風(fēng)機(jī)葉片在臺(tái)風(fēng)中結(jié)構(gòu)破壞的分析

0 引言
    事故分析是一個(gè)極為有價(jià)值的工程實(shí)踐活動(dòng)，無(wú)論是在產(chǎn)品/部件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還是在事故發(fā)生后，都是如此。作為對(duì)產(chǎn)品/部件進(jìn)行堅(jiān)固性的設(shè)計(jì)工具，“失效模態(tài)及其影響力分析”（簡(jiǎn)稱FMEA）是保證項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)強(qiáng)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(shí)上，F(xiàn)MEA分析過(guò)程遵循了美國(guó)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(jì)劃—行動(dòng)—核實(shí)—具體實(shí)施—再計(jì)劃—再行動(dòng)。這是一個(gè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)不斷認(rèn)識(shí)和改進(jìn)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(guó)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(duì)發(fā)生在中國(guó)汕尾紅海灣風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)失效性分析提供一個(gè)指導(dǎo)性路徑。其間該風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)經(jīng)受了2003 年臺(tái)風(fēng)“杜鵑”的襲擊，造成了9 臺(tái)風(fēng)機(jī)葉片損壞。通過(guò)這種分析，失效的潛在原因及機(jī)理、失效的影響力、失效的結(jié)果和事實(shí)以及風(fēng)機(jī)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(guò)平板時(shí)靠近平板表面有一個(gè)流體邊界層，同樣的在低海拔范圍內(nèi)，地球表面流動(dòng)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(shuō)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(jiǎn)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(dòng)均指在地球邊界層當(dāng)中的活動(dòng)，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(duì)認(rèn)識(shí)風(fēng)機(jī)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(duì)短的時(shí)間中其速度的波動(dòng)變化，通常這種時(shí)間是以分、秒甚至更短來(lái)計(jì)的。在熱帶氣旋情況下，應(yīng)該說(shuō)這種變化的時(shí)間周期小于10 秒。也就是說(shuō)在臺(tái)風(fēng)中風(fēng)湍流的變化頻率是很高的。因此，它對(duì)風(fēng)機(jī)葉片有著十分顯著的影響。2003 年臺(tái)風(fēng)“杜鵑”中所損壞的一些葉片便證明了這一點(diǎn)。
    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(guò)程固然復(fù)雜，人們也不能簡(jiǎn)單地用一個(gè)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(dòng)量守恒、能量守恒。