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风机叶片在台风中结构破坏的分析

发布时间:2009-06-22人气:

      

  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。
根据于午铭先生在其相关论文中所述,从地形上来讲,九个所损坏的风机都处在复杂的丘陵地形区域中。如上所述,即使是在正常的运行情形下,风流通过该区域的时候都会产生一些尺度较大的湍涡流,这些湍涡流会增加风流的变化,或者说是风的湍流强度,因此增加了对风机主要部件的疲劳程度。所以说,处于此地形当中的风机将因此经受着比平原地区更为严峻的工况条件。特别是在经受热带气旋的时候。从边界层的角度来讲,该区域的“粗糙度”也达到了较高的量值。
      当风流变化的频率接近风机叶片的固有频率时,就会激起叶片的共振,这对一个刚性叶片来讲,就是一个荷载了,本文把这次热带气旋——台风“杜鹃”大风急湍流变化所带来的叶片共振表述为叶片的极端疲劳荷载,这是一个非运行荷载。通过下述对叶片失效的调查性分析,我们将会看到这类荷载对风机叶片所造成的损害。
众所周知,一些材料可以经得起一次较重的荷载,但却经不起重复施予其上的轻荷载。因为这种重复循环的应力和应变将导致其结构的破坏直至断裂。S—N疲劳图就是用来描述疲劳应力及其疲劳次数关系的图。实验表明,和蠕变损坏不同的是:由疲劳带来的断裂应力小于材料的实际屈服应力,疲劳循环次数越多,其失效的应力也就越小。
 
 4 失效性分析
     根据对损坏的9 个叶片的观察,我们注意到,所有叶片的主大梁及前缘表面均无断裂,从另一方面讲,这一事实证明了叶片的主大梁基本上承受住了由台风“杜鹃”带来的剧烈的动态冲击。具体来说,叶片的襟翼向和后缘向的弯曲振动是可以忽略的。因为此时这类中空叶片的较高的抗弯刚性使得叶片的弯谐振频率远高于由风湍流产生的激振频率。但是这9 个叶片的后表面蒙皮(即翼壳后沿)受到了损坏,为什么呢?我们知道,实际的风机叶片在此时另外会受到扭谐振,当风流变化所带来的激振荷载强劲而又与该叶片的固有频率相同时,再加上极为重要的一点,即当叶片的设计和制造存在缺陷时。注意,此时这类扭谐振就是施予叶片的极端疲劳荷载。
     关于疲劳损坏的原因是复杂的,但还是可以用最简单的想象把疲劳损坏看作为缘于极小裂纹的生长开始,这类失效的机制显然是因为叶片表面的极小的区域受到了局部集中应力的影响,这个局部集中应力又远大于粘接叶片翼后缘胶的粘合平均应力以及叶片蒙皮复合材料的平均应力。当这类较高的切应力反复作用时,就导致了极微裂痕的形成,这些极微裂痕又会进一步延伸至粘胶层内部和叶片蒙皮的相邻区域中去,最终导致粘胶和复合蒙皮强度的降低。宏观结果是上下蒙皮汇合处的后翼沿开裂以及叶片蒙皮断裂。叶片蒙皮的整体性刚度因此受到损坏。此外,这类复合材料较低的杨氏弹性模量和主梁、蒙皮间较差的胶粘接强度一同导致了蒙皮的鼓包断裂。这类鼓包断裂在此次极端失效中起着相当的主导作用,同时应该指出的是本次破坏活动还有严重的二次破坏现象。注意,扭谐振是关于叶片主梁对称的,这可以用来解释为什么大多数叶片的损坏发生在翼的上下两侧的原因。

     至于每台受损风机为什么只有一只叶片遭到破坏的原因是以下三个因素同时作用的结果:
  1.风机叶片的固有频率(叶片的谐振方向);
  2.风湍流的激振(风的变化方向);
  3.叶片的位置使其自身的谐振方向与来风的谐振方向一致。
    对于最后一个条件一旦某叶片恰好占据了恰当的位置,那么另外两个叶片便没有可能在这360°范围拥有同一位置了。总的来讲,恰当的材料刚性、恰当的时间以及恰当的位置,决定了只能有一个叶片受损。
    到目前为止,我们得出结论,台风“杜鹃”在复杂地形区域/丘陵地带中所带来的风湍流激起了处于恰当位置的那一叶片的扭谐振是叶片损坏的决定性原因之一。另一方面,自叶片蒙皮几何结构的损坏起,叶片的空气动力学功能便随之丧失。进一步来讲,风机的运行功能也因此不复存在。同时还注意到,在风机设计过程中来自于运行态和非运行态的疲劳荷载都是至关重要的。
    为了定性地探讨,扭矩荷载下的变形,断裂和断裂的相关位置,作者特别制作了一个小比例纸制叶片,其中有一中空塑料主梁。该纸制叶片也曾于一贯流风机产生的风场之中,以探讨其振动和失效的演变。这两个实验都是概念性模拟并对此次失效分析的研究有着一定的帮助。
 5 关注与讨论
     我们知道,刚性——重量比决定叶片的固有频率,因此叶片设计的最重要的目标之一就是去避开谐振,也就是除去施予风机叶片上的极端疲劳荷载。因此在这种情形下,扭转刚度的改善应该集中在以下几个方面:
    1.主梁结构:尤其是在接近于叶根处的大面积中空和叶片上半部的刚性的处理。
    2.主梁与蒙皮的粘接:包括两个方面——所采用的胶以及制作过程,如残余应力的控制等;
    3.翼后沿的粘接:粘合方式以及加工过程。
    再次重申,本分析主要集中在风机叶片的极端荷载以及它的形成上,包括从风湍流到叶片受激谐振和它的结构失效机理。此分析并没有包括风机非工作情况下的控制方法,如偏航和停车等。

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