近年來，我國風力發(fā)電機組發(fā)展呈大單機容量、大型化趨勢，2021年，新增裝機中平均風輪直徑達到了151米，比前一年增長了15米，近5年下線機組的最大風輪直徑從171米增長至230米。隨著風輪直徑及葉片的大型化，由葉片失效引起的機組故障呈上升趨勢，所以需要對葉片的風險進行更加精細化的識別。
特定情況下葉片易發(fā)生失穩(wěn)振動
葉片吊裝、故障待修、運維期間誤操作以及電網(wǎng)故障等場景下，機組處于特定的限制姿態(tài)（無法偏航對風，部分場景需鎖定風輪），在這些狀態(tài)下，葉片附近流場較穩(wěn)定，相比機組正常發(fā)電狀態(tài)更易造成振動能量的累積并引發(fā)葉片失穩(wěn)振動，且在現(xiàn)場觀測案例中，已發(fā)生多起機組斷電狀態(tài)下葉片失穩(wěn)振動的情況，所以需額外關(guān)注這些情景下的葉片穩(wěn)定性風險。
葉片失穩(wěn)發(fā)生場景
葉片1階擺振振型及葉片吊裝時失穩(wěn)振動
葉片失穩(wěn)將增加葉片安全性風險
本文以某大風輪機組一般性模型為例，挑選吊裝、鎖風輪故障待修等機組斷電情況下的機組狀態(tài)及場址環(huán)境條件進行仿真，發(fā)現(xiàn)如下葉片擺振失穩(wěn)發(fā)散的情況：
葉片擺振載荷發(fā)散時序
葉片某截面失穩(wěn)擺振極限載荷情況
經(jīng)過對仿真樣本統(tǒng)計，葉片載荷發(fā)散將對葉片造成額外的疲勞損傷，以某190米級風輪直徑機組為例，在特定狀態(tài)下，風速30m/s下持續(xù)作用半小時，將損傷5年左右的壽命。部分惡劣風況及機組狀態(tài)下的葉片失穩(wěn)發(fā)散載荷甚至會超過其設(shè)計極限值，增加了葉片極限破壞的風險。
進一步研究顯示，葉片發(fā)生失穩(wěn)的風險與風輪直徑及風速有密切關(guān)系。根據(jù)已有的案例分析結(jié)果，140米風輪直徑以上的機組需關(guān)注葉片失穩(wěn)風險；而對于越長的葉片，其固有頻率越低，變形越大，發(fā)生失穩(wěn)風險的風速也會更低，對于風輪直徑160米以上的機組，導致葉片失穩(wěn)的風速可低至8m/s。因此，需結(jié)合實際場址風況條件計算葉片發(fā)散情況，進而評估葉片極限和疲勞的失效風險。
葉片失穩(wěn)風險防控建議
當機組風輪直徑較小時，發(fā)生葉片振動的風速較高，在實際運行項目中較難遇到；隨著葉片越來越長，機組風輪直徑越來越大，葉片失穩(wěn)振動已經(jīng)成為不可忽視的風險。特別是葉片吊裝、故障待修、運維期間誤操作以及電網(wǎng)故障等場景下的葉片穩(wěn)定性風險需重點關(guān)注。
實際場址中葉片的穩(wěn)定性風險，與葉片的具體設(shè)計和場址條件緊密相關(guān)，需要大量的基礎(chǔ)理論研究和項目數(shù)據(jù)積累。在風電項目大規(guī)模裝機的形勢下，我們建議設(shè)備招投標階段，廣泛開展機組的場址適配性分析，并將葉片失穩(wěn)風險評估作為其中一個重要模塊，以指導確定安全的作業(yè)措施。而對于在役風電場中已積累較長斷電時間的機組，需進行葉片穩(wěn)定性分析工作，以評估葉片及機組的安全性風險。
供稿：蔡志崧 薛巖 李新華 李煌（CGC）
