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风机叶片在台风中结构破坏的分析 |
0 引言
事故分析是一个极为有价值的工程实践活动，无论是在产品/部件的设计过程中，还是在事故发生后，都是如此。作为对产品/部件进行坚固性的设计工具，“失效模态及其影响力分析”（简称FMEA）是保证项目开发和产品质量的一个强有力工具，因此这种分析手段正被广泛地应用于当今的制造业中，事实上，FMEA分析过程遵循了美国质量管理先导者戴明先生所指出的一套极为有效的路径：即计划—行动—核实—具体实施—再计划—再行动⋯⋯。这是一个对产品质量和设计不断认识和改进的循环（或称之为PDCA 循环）。它最早在50 年代用于航空业，其后60 年代又被NASA（美国航天宇航局）采用，直到80 年代被用于汽车工业当中。这里所采用的FMEA（逆向）将给我们对发生在中国汕尾红海湾风电场的风机叶片的结构失效性分析提供一个指导性路径。其间该风场的风机经受了2003 年台风“杜鹃”的袭击，造成了9 台风机叶片损坏。通过这种分析，失效的潜在原因及机理、失效的影响力、失效的结果和事实以及风机叶片整体功能的丧失都得到了相应的剖析。
1 从风流边界层及其特性看破坏的宏观原因
我们知道，流体在流过平板时靠近平板表面有一个流体边界层，同样的在低海拔范围内，地球表面流动的大气也有类似的效果。这部分低海拔大气层就称为“边界层”。在边界层中，流体的速度随边界层高度的增加而增加。也就是说在地球边界层中，风速也随离地表高度的增加而增加。这类自然现象简称为“风切变”。值得指出的是，在下文所提到的大多数风力活动均指在地球边界层当中的活动，那么丘陵与山脉等就成这边界层的表面“粗糙度”了。地球边界层的特性对认识风机所遇到的湍流现象是很有帮助的。
相比于风力的旬周期和日周期变化，那么风的湍流则指的是风在相对短的时间中其速度的波动变化，通常这种时间是以分、秒甚至更短来计的。在热带气旋情况下，应该说这种变化的时间周期小于10 秒。也就是说在台风中风湍流的变化频率是很高的。因此，它对风机叶片有着十分显著的影响。2003 年台风“杜鹃”中所损坏的一些叶片便证明了这一点。
风的湍流主要起因于地球表面“粗糙度”及其“摩擦阻力”。湍流过程固然复杂，人们也不能简单地用一个确定的方程去描述它，但是它们还是遵循一些物理定理的，比如质量守恒、动量守恒、能量守恒。
对湍流描述的一个最基本方式是：湍流强度。它是由风速变化的标准方差与其平均风速相除来表示的。湍流强度明显地取决于如上所述的地球表面边界层的“粗糙度”以及海拔高度等。所处的区域越“粗糙”，那么湍流强度就越高，所以说湍流强度高的地方，其风速就相对低一些，这是受动量和能量守恒所制约的。这种情形下湍流区域有较大的气流混合与动量转换活动。
有了上述的分析，我们便会对风机所处地球边界层内的风流环境特性在遭遇台风时有个基本的判断，这也是红海湾风场风机叶片受损的外部环境因素（外因）分析。
2 风机叶片部件组成逻辑图：
部件构成图为我们的失效性分析勾画了一个清晰的逻辑结构流程，它有助于我们分析和认识蕴藏于此结构的失效原因，无论是局部的还是整体的，如上图所示，影响叶片整体强度以及振动的因素有很多，从主梁到表面蒙皮（即翼壳）的材质甚至到粘接材料和制造质量等。
3 叶片的刚性、共振特性、荷载以及疲劳
自70 年代以来，大多数水平轴风机的叶片都是由复合材料制成的，最常用的复合材料是预应力玻璃刚塑料（GRP）。从结构上来讲，复合材料的优点在于他们有较高的强度—重量或刚度—重量比以及较长的运行寿命等。我们知道，刚性—重量比决定着叶片的固有频率，同时刚性强也将极大地影响叶片的形变。
具体地讲，杨氏弹性模量、结构及部件的设计、叶片材料的选用以及制造质量都是决定叶片总体刚性的主要因素，通过对具有特定刚性的叶片的模态分析，人们可以确定一些主要固有频率及其形变和振动方向束。这种分析又叫振型分析。 |
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