摘要
风能已成为全球可再生能源和绿色能源的主要来源。风力涡轮机的安装量急剧增加，尤其是在中国。此外，风力涡轮机叶片尺寸明显增大，长度超过120m。然而，这种情况使得叶片更容易遭受雷击引起的着火和火灾风险。一旦发生此类火灾，将会造成重大的经济损失，不可避免的造成环境破坏，甚至造成相关人员伤亡。即便如此，学术界对风力发电机火灾尤其是风叶片火灾的探索仍然非常有限。通过了解火灾演化行为、特征和驱动机制，提高风能系统的可持续性和恢复能力确实很重要。因此，这些知识和理解上的关键差距可以得到填补。 以NREL5MW风电机组叶片为参考模型，利用Solidworks（2023）软件建立其全尺寸（4.6×61.5×4.24m）物理模型。然后将该模型引入火灾数值模拟软件Pyrosim（2023.3.1206）中进行火灾数值模拟实验。设计了雷电点燃尖端段风叶的火灾场景。风力机叶片位置角（方向）和环境风速被设置为影响因素。在这种情况下，再现了从雷电诱导叶尖点火开始的整个风叶火灾演化过程。对典型的火灾蔓延场景和火灾特征参数进行了数值说明并获得。运用相关火灾动力学理论探讨相应的驱动机制，并探讨典型因素的作用和机制。最终选取典型的真实风叶片火灾事故，与数值模拟结果进行比较，验证其有效性和可靠性水平。 首先，通过操纵叶片位置角度，研究了它们对火灾演化行为和火灾特征的影响。研究了环境风速的操纵及其对火灾演化行为和火灾特征的影响。结果表明，90°情景案例的模拟过程行为分析揭示了火灾演化行为的不同阶段。在第一阶段（0.0秒至200.0秒），火焰在叶尖内开始蔓延，规模相对较小，传播速度缓慢。第二阶段（200.0秒至800.0秒）在所有情况下都见证了叶尖的完全点火。值得注意的是，对于9m/s、15m/s、17m/s和19m/s的风速，火势仍保持在距离尖端10.0m的范围内，而对于11m/s和13m/s的情况，火势的快速蔓延超出了这个阈值。第三阶段（800.0秒至1600.0秒）展示了不同的火势蔓延模式。当速度为9m/s时，火焰到达叶片根部，但不会到达机舱表面；而当速度为11m/s和13m/s时，火焰会吞没整个叶片并接近机舱。相反，在15m/s、17m/s和19m/s环境风速下观察到较慢的传播速率。第四阶段（1600.0秒到2400.0秒）说明了进一步的火势蔓延变化。值得注意的是，在9m/s的速度下，火焰会延伸到叶片根部，但不会延伸到机舱，而在11m/s和13m/s的速度下，火焰会包围整个叶片并到达机舱外部。在环境风速为15m/s、17m/s和19m/s的情况下，传播速度仍然较慢。在所有情况下，都会观察到叶片尖端部件的损坏。在较低环境风速（9m/s、11m/s和13m/s）下，热释放率（HRR）达到9m/s情况下记录的峰值（110MW）。1300.0s环境风速11m/s、1600.0s环境风速13m/s场景下烟雾浓度增强，峰值浓度达到100%/m。较高环境风速条件（15m/s、17m/s和19m/s）在19m/s情况下记录到的HRR最低（60MW）和最高温度（1300℃）。CO2排放始终呈现最高密度，特别是在11m/s和13m/s场景中。相比之下，CO的浓度仍然低于CO2。使用3D体积传感器进行分析证实，CO2烟雾排放量超过了CO。 其次，0°角位置叶片揭示了火灾演变的四个阶段。在第一阶段（0.0秒至200.0秒），火焰开始在叶尖内蔓延，在所检查的风力条件下保持有限的规模和缓慢的传播速度。第二阶段（200.0秒至800.0秒）火焰蔓延缓慢，主要在着火点附近。然而，在环境风速为15m/s和19m/s的情况下，火势会加速蔓延，吞没叶片。在第三阶段（800.0秒至1600.0秒），出现明显的火势蔓延模式。较低的风速表现出较慢的进展，而较高的环境风速则表现出沿后缘的快速传播。在第四阶段（1600.0秒至2400.0秒），不同的火势蔓延模式持续存在。例如，在9m/s的场景中，火势会蔓延到叶片根部，在不同风速场景下表现出不同的行为。相反，较高的环境风速有利于火势更快蔓延，而不会延伸到机舱或轮毂。然而，火势仍被限制在0°条件下，HRR为37MW（最高）和14MW（最低），记录的峰值温度为1800℃。SD21、SD36和SD49均记录了所有0°叶片位置角场景条件下的峰值烟雾浓度(100%/m)。CO的浓度仍然低于CO2。使用3D体积传感器进行分析证实，CO2烟雾排放量超过了CO。 第三，通过与两起真实风电机组叶片火灾事故的比较，验证了数值模拟的准确性、有效性和可靠性水平。在Gamesa G902.0MW涡轮机火灾事故中，尽管模拟边界存在限制，但该模型密切反映了观察到的火灾动态，证实了其可靠性。同样，GE Energy2.5MW涡轮机事故准确地复制了火势蔓延动态，证实了该方法的有效性。这些发现为叶片方向对火灾演变特征的影响提供了重要的见解。为风能基础设施的未来设计和安全措施提供信息。 综上所述，通过比较两个角度方向，很明显，90°角叶片产生的结果显着提高。90°情况下风速的变化对火灾行为、HRR、温度分布、以及整个模拟期间烟雾、二氧化碳和一氧化碳的排放。具体来说，风速条件的变化会导致不同的火势蔓延模式、HRR水平、温度分布和气体排放。这些发现强调了风力涡轮机叶片模拟中环境风速、火灾行为和烟雾动力学之间的复杂关系，强调了在风能系统火灾安全评估中全面理解和考虑环境因素的必要性。
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