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观点｜台风作用下风力机倒塌机理浅析
2024-09-2253

台风作用下风力机倒塌机理浅析


作者：任永礼，孟庆坤，陈超，华旭刚，陈政清

单位：湖南大学风工程试验研究中心

         湖南大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室   


主要作者简介

华旭刚


华旭刚，国家杰出青年基金和优秀青年基金获得者，湖南大学教授。现为湖南大学土木工程学院院长，风工程试验研究中心主任，桥梁工程安全与韧性全国重点实验室副主任。主要从事桥梁风致振动与减振控制、海上风力机结构动力学与控制等方向研究。主持国家重点研发计划项目2项，国家自然科学基金4项，成果成功应用于港珠澳大桥、洞庭湖悬索桥、鹦鹉洲大桥、菩提岛海上风电场、珠海璧青湾海上风电场等40余项大型工程。获国家技术发明一等奖1项（排2），科技进步二等奖1项（排5），以及湖南省技术发明一等奖（排2）、中国钢结构协会特等奖（排1）等。

邮箱：cexghua@hnu.edu.cn



卷

首

语

台风“摩羯”袭击下海南文昌发生多台风力机倒塌事故，引发社会广泛关注。湖南大学风工程试验研究中心团队于9.12-14日进行了灾后现场调研，主要包括海南省文昌市某风电场及两座大跨度桥梁。根据调研资料及网上收集的资料，对风力机的倒塌机理进行初步分析和探讨，并提出了风力机台风防控的若干建议。由于作者水平有限，文中若有不妥之处，还请读者批评指正。



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风力机倒塌事故概况

台风“摩羯”于2024年9月1日在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成，9月2日在菲律宾东北部奥罗拉省卡西古兰市登陆，后进入我国南海海域，9月6日16时许在海南省文昌市翁田镇沿海登陆。台风“摩羯”行进过程中，中心附近最大风力有17级（62 m/s），中心最低气压915百帕，为超强台风[1]。据媒体报道，台风“摩羯”是继2014年“威马逊”之后登陆我国的最强台风，也是新中国成立以来登陆我国大陆地区的最强秋台风。该台风的主要特点是路径稳定、快速加强、超强台风级别维持时间长、结构对称紧凑、破坏力极大。图1展示了台风的形成及移动路径。其行进过程中，造成了台风登陆区的交通、电力、通信和饮水等基础设施中断，大量的农田、房屋及树木倒塌损毁，以及人员伤亡，给当地带来了严重的经济和生命财产损失。其中导致海南省文昌市某风电场的多台风机倒塌，发生事故的风机塔筒被拦腰折断。图2是海南省台风经过区域所导致的风灾情况。

图1 台风“摩羯”形成及登陆路径


海南省文昌市某风电场建于海湾处，靠近台风登陆的核心区域，在此次台风作用下多台风力机发生倒塌，带来了严重的经济损失。据悉，该风电场正在“以大代小”进行改造升级项目，拟新建16台6.25 MW抗台型风力机，项目已吊装了13台。有关人员表示台风登陆距离项目最近距离仅为7公里，最大风力可能远超《GB/T 31519 台风型风力发电机组》中风电机组抗台标准要求。此外，该人士声称项目仍在建设中，风力机的偏航系统因尚未供电无法调整风力机的结构受力状态，从而在此次台风的侵袭下发生了倒塌。

（a）电线杆倾倒

（b）树木倒塌

（c）光伏板破坏

（d）新东大桥人行道栏杆毁坏

（e）清澜大桥灯具倒塌

（f）清澜大桥阻尼器支撑架损坏

 图2 海南省台风经过区域的灾后现场情况


图3是台风作用下海南省某风电场风力机倒塌现场情况（部分图片引自网络）。通过整体观察风电场风力机的倒塌姿态和方向，发现风力机均朝向岸边倒塌，与周围树木的倾倒方向基本一致，倒塌后塔筒多呈三段式折断状态，上部的机组和叶片坠落后破损十分严重，接近碎片状。

（a）风电场风力机整体倒塌情况[2]

（b）塔筒发生三段式倒塌模式[2]

（c）塔筒倒塌部位破坏模式

（d）塔筒及周围树木倒塌方向

（e）塔筒断口形状及叶片坠毁破坏情况

（f）灾后现场清理


图3 台风作用下海南省文昌市某风电场风力机倒塌现场情况



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风力机塔筒倒塌机理分析

风力机的倒塌与风荷载的大小、结构的屈曲模式相关。由图3中风力机塔筒的倒塌模式，可以推测台风作用下风力机塔筒发生了局部屈曲引发的风力机整体倒塌。

1）风力机荷载分析

台风作用下风力机塔筒主要受风荷载和上部风轮和机舱的重力作用（G），如图4所示。台风经过时风速很高，因而塔筒的风荷载（FTower）也非常大，在停机顺桨状态下塔筒的风荷载甚至大于上部风轮的风荷载（FRotor）。对于非平稳风荷载，特别是突加风荷载，结构的振动会产生较大的惯性力，从而使得塔筒的整体内力进一步放大。另外，风偏角，即风轮平面法线与风速在水平方向的夹角，也是影响风力机风荷载大小的一个重要因素。

由于目前无法获取此次倒塌风力机的详细参数，因此选取结构形式、发电功率相近的NREL 5 MW风力机并采用OpenFAST进行初步荷载分析。据气象播报，当时台风风速达到62 m/s，根据风切变指数（暂取0.11）等可以粗略推算出轮毂高度处的风速[3,4]。图5是 NREL 5 MW固定式风力机停机顺桨状态时不同风偏角下塔筒底部的剪力和弯矩大小，计算时风力机伺服系统处于关闭状态。发现随着风偏角的增加，塔底的剪力和弯矩增加较快。当风偏角为15°时，塔底的弯矩为146564 kN·m，其值已大于塔筒的极限承载弯矩132585 kN·m[5]。这也凸显了抗台中风力机偏航系统的重要性。
由上可知，此次台风作用下塔筒的荷载极有可能超过其极限承载能力。


2）塔筒倒塌过程分析
塔筒是大径厚比的高耸悬臂结构，在风荷载和重力作用下主要发生弯曲变形，塔筒的迎风面处于受拉状态，背风面处于受压状态，属于典型的压弯构件。已有研究发现，压弯荷载作用下大径厚比的钢管塔的突出问题是局部屈曲[6,7]。
笔者前期深入研究了大型船舶撞击作用下漂浮式风力机的破坏失效模式及其参数影响规律[8,9]。图6是通过有限元模拟得到的极端风浪联合作用下船撞后海上漂浮式风力机的结构损伤及屈曲倒塌模式，图7是通过有限元模拟得到的塔筒局部屈曲形成过程。发现在局部屈曲形成后的较短时间内，塔筒便发生了倒塌，表明屈曲发生后屈曲部位处丧失了承载能力。此外，发现船撞作用下塔筒倒塌后屈曲部位的破坏形状与台风作用下屈曲部位的破坏形状十分相似。因此，笔者认为此次台风作用下风力机的倒塌原因与船撞作用下风力机的倒塌原因是一致的，即是由结构的局部屈曲引发的。虽然造成这两种不同基础形式风力机倒塌的荷载来源不同，但荷载作用的效果是一致的，即塔筒是一压弯构件，当荷载增加到一定程度时，塔筒会发生局部屈曲。

图6 极端风浪联合作用下船撞后海上漂浮式风力机的结构损伤及屈曲倒塌模式

图7 船撞作用海上漂浮式风力机塔筒局部屈曲形成过程

此次台风作用下风力机倒塌后多呈现出三段式折断形态，极有可能是由于塔筒中上部先发生了局部失稳，且失稳后塔筒顶部在水平方向产生更大的位移，但失稳部位并没有立刻发生断裂分离，因此塔顶的重力荷载在塔筒底部产生很大的二阶弯矩，使得塔筒底部处再次发生局部失稳。若塔筒底部先发生局部失稳，则屈曲部位类似一塑性铰，几乎无承载能力，因此上部结构将发生整体坠落，并不会出现第二次局部失稳。图8给出了台风作用下风力倒塌后呈现出三段式折断形态的演化过程。船撞作用下漂浮式风力机塔筒的失稳部位靠近塔筒底部，而下部浮体的承载能力很高，因此倒塌后未出现三段式折断形态。

图8 台风作用下风力机失稳倒塌过程



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总结

本文针对台风作用下海南省文昌市某风电场风力机倒塌事故，对台风作用下风力机发生倒塌的原因进行了初步分析。首先通过荷载计算发现，此次台风作用下风力机的荷载可能超过其极限承载能力，然后与极端风浪联合作用下船撞后海上漂浮式风力机的屈曲倒塌模式进行了比较，认为此次台风作用下风力机发生倒塌的原因也是由于压弯荷载的作用塔筒发生了局部屈曲，最后进一步分析了塔筒的局部失稳倒塌演化过程和最终折断形态的形成原因。
台风作用下风力机发生倒塌的原因十分复杂，本文仅初步分析了风力机的荷载大小和倒塌机制，并没有详细讨论实际环境中风速、湍流、风向和结构振动等因素对实际风力机发生失稳破坏的影响，因此风力机倒塌的具体原因还有待进一步研究。
此次台风作用下风力机倒塌事故导致了严重的经济损失，给风电行业的发展带来了一些负面影响，但同时也是对今后风力机抗台风的一种警示。基于此次台风作用下风力机倒塌事故，笔者对风力机在抗台风方面提出以下几点建议：

（1）通过气象预报，及时关注台风的强度和移动路径变化，提前做好抗台风策略；

（2）在台风来临前，全面检查风力机的健康状况，及时修复潜在故障；在台风过境期间，需提供备用电源，确保风力机伺服控制系统能正常工作以调整风力机的受力状态，从而使其在极端天气下结构及机组安全；

（3）根据当地的气候变化规律，合理选择最佳施工期，避免风力机处于最不利抗台风状态；

（4）针对施工和运营两个阶段，需分别进行抗台风设计和验算，对结构薄弱部位要进行加强设计；

（5）结合环境及结构状态监测与SCADA数据，加强台风等极端天气下风力机塔筒失效机制及韧性提升技术研究。


致谢                                                 

左太辉博士、王超群博士参与了本次调研，学院贺拥军教授、刘艳芝副教授、孙瑶教授对钢结构稳定问题进行讨论，在此一并致谢。


参考文献                                          


[1] http://typhoon.nmc.cn/web.html

[2] https://mp.weixin.qq.com/s/hZwA08Abfn5biG-_nXZ5-g. (微信公众号：风电世界)

[3] IEC 61400-1:2019(E). Wind energy generation systems—part 1: design requirements. Standard, Geneva, CH, International Electrotechnical Commission; 2019.

[4] 中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范[M].中国建筑工业出版社,2006.

[5] DNVGL. DNVGL-RP-C202, 2019. Buckling Strength of Shells. DNVGL-RP-C202. GWEC, 2022. Global Offshore Wind Report 2022.

[6] Mandal P, Calladine C R. Buckling of thin cylindrical shells under axial compression[J]. International Journal of Solids and Structures, 2000, 37(33): 4509-4525.

[7] Houliara S, Karamanos S A. Buckling of thin-walled long steel cylinders subjected to bending[J]. 2011.

[8] Ren Y, Meng Q, Chen C, et al. Dynamic behavior and damage analysis of a spar-type floating offshore wind turbine under ship collision[J]. Engineering Structures, 2022, 272: 114815.

[9] Meng Q, Hua X, Chen C, et al. Analytical study on the aerodynamic and hydrodynamic damping of the platform in an operating spar-type floating offshore wind turbine[J]. Renewable Energy, 2022, 198: 772-788.

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