風機葉片在臺風中結構破壞的分析

0 引言
    事故分析是一個極為有價值的工程實踐活動，無論是在產品/部件的設計過程中，還是在事故發生后，都是如此。作為對產品/部件進行堅固性的設計工具，“失效模態及其影響力分析”（簡稱FMEA）是保證項目開發和產品質量的一個強有力工具，因此這種分析手段正被廣泛地應用于當今的制造業中，事實上，FMEA分析過程遵循了美國質量管理先導者戴明先生所指出的一套極為有效的路徑：即計劃—行動—核實—具體實施—再計劃—再行動。這是一個對產品質量和設計不斷認識和改進的循環（或稱之為PDCA 循環）。它最早在50 年代用于航空業，其后60 年代又被NASA（美國航天宇航局）采用，直到80 年代被用于汽車工業當中。這里所采用的FMEA（逆向）將給我們對發生在中國汕尾紅海灣風電場的風機葉片的結構失效性分析提供一個指導性路徑。其間該風場的風機經受了2003 年臺風“杜鵑”的襲擊，造成了9 臺風機葉片損壞。通過這種分析，失效的潛在原因及機理、失效的影響力、失效的結果和事實以及風機葉片整體功能的喪失都得到了相應的剖析。
    1 從風流邊界層及其特性看破壞的宏觀原因
    我們知道，流體在流過平板時靠近平板表面有一個流體邊界層，同樣的在低海拔范圍內，地球表面流動的大氣也有類似的效果。這部分低海拔大氣層就稱為“邊界層”。在邊界層中，流體的速度隨邊界層高度的增加而增加。也就是說在地球邊界層中，風速也隨離地表高度的增加而增加。這類自然現象簡稱為“風切變”。值得指出的是，在下文所提到的大多數風力活動均指在地球邊界層當中的活動，那么丘陵與山脈等就成這邊界層的表面“粗糙度”了。地球邊界層的特性對認識風機所遇到的湍流現象是很有幫助的。
    相比于風力的旬周期和日周期變化，那么風的湍流則指的是風在相對短的時間中其速度的波動變化，通常這種時間是以分、秒甚至更短來計的。在熱帶氣旋情況下，應該說這種變化的時間周期小于10 秒。也就是說在臺風中風湍流的變化頻率是很高的。因此，它對風機葉片有著十分顯著的影響。2003 年臺風“杜鵑”中所損壞的一些葉片便證明了這一點。
    風的湍流主要起因于地球表面“粗糙度”及其“摩擦阻力”。湍流過程固然復雜，人們也不能簡單地用一個確定的方程去描述它，但是它們還是遵循一些物理定理的，比如質量守恒、動量守恒、能量守恒。