叶片内部结构胶流挂脱落对风电机组安全运行影响及典型案例分析

叶片是风电机组吸收风能的主要部件，每台机组一般配置三支叶片，控制系统根据风速高低调节桨距角大小，从而调节风机转速。严格来讲，三支叶片应该进行动平衡实验检测，但由于叶片长度较大，生产厂家无法进行叶片的动平衡实验。为了尽量保证三支叶片的动平衡，叶片生产厂通常检测每支叶片的重量和重心，必要时进行配重，把重心位置相同、重量一样的三支叶片编为一组，装在一台风力发电机组上。

风力发电机组叶片在生产过程中，上下壳体合模粘接（叶片前缘粘接、后缘粘接、腹板与上下壳体粘接，如下图所示）时需要保证粘接面积和粘接强度，在粘接面上涂抹的结构胶必须充盈，因此合模后结构胶必然有挤出，在粘接部位形成流挂。在叶片运行一段时间后，由于叶片承受风载荷，反复弯曲变形，这些流挂就会发生脱落，掉在叶片内部。

二、结构胶流挂对机组运行影响分析

掉落在叶片内部的结构胶流挂，因在三支叶片掉落的位置、数量是随机的，打破了三支叶片生产时的动平衡。这些脱落的流挂，在低转速时随着叶片转动而在叶片内部上下运动，形成哗啦哗啦的声音；如果机组叶片在某种情况下高速转动，就可能引起机组剧烈振动，甚至造成倒塌事故。叶片内部脱落的结构胶流挂对风电机组造成的影响如下：

1、运行噪音

脱落的流挂引起的噪音和叶片转速相关，当叶片转动引起的离心加速度（V²/R）小于重力加速度（g）时，脱落的流挂随着叶片转动而上下移动。带有脱落流挂的叶片在上垂直位时，脱落的流挂会在重力作用下下落，从叶尖落到叶根形成噪音；带有脱落流挂的叶片在下垂直位时，脱落的流挂又会在离心力和重力的叠加作用下加速下落，从叶根落到叶尖并撞击叶尖，再次形成噪音；即低速运行时，每支叶片随叶轮旋转一周会出生二次噪声。

当叶片转速升高，转动引起的离心加速度（V²/R）大于重力加速度（g）时，脱落的流挂就会被离心力甩至叶尖，随叶片转动，不再发出哗啦哗啦的声响。

2、振动

（1）低速运行时的撞击振动。

当（V²/R）<g时，脱落的流挂在叶片内上下移动对叶片根部和叶尖的反复冲击引起的撞击振动。这种振动的频率较低，对机组的冲击危害不太大。

（2）受控状态下高速运行时的叶片不平衡振动。

当（V²/R）> g时，叶片内部脱落的流挂在叶尖部位，使三支叶片动平衡遭受破坏，从而引起机组振动。这种振动的频率随着叶片的转速升高而升高，离心力也随着叶片转速的升高而增大，从而导致更严重的不平衡。机组达到额定转速后由于变桨控制系统的介入，叶片转速不再升高，振动频率和离心力可稳定在某一个数值。

以某品牌141/2.5MW风机为例，风轮额定转速11.5r/min，叶片直径141米，由于叶尖空间狭小，假设脱落流挂停留在叶轮半径70米处，一支叶片内脱落流挂重5kg，其随叶片在额定转速下转动形成的离心力可以由下式计算得出：

离心力 F=MV²/R 式中：M=5kg, R=70m V是叶尖线速度

V由以下公式计算得出：

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

F = MV²/R = 5 *(84)²/70 = 504(N)

即：单支叶片内5kg的脱落流挂随叶片在额定转速11.5r/min下转动给机组带来了额外的504（N）频率为11.5Hz的不平衡旋转动载荷，必然引起机组的运行振动。

（3）失控状态下高速运行导致的事故。

当控制系统失效等原因，风机发生飞车时，即使机组达到额定转速叶片转速还会继续升高，上述脱落流挂造成的离心力将以与转速成平方关系的方式增加：

假设风机飞车后叶片转速达到100r/min，

则：V = 100 *3.14 *140 / 60 ≈733m/s

F = 5 （733）²/ 70 ≈ 38,378（N）≈3.84t

即：这个5kg的脱落流挂在随叶轮100r/min转速下，对机组形成了约3.84吨的离心力，机组在如此大的周期性离心力作用下将产生剧烈的振动，同时对塔架中下部产生巨大的弯曲力矩，在振动和巨大弯曲力矩的叠加作用下，可以在几分钟内导致风机倒塌。

三、典型案例分析

案例一 2018年3月25日，宁夏某风电场发生的1.5MW风机倒塌事故。

事故概况：2018年3月25日15:27，风电场五人对C04号机组进行日常维护，约16:40维护工作结束，两位风机轮毂维护人员出轮毂，并摇出叶轮锁定位销，关闭液压站高速制动器控制阀，液压刹车钳打开，叶轮开始旋转。其中一位运维人员发现异常后，于16:42'16"按下“手动急停按钮”，停机失败。16:42'28"C04风机报“超速故障”信号，轮毂维护人员大声提醒“跑桨启机了”。16:43:07，手动采取高速轴制动试图停车，风机报“本地手动停止、液压刹车未释放”故障，但刹车未动作，风机转速快速上升。机舱4名人员立即开始紧急依次通过爬梯下塔。16:45 风机发电机最大转速达到3946.98rpm。16:46C04风机发生倒塌。

事故记录：

1） PLC控制器5分钟数据记录：16:40至16:45区间：C04机组高速轴刹车进行了释放操作，发电机转速从0rpm开始上升，发电机最大转速为3946.98rpm，最小转速为0rpm，平均转速为1904.045rpm；主轴最大转速为40.14rpm，最小转速为0rpm，平均转速为18.893rpm。

2） 风机SCADA系统（数据采集监控系统）故障记录：16:42'16"进行了机舱急停操作；16:42'28"机组激活发电机超速故障；16:42'33" 激活主轴超速故障；可知16:42'16"机组的转速低于1980rpm（发电机转速软件保护值为1980rpm）。

3） 16:45:37，风机SCADA系统报“塔底急停”故障，此时塔筒剧烈晃动，机组振动值为0.506g，超出0.2g的规定值，导致常闭触点的塔底急停线路断电。16:45:57，风机SCADA系统报“刹车盘磨损”，此时机舱晃动加剧，联轴器已不规则运行导致刹车盘磨损。16:46，风机附近人员电话上报C04飞车，风机倒塌。

4） C04风机第二层塔筒与第一层塔筒脱开，塔筒法兰连接螺栓全部断裂，第二层及以上塔筒连同机舱整体倾倒，第一层塔筒未倾倒且未见明显异常。

事故分析：根据C04风机运行记录风机飞车，风轮转速达到40r/min便导致了机组剧烈振动（晃动）致使风机倒塌。该起事故的调查报告没有特别说明风机倒塌前有叶片折断或解体发生，由此可以断定必然是三支叶片的动平衡受到了破坏，使机组产生剧烈振动加晃动直至倒塌。

案例二 2015年10月1日，某风电场发生的1.5MW机组倒塌事故。

事故概况：2015年10月1日7时38分，某风电场1A03号1.5MW机组通讯消失，运行值班员通知检修班长，检修班长汇报给风电场专责人，并组织人员到现场进行检查。7时50分检修人员到达现场，发现1A03号风机已倒塌，下段塔筒法兰与基础环法兰128颗连接螺栓全部断裂。经现场查勘，塔筒倾倒过程中有约90度旋转，下段塔筒有局部弯曲变形，筒身圆形改变为椭圆形，基础环法兰有局部向上变形；机舱脱离塔顶距塔筒倒塔方向左侧10米左右，机舱本体外壳呈碎裂状态；三支叶片严重损坏，其中一支叶片距根部2-3米左右断裂飞出距塔基约187米，叶片断裂处呈撕裂状，另两只叶片虽未脱离轮毂但损坏严重。

1A03风机在通讯消失前并未报故障。再则由于风机数据信息上传服务器的储存方式原因，能够在服务器上提取的数据信息仅是6时29分48秒之前的10分钟平均数据，调取1A03号风机6时29分48秒之前的10分钟平均数据，记录期间风机最大风速为24.8m/s、有功功率1559.7kW、发电机转速1901.9转/分。

那么从6时29分到风机通讯消失的7时38分这段时间机组运行过程中发生了什么？是什么神秘的力量把断掉的那支叶片甩到了187米之外？而另外两支叶片与轮毂还连在一起？

事故分析：根据理论分析和经验判断，完全有理由确定风机在倒塌前发生了飞车。叶轮高速旋转导致其中一支叶片断裂飞出，叶轮随之失去动平衡，剩余两支叶片继续高速旋转，在离心力作用下产生剧烈振动和晃动，直至倒塌。

案例三 2019年4月12日，甘肃民勤周家井风电场倒塌伤亡事故。

于2019年4月12日，民勤航天新能源84#2MW机组在进行定检工作时发生风机飞车致机组倒塌，造成4人死亡，1人重伤，1人轻伤的恶性事故。目前还未看到详细的事故机组运行记录和完整的事故调查报告，仅从公开信息了解到事故发生的大概过程。

事故概况：4月12日，84#风机进行定检时未进行收桨操作，三支叶片均停在0°左右的开桨位置，当时风速约6m/s。定检人员出现操作错误，松开了机组刹车，致使风机启动，失去控制发生飞车。风机在桨叶全开状态下持续空转，迅速加速进入超速状态，其中一只叶片无法承受过大的离心力而开裂折断，另外两支叶片则继续高速转动，机组失去了动平衡，在两支叶片高速旋转产生的巨大离心力作用下机组剧烈振动和晃动，最终导致了风机倒塌。

四、总结

从上面的分析和风机事故案列，可以看到三支叶片的动平衡对机组的安全运行至关重要，叶片的动平衡破坏以后机组会发生振动和晃动，失去控制后就会造成机组倒塌。风机倒塌的案例很多，大多与三支叶片失去动平衡相关。

叶片内部结构胶流挂脱落，在叶片内部随叶片旋转则会破坏叶片之间的动平衡，虽然在风机低转速和额定转速下不会对风机安全造成致命伤害，但在高转速下则会产生巨大的离心力，使机组产生剧烈振动和晃动，严重的会导致叶片解体，风机倒塌。

因此，叶片制造过程中造成的结构胶挤出形成流挂，如果在机组运行一段时间后脱落，则需要在机组停机检修时及时取出，减少机组振动和噪声，同时也可以降低机组倒塌发生几率。