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