēng)機(jī)設(shè)備自帶蓄電池組檢查、聯(lián)結(jié)螺栓力矩抽檢、變槳系統(tǒng)檢查、偏航系統(tǒng)檢查、液壓系統(tǒng)檢查、風(fēng)機(jī)極限工況測(cè)試、各型設(shè)備防雨檢查、變電站內(nèi)應(yīng)急電源與外網(wǎng)電源切換操作、站內(nèi)門(mén)窗加固等內(nèi)容。

（2）保證風(fēng)機(jī)通訊穩(wěn)定、供電可靠，增設(shè)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定應(yīng)急供電系統(tǒng)。

（3）極端風(fēng)況下偏航力矩會(huì)沖擊偏航系統(tǒng)，使用扭矩式偏航減速器可緩沖極限偏航載荷對(duì)偏航系統(tǒng)的沖擊。

（4）為避免風(fēng)機(jī)在臺(tái)風(fēng)工況中因振動(dòng)過(guò)大觸發(fā)急停回路，在臺(tái)風(fēng)10 級(jí)風(fēng)圈影響前應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)振動(dòng)傳感器觸發(fā)急停回路中的啟動(dòng)限值。

（5）準(zhǔn)確預(yù)判臺(tái)風(fēng)宏觀運(yùn)動(dòng)路徑，提前停機(jī)并適當(dāng)解纜。依據(jù)發(fā)布的臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)信息計(jì)算臺(tái)風(fēng)前部最大風(fēng)速區(qū)、 前部最大風(fēng)速區(qū)向風(fēng)眼過(guò)渡區(qū)、 風(fēng)眼向后部最大風(fēng)速過(guò)渡區(qū)影響風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。 鑒于在極端風(fēng)況時(shí)風(fēng)機(jī)偏航會(huì)遲滯于當(dāng)前風(fēng)向的現(xiàn)象，應(yīng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程偏航設(shè)定功能，提前于當(dāng)前風(fēng)向手動(dòng)偏航。

（6）手動(dòng)偏航策略需要依據(jù)具體風(fēng)況及風(fēng)場(chǎng)位置進(jìn)行計(jì)算。 以位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的風(fēng)場(chǎng)為例，建議在臺(tái)風(fēng)眼前部最大風(fēng)速區(qū)沿順時(shí)針將風(fēng)機(jī)手動(dòng)偏航過(guò)當(dāng)前主風(fēng)向25°～30°；前部最大風(fēng)速區(qū)向風(fēng)眼過(guò)渡區(qū)可手動(dòng)偏航過(guò)當(dāng)前主風(fēng)向15°～20°；風(fēng)眼及后部最大風(fēng)速區(qū)可由風(fēng)機(jī)自動(dòng)對(duì)風(fēng)。

（7）在載荷和結(jié)構(gòu)特性分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算分析葉片的結(jié)構(gòu)特性，選裝合適的結(jié)構(gòu)阻尼器，耗散葉片振動(dòng)能量。