風(fēng)機葉片在臺風(fēng)中結(jié)構(gòu)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(chǎn)品/部件的設(shè)計過程中，還是在事故發(fā)生后，都是如此。作為對產(chǎn)品/部件進行堅固性的設(shè)計工具，“失效模態(tài)及其影響力分析”（簡稱FMEA）是保證項目開發(fā)和產(chǎn)品質(zhì)量的一個強有力工具，因此這種分析手段正被廣泛地應(yīng)用于當(dāng)今的制造業(yè)中，事實上，F(xiàn)MEA分析過程遵循了美國質(zhì)量管理先導(dǎo)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(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計不斷認識和改進的循環(huán)（或稱之為PDCA 循環(huán)）。它最早在50 年代用于航空業(yè)，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(yè)當(dāng)中。這里所采用的FMEA（逆向）將給我們對發(fā)生在中國汕尾紅海灣風(fēng)電場的風(fēng)機葉片的結(jié)構(gòu)失效性分析提供一個指導(dǎo)性路徑。其間該風(fēng)場的風(fēng)機經(jīng)受了2003 年臺風(fēng)“杜鵑”的襲擊，造成了9 臺風(fēng)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(jié)果和事實以及風(fēng)機葉片整體功能的喪失都得到了相應(yīng)的剖析。

　　1 從風(fēng)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(nèi)，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(fēng)速也隨離地表高度的增加而增加。這類自然現(xiàn)象簡稱為“風(fēng)切變”。值得指出的是，在下文所提到的大多數(shù)風(fēng)力活動均指在地球邊界層當(dāng)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(fēng)機所遇到的湍流現(xiàn)象是很有幫助的。

　　相比于風(fēng)力的旬周期和日周期變化，那么風(fēng)的湍流則指的是風(fēng)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(yīng)該說這種變化的時間周期小于10 秒。也就是說在臺風(fēng)中風(fēng)湍流的變化頻率是很高的。因此，它對風(fēng)機葉片有著十分顯著的影響。2003 年臺風(fēng)“杜鵑”中所損壞的一些葉片便證明了這一點。

　　風(fēng)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(fù)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(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒。

　　對湍流描述的一個最基本方式是湍流強度。它是由風(fēng)速變化的標準方差與其平均風(fēng)速相除來表示的。湍流強度明顯地取決于如上所述的地球表面邊界層的“粗糙度”以及海拔高度等。所處的區(qū)域越“粗糙”，那么湍流強度就越高，所以說湍流強度高的地方，其風(fēng)速就相對低一些，這是受動量和能量守恒所制約的。這種情形下湍流區(qū)域有較大的氣流混合與動量轉(zhuǎn)換活動。