葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)膠流掛脫落對風(fēng)電機組安全運行影響及典型案例分析

　　一、葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)膠流掛脫落形成機理

　　葉片是風(fēng)電機組吸收風(fēng)能的主要部件，每臺機組一般配置三支葉片，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速高低調(diào)節(jié)槳距角大小，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。嚴(yán)格來講，三支葉片應(yīng)該進行動平衡實驗檢測，但由于葉片長度較大，生產(chǎn)廠家無法進行葉片的動平衡實驗。為了盡量保證三支葉片的動平衡，葉片生產(chǎn)廠通常檢測每支葉片的重量和重心，必要時進行配重，把重心位置相同、重量一樣的三支葉片編為一組，裝在一臺風(fēng)力發(fā)電機組上。

　　風(fēng)力發(fā)電機組葉片在生產(chǎn)過程中，上下殼體合模粘接(葉片前緣粘接、后緣粘接、腹板與上下殼體粘接，如下圖所示)時需要保證粘接面積和粘接強度，在粘接面上涂抹的結(jié)構(gòu)膠必須充盈，因此合模后結(jié)構(gòu)膠必然有擠出，在粘接部位形成流掛。在葉片運行一段時間后，由于葉片承受風(fēng)載荷，反復(fù)彎曲變形，這些流掛就會發(fā)生脫落，掉在葉片內(nèi)部。

　　二、結(jié)構(gòu)膠流掛對機組運行影響分析

　　掉落在葉片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)膠流掛，因在三支葉片掉落的位置、數(shù)量是隨機的，打破了三支葉片生產(chǎn)時的動平衡。這些脫落的流掛，在低轉(zhuǎn)速時隨著葉片轉(zhuǎn)動而在葉片內(nèi)部上下運動，形成嘩啦嘩啦的聲音;如果機組葉片在某種情況下高速轉(zhuǎn)動，就可能引起機組劇烈振動，甚至造成倒塌事故。葉片內(nèi)部脫落的結(jié)構(gòu)膠流掛對風(fēng)電機組造成的影響如下：

　　1、運行噪音

　　脫落的流掛引起的噪音和葉片轉(zhuǎn)速相關(guān)，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動引起的離心加速度(V²/R)小于重力加速度(g)時，脫落的流掛隨著葉片轉(zhuǎn)動而上下移動。帶有脫落流掛的葉片在上垂直位時，脫落的流掛會在重力作用下下落，從葉尖落到葉根形成噪音;帶有脫落流掛的葉片在下垂直位時，脫落的流掛又會在離心力和重力的疊加作用下加速下落，從葉根落到葉尖并撞擊葉尖，再次形成噪音;即低速運行時，每支葉片隨葉輪旋轉(zhuǎn)一周會出生二次噪聲。

　　當(dāng)葉片轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)動引起的離心加速度(V²/R)大于重力加速度(g)時，脫落的流掛就會被離心力甩至葉尖，隨葉片轉(zhuǎn)動，不再發(fā)出嘩啦嘩啦的聲響。

　　2、振動

　　(1)低速運行時的撞擊振動。

　　當(dāng)(V²/R)

　　(2)受控狀態(tài)下高速運行時的葉片不平衡振動。

　　當(dāng)(V²/R)> g時，葉片內(nèi)部脫落的流掛在葉尖部位，使三支葉片動平衡遭受破壞，從而引起機組振動。這種振動的頻率隨著葉片的轉(zhuǎn)速升高而升高，離心力也隨著葉片轉(zhuǎn)速的升高而增大，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的不平衡。機組達到額定轉(zhuǎn)速后由于變槳控制系統(tǒng)的介入，葉片轉(zhuǎn)速不再升高，振動頻率和離心力可穩(wěn)定在某一個數(shù)值。

　　以某品牌141/2.5MW風(fēng)機為例，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速11.5r/min，葉片直徑141米，由于葉尖空間狹小，假設(shè)脫落流掛停留在葉輪半徑70米處，一支葉片內(nèi)脫落流掛重5kg，其隨葉片在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動形成的離心力可以由下式計算得出：

　　離心力 F=MV²/R 式中：M=5kg, R=70m V是葉尖線速度

　　V由以下公式計算得出：

　　V = nлD/60= 11.5 *3.14 *140 /60 ≈ 84(m/s)

　　F = MV²/R = 5 *(84)²/70 = 504(N)

　　即：單支葉片內(nèi)5kg的脫落流掛隨葉片在額定轉(zhuǎn)速11.5r/min下轉(zhuǎn)動給機組帶來了額外的504(N)頻率為11.5Hz的不平衡旋轉(zhuǎn)動載荷，必然引起機組的運行振動。

　　(3)失控狀態(tài)下高速運行導(dǎo)致的事故。

　　當(dāng)控制系統(tǒng)失效等原因，風(fēng)機發(fā)生飛車時，即使機組達到額定轉(zhuǎn)速葉片轉(zhuǎn)速還會繼續(xù)升高，上述脫落流掛造成的離心力將以與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系的方式增加：

　　假設(shè)風(fēng)機飛車后葉片轉(zhuǎn)速達到100r/min，

　　則：V = 100 *3.14 *140 / 60 ≈733m/s

　　F = 5 (733)²/ 70 ≈ 38,378(N)≈3.84t

　　即：這個5kg的脫落流掛在隨葉輪100r/min轉(zhuǎn)速下，對機組形成了約3.84噸的離心力，機組在如此大的周期性離心力作用下將產(chǎn)生劇烈的振動，同時對塔架中下部產(chǎn)生巨大的彎曲力矩，在振動和巨大彎曲力矩的疊加作用下，可以在幾分鐘內(nèi)導(dǎo)致風(fēng)機倒塌。

　　三、典型案例分析

　　案例一 2018年3月25日，寧夏某風(fēng)電場發(fā)生的1.5MW風(fēng)機倒塌事故。

　　事故概況：2018年3月25日15:27，風(fēng)電場五人對C04號機組進行日常維護，約16:40維護工作結(jié)束，兩位風(fēng)機輪轂維護人員出輪轂，并搖出葉輪鎖定位銷，關(guān)閉液壓站高速制動器控制閥，液壓剎車鉗打開，葉輪開始旋轉(zhuǎn)。其中一位運維人員發(fā)現(xiàn)異常后，于16:42'16"按下“手動急停按鈕”，停機失敗。16:42'28"C04風(fēng)機報“超速故障”信號，輪轂維護人員大聲提醒“跑槳啟機了”。16:43:07，手動采取高速軸制動試圖停車，風(fēng)機報“本地手動停止、液壓剎車未釋放”故障，但剎車未動作，風(fēng)機轉(zhuǎn)速快速上升。機艙4名人員立即開始緊急依次通過爬梯下塔。16:45 風(fēng)機發(fā)電機最大轉(zhuǎn)速達到3946.98rpm。16:46C04風(fēng)機發(fā)生倒塌。

　　事故記錄：

　　1) PLC控制器5分鐘數(shù)據(jù)記錄：16:40至16:45區(qū)間：C04機組高速軸剎車進行了釋放操作，發(fā)電機轉(zhuǎn)速從0rpm開始上升，發(fā)電機最大轉(zhuǎn)速為3946.98rpm，最小轉(zhuǎn)速為0rpm，平均轉(zhuǎn)速為1904.045rpm;主軸最大轉(zhuǎn)速為40.14rpm，最小轉(zhuǎn)速為0rpm，平均轉(zhuǎn)速為18.893rpm。

　　2) 風(fēng)機SCADA系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng))故障記錄：16:42'16"進行了機艙急停操作;16:42'28"機組激活發(fā)電機超速故障;16:42'33" 激活主軸超速故障;可知16:42'16"機組的轉(zhuǎn)速低于1980rpm(發(fā)電機轉(zhuǎn)速軟件保護值為1980rpm)。

　　3) 16:45:37，風(fēng)機SCADA系統(tǒng)報“塔底急停”故障，此時塔筒劇烈晃動，機組振動值為0.506g，超出0.2g的規(guī)定值，導(dǎo)致常閉觸點的塔底急停線路斷電。16:45:57，風(fēng)機SCADA系統(tǒng)報“剎車盤磨損”，此時機艙晃動加劇，聯(lián)軸器已不規(guī)則運行導(dǎo)致剎車盤磨損。16:46，風(fēng)機附近人員電話上報C04飛車，風(fēng)機倒塌。

　　4) C04風(fēng)機第二層塔筒與第一層塔筒脫開，塔筒法蘭連接螺栓全部斷裂，第二層及以上塔筒連同機艙整體傾倒，第一層塔筒未傾倒且未見明顯異常。

　　事故分析：根據(jù)C04風(fēng)機運行記錄風(fēng)機飛車，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達到40r/min便導(dǎo)致了機組劇烈振動(晃動)致使風(fēng)機倒塌。該起事故的調(diào)查報告沒有特別說明風(fēng)機倒塌前有葉片折斷或解體發(fā)生，由此可以斷定必然是三支葉片的動平衡受到了破壞，使機組產(chǎn)生劇烈振動加晃動直至倒塌。

　　案例二 2015年10月1日，某風(fēng)電場發(fā)生的1.5MW機組倒塌事故。

　　事故概況：2015年10月1日7時38分，某風(fēng)電場1A03號1.5MW機組通訊消失，運行值班員通知檢修班長，檢修班長匯報給風(fēng)電場專責(zé)人，并組織人員到現(xiàn)場進行檢查。7時50分檢修人員到達現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)1A03號風(fēng)機已倒塌，下段塔筒法蘭與基礎(chǔ)環(huán)法蘭128顆連接螺栓全部斷裂。經(jīng)現(xiàn)場查勘，塔筒傾倒過程中有約90度旋轉(zhuǎn)，下段塔筒有局部彎曲變形，筒身圓形改變?yōu)闄E圓形，基礎(chǔ)環(huán)法蘭有局部向上變形;機艙脫離塔頂距塔筒倒塔方向左側(cè)10米左右，機艙本體外殼呈碎裂狀態(tài);三支葉片嚴(yán)重損壞，其中一支葉片距根部2-3米左右斷裂飛出距塔基約187米，葉片斷裂處呈撕裂狀，另兩只葉片雖未脫離輪轂但損壞嚴(yán)重。

　　1A03風(fēng)機在通訊消失前并未報故障。再則由于風(fēng)機數(shù)據(jù)信息上傳服務(wù)器的儲存方式原因，能夠在服務(wù)器上提取的數(shù)據(jù)信息僅是6時29分48秒之前的10分鐘平均數(shù)據(jù)，調(diào)取1A03號風(fēng)機6時29分48秒之前的10分鐘平均數(shù)據(jù)，記錄期間風(fēng)機最大風(fēng)速為24.8m/s、有功功率1559.7kW、發(fā)電機轉(zhuǎn)速1901.9轉(zhuǎn)/分。

　　那么從6時29分到風(fēng)機通訊消失的7時38分這段時間機組運行過程中發(fā)生了什么?是什么神秘的力量把斷掉的那支葉片甩到了187米之外?而另外兩支葉片與輪轂還連在一起?

　　事故分析：根據(jù)理論分析和經(jīng)驗判斷，完全有理由確定風(fēng)機在倒塌前發(fā)生了飛車。葉輪高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致其中一支葉片斷裂飛出，葉輪隨之失去動平衡，剩余兩支葉片繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下產(chǎn)生劇烈振動和晃動，直至倒塌。

　　案例三 2019年4月12日，甘肅民勤周家井風(fēng)電場倒塌傷亡事故。

　　于2019年4月12日，民勤航天新能源84#2MW機組在進行定檢工作時發(fā)生風(fēng)機飛車致機組倒塌，造成4人死亡，1人重傷，1人輕傷的惡性事故。目前還未看到詳細的事故機組運行記錄和完整的事故調(diào)查報告，僅從公開信息了解到事故發(fā)生的大概過程。

　　事故概況：4月12日，84#風(fēng)機進行定檢時未進行收槳操作，三支葉片均停在0°左右的開槳位置，當(dāng)時風(fēng)速約6m/s。定檢人員出現(xiàn)操作錯誤，松開了機組剎車，致使風(fēng)機啟動，失去控制發(fā)生飛車。風(fēng)機在槳葉全開狀態(tài)下持續(xù)空轉(zhuǎn)，迅速加速進入超速狀態(tài)，其中一只葉片無法承受過大的離心力而開裂折斷，另外兩支葉片則繼續(xù)高速轉(zhuǎn)動，機組失去了動平衡，在兩支葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力作用下機組劇烈振動和晃動，最終導(dǎo)致了風(fēng)機倒塌。

　　四、總結(jié)

　　從上面的分析和風(fēng)機事故案列，可以看到三支葉片的動平衡對機組的安全運行至關(guān)重要，葉片的動平衡破壞以后機組會發(fā)生振動和晃動，失去控制后就會造成機組倒塌。風(fēng)機倒塌的案例很多，大多與三支葉片失去動平衡相關(guān)。

　　葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)膠流掛脫落，在葉片內(nèi)部隨葉片旋轉(zhuǎn)則會破壞葉片之間的動平衡，雖然在風(fēng)機低轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下不會對風(fēng)機安全造成致命傷害，但在高轉(zhuǎn)速下則會產(chǎn)生巨大的離心力，使機組產(chǎn)生劇烈振動和晃動，嚴(yán)重的會導(dǎo)致葉片解體，風(fēng)機倒塌。

　　因此，葉片制造過程中造成的結(jié)構(gòu)膠擠出形成流掛，如果在機組運行一段時間后脫落，則需要在機組停機檢修時及時取出，減少機組振動和噪聲，同時也可以降低機組倒塌發(fā)生幾率。

作者：