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近年來，我國風力發電機組發展呈大單機容量、大型化趨勢，2021年，新增裝機中平均風輪直徑達到了151米，比前一年增長了15米，近5年下線機組的最大風輪直徑從171米增長至230米。隨著風輪直徑及葉片的大型化，由葉片失效引起的機組故障呈上升趨勢，所以需要對葉片的風險進行更加精細化的識別。
特定情況下葉片易發生失穩振動
葉片吊裝、故障待修、運維期間誤操作以及電網故障等場景下，機組處于特定的限制姿態（無法偏航對風，部分場景需鎖定風輪），在這些狀態下，葉片附近流場較穩定，相比機組正常發電狀態更易造成振動能量的累積并引發葉片失穩振動，且在現場觀測案例中，已發生多起機組斷電狀態下葉片失穩振動的情況，所以需額外關注這些情景下的葉片穩定性風險。
葉片失穩發生場景
葉片1階擺振振型及葉片吊裝時失穩振動
葉片失穩將增加葉片安全性風險
本文以某大風輪機組一般性模型為例，挑選吊裝、鎖風輪故障待修等機組斷電情況下的機組狀態及場址環境條件進行仿真，發現如下葉片擺振失穩發散的情況：
葉片擺振載荷發散時序
葉片某截面失穩擺振極限載荷情況
經過對仿真樣本統計，葉片載荷發散將對葉片造成額外的疲勞損傷，以某190米級風輪直徑機組為例，在特定狀態下，風速30m/s下持續作用半小時，將損傷5年左右的壽命。部分惡劣風況及機組狀態下的葉片失穩發散載荷甚至會超過其設計極限值，增加了葉片極限破壞的風險。
進一步研究顯示，葉片發生失穩的風險與風輪直徑及風速有密切關系。根據已有的案例分析結果，140米風輪直徑以上的機組需關注葉片失穩風險；而對于越長的葉片，其固有頻率越低，變形越大，發生失穩風險的風速也會更低，對于風輪直徑160米以上的機組，導致葉片失穩的風速可低至8m/s。因此，需結合實際場址風況條件計算葉片發散情況，進而評估葉片極限和疲勞的失效風險。
葉片失穩風險防控建議
當機組風輪直徑較小時，發生葉片振動的風速較高，在實際運行項目中較難遇到；隨著葉片越來越長，機組風輪直徑越來越大，葉片失穩振動已經成為不可忽視的風險。特別是葉片吊裝、故障待修、運維期間誤操作以及電網故障等場景下的葉片穩定性風險需重點關注。
實際場址中葉片的穩定性風險，與葉片的具體設計和場址條件緊密相關，需要大量的基礎理論研究和項目數據積累。在風電項目大規模裝機的形勢下，我們建議設備招投標階段，廣泛開展機組的場址適配性分析，并將葉片失穩風險評估作為其中一個重要模塊，以指導確定安全的作業措施。而對于在役風電場中已積累較長斷電時間的機組，需進行葉片穩定性分析工作，以評估葉片及機組的安全性風險。
供稿：蔡志崧 薛巖 李新華 李煌（CGC）
