Menu

Uszkodzenia mechaniczne siłowni wiatrowych

Łopaty turbin wiatrowych zbudowane są z laminatu epoksydowego lub poliestrowego na bazie włókien szklanych i węglowych. Materiał ten charakteryzuje się dużą, w stosunku do ciężaru, wytrzymałością, która jednak maleje pod wpływem powtarzalnych obciążeń . Dlatego żywotność łopat jest dopasowana do projektowanego czasu eksploatacji elektrowni. Po tym okresie ich wytrzymałość może zmaleć poniżej poziomu obciążeń eksploatacyjnych, co prowadzi do złamania łopaty.

Częstość występowania awarii polegającej na uszkodzeniu rotora (urwaniu się łopaty lub jej fragmentu) jest znana z literatury. Scott Larwood  cytuje m.in. następujące badania: 0.02 awarii/turbinę rocznie w Holandii, 0.003 do 0.005 w Danii, 0.003 w USA, 0.012 z badań SERI, 0,015 w Niemczech z analiz WindStats. Pomimo stosunkowo nikłej statystyki i oczywistej niechęci operatorów farm wiatrowych do ujawniania takich danych przyjąć należy, że częstość awarii rotora jest rzędu 0.01. Na farmie liczącej 50 turbin można się zatem spodziewać awarii raz na kilka lat, czyli wielokrotnie w okresie jej eksploatacji. Konieczne jest zatem uwzględnienie zagrożenia związanego z awarią rotora przy planowaniu lokalizacji turbin w sąsiedztwie terenów zamieszkanych i użytkowych.

W Polsce - ostatnio takie zdarzenie miało miejsce na farmie wiatrowej w Korszach (rys.) , gdzie urwał sie 5.5-metrowy koniec łopaty i według opinii świadków zdarzenia “przeleciał pół kilometra” (źródło "Gazeta Olsztyńska").

Fot. Urwana łopata wirnika w Korszach.

Ze względu na dostępność danych dotyczących profili aerodynamicznych w analizie tych przypadków można próbować uwzględnić siłę nośną. Procedura sprowadza się do dodatkowego całkowania siły aerodynamicznej (zależnej do kąta natarcia) po powierzchni płata. Lot urwanego fragmentu jest o tyle specyficzny, że współczynnik oporu płata w kierunku jego ruchu jest bardzo mały (CD~0.01 od strony krawędzi natarcia, 0.025 od strony krawędzi spływu) i pozostaje taki tak długo, jak długo wirująca łopata nie zmieni istotnie kąta natarcia. Sorensen  ("On the Calculation of Trajectories for Blades Detached from Horizontal Axis Wind Turbines." Wind Engineering 8(3): pp. 160-175.)  pokazał, że stosowanie współczynników oporu większych od 0.15-0.4 do analizy ruchu urwanej łopaty jest nieuzasadnione.

ozewia113.jpg

Rys.9 Trajektoria lotu urwanej łopaty: kolor niebieski - fragment o długości 5.5 m (przypadek Korsze); zielony - ¼ łopaty; czerwony – połowa łopaty; pomarańczowy – cała łopata. Kolorem żółtym oznaczono maksymalny zasięg rzutu w próżni.

Na rys. 9 przedstawione zostały możliwe trajektorie lotu urwanego fragmentu łopaty w zależności od jego długości. Elementy o masach rzędu kilkudziesięciu kilogramów i więcej mogą odlecieć na odległość niewiele mniejszą od maksymalnego zasięgu rzutu. Skrócenie zasięgu następuje dla małych fragmentów łopaty, o masie kilku-kilkunastu kilogramów lub w przypadku zmiany kąta natarcia łopaty podczas lotu.

Warto podkreślić, że upadek fragmentu bezpośrednio pod turbiną, po jego nawietrznej stronie, jest bardzo mało prawdopodobny, ponieważ w typowych warunkach zmęczeniowe oderwanie łopaty następuje przy silnym wietrze, który znosi fragment kilka- kilkanaście metrów za wiatrak.

 Awaria systemu hamowania i/lub sterowania

Jeszcze większe zagrożenie wiąże się z możliwością uszkodzenia systemów zatrzymywania turbiny. Najbardziej spektakularny przykład takiego zdarzenia to rozpad turbiny w Hornslet w Danii w dniu 23 lutego 2008, gdzie urządzenie Nordtank NKT 600-180/43 o mocy 600 kW i średnicy 43 m utraciło system hamowania, rozpędziło się znacznie powyżej maksymalnej dopuszczalnej prędkości i rozpadło się, ścinając przy tym stalowy maszt o wysokości 44.5m. Fragmenty łopat zostały odrzucone na odległość 300-500 m.

Turbiny, ze względu na konieczność optymalizacji kosztów i wydajności, projektowane są z niewielkim współczynnikiem bezpieczeństwa wynoszącym typowo 1.5. Dla łopat i wirnika współczynnik ten jest rzędu 1.2. Oznacza to, że nawet przy niewielkim przekroczeniu maksymalnych obrotów konstrukcja wirnika zbliża się do granicy wytrzymałości. Dlatego krytycznym elementem w konstrukcji turbin są mechanizmy obracania łopat, które w przypadku zbyt silnego wiatru (zwykle powyżej 25 m/s) powinny ustawić łopaty w “chorągiewkę”. Jeśli wskutek awarii urządzenia nie będzie to możliwe – turbina zacznie obracać się z prędkością większą od dopuszczalnej i może ulec rozpadowi. Zdarzenia takie obserwowano wielokrotnie – najczęściej podczas gwałtownych burz i nawałnic.

Obracające się łopaty poddane są ogromnym siłom zginającym i rozciągającym. Dość powiedzieć, że przy nominalnych obrotach 19 obr/min w turbinie G90 przeciążenie na końcu łopaty jest 18-krotnie większe od ciążenia ziemskiego (18 g). Przy zwiększeniu obrotów o 50% przeciążenia te (jak również siły zginające) rosną ponad dwukrotnie, co przy wspomnianym niewielkim współczynniku bezpieczeństwa musi prowadzić do złamania/oderwania łopaty bezpośrednio lub wskutek uderzenia o maszt.

W tej sytuacji prędkość początkowa rzutu fragmentami łopaty będzie znacznie większa niż podczas normalnej pracy. Ilustruje to rys. 10 na którym pokazano zasięg rzutu fragmentem ¼ łopaty przy nominalnej prędkości obrotowej, prędkości 1.5 raza większej oraz 2 razy większej. Jak widać, zasięg rzutu zwiększa się wraz ze wzrostem obrotów turbiny i wyrzucone elementy zagrażają terenom znajdującym się w odległości 1.5-2 km od masztu. Szczegóły tych trajektorii bardzo silnie zależą od kształtu urwanego fragmentu i warunków początkowych zagadnienia. Jeśli fragment łopaty zacznie wirować wokół osi podłużnej to średni współczynnik oporu silnie wzrośnie, i odległość rzutu zmaleje. Wyniki odpowiednich symulacji również przedstawiono na rysunku.

Rys.10 Zasięg rzutu fragmentem łopaty (Ľ) w przypadku nominalnej prędkości obrotowej (niebieski), prędkości 1.5x większej (czerwony), 2x większej (zielony). Odległości dalsze otrzymano przy założeniu, że łopata nie zmienia kąta natarcia; odległości bliższe przy założeniu, że łopata wiruje wokół długiej osi.

Podsumowanie (prof. dr hab. Grzegorz Pojmański)

Modelowanie numeryczne rzutu lodem oraz fragmentami urwanej łopaty z turbiny wiatrowej o dużej mocy prowadzi do wniosku, że podczas normalnej eksploatacji bezpośrednie zagrożenie uderzeniem odłamkami istnieje w odległości niewiele mniejszej od teoretycznego zasięgu rzutu maksymalnego, a w przypadku awarii systemów hamowania także nawet w odległości dwukrotnie większej. Również fragmenty płonącej gondoli mogą przenosić się z silnym wiatrem na znaczne odległości.

Przyjmując najgorsze możliwe scenariusze wydarzeń przyjąć należy, że strefa zagrożenia ze strony wiatraka powinna być określona przez maksymalny zasięg rzutu ukośnego z prędkością początkową odpowiadającą zastosowanemu przy budowie śmigła współczynnikowi bezpieczeństwa (1.2-1.5), czyli przynajmniej dwukrotnie większą od prędkości nominalnej. Dla typowej turbiny o mocy 2-3 MW oznacza to strefę zagrożenia o promieniu 1.5-2 km, czyli 15 razy większym od wysokości masztu.

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});