參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲的影響研究

司海青，王同光，吳曉軍

（1.南京航空航天大學(xué) 民航／飛行學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016；3.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引 言

隨著風(fēng)能的全球普遍發(fā)展，用以產(chǎn)生風(fēng)能的風(fēng)力機(jī)可能會(huì)接近于人口密集區(qū)域，因而風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲［1］問題已經(jīng)引起了世界各國(guó)的普遍關(guān)注，美國(guó)的可再生能源實(shí)驗(yàn)室、NASA的Langley研究中心，荷蘭的國(guó)家航空實(shí)驗(yàn)室，英國(guó)的風(fēng)能協(xié)會(huì)等都對(duì)風(fēng)力機(jī)的噪聲問題進(jìn)行了大量研究。目前，我國(guó)關(guān)于風(fēng)力機(jī)噪聲方面的研究工作比較少。因此，快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲［2－4］是一個(gè)重要課題，這可以為風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和制造提供支持，從而有助于風(fēng)力機(jī)降噪技術(shù)的研究。

尋求高效、低噪聲風(fēng)力機(jī)一直是人們追求的目標(biāo)。風(fēng)力機(jī)噪聲包括了機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲。機(jī)械噪聲在過去的幾十年里因得到了廣泛關(guān)注而顯著降低，因而進(jìn)一步降低風(fēng)力機(jī)噪聲的核心就是如何降低占主導(dǎo)地位的氣動(dòng)噪聲。風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲是由入流風(fēng)輪擾動(dòng)、塔架擾動(dòng)、葉尖渦流、葉片后緣分離及邊界層分離等引發(fā)。噪聲不僅引起環(huán)境污染，還會(huì)造成結(jié)構(gòu)的疲勞和破壞。目前，低噪聲已經(jīng)成為風(fēng)力機(jī)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。

依據(jù)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲機(jī)理［5］，Brooks，Pope及Marcolini［6］給出了反映風(fēng)力機(jī)葉片翼型自激勵(lì)噪聲的五種半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，這些關(guān)系是基于NACA0012翼型的二維風(fēng)洞測(cè)量數(shù)據(jù)得到的（葉尖渦形成噪聲除外）。在模型中，將二維計(jì)算結(jié)果作為輸入，Lowson和Fiddes［7］研究了模型中所用到的邊界層厚度。Wagner等人［8］利用渦格子方法計(jì)算整個(gè)流場(chǎng)，運(yùn)用XFOIL程序［9］計(jì)算當(dāng)?shù)氐倪吔鐚訁?shù)。Patrick J.Moriarty等人［10］研究一種改進(jìn)的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法，并用于風(fēng)力機(jī)的噪聲預(yù)估。Arakawa等人［11］，研究了葉尖渦噪聲產(chǎn)生機(jī)理，及其降噪方法?；谠肼暜a(chǎn)生機(jī)理，Wei－Jun Zhu等人［12］研究了半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，提高了預(yù)測(cè)翼尖渦形成噪聲的準(zhǔn)確性。借助于計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)的研究，采用求解N－S方程和聲傳播方程的混合方法數(shù)值模擬風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲，其計(jì)算成本較大，還不適用于風(fēng)力機(jī)的快速設(shè)計(jì)。

基于本文作者目前現(xiàn)有的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型［13］，將在該模型中加入葉尖損失修正方法，更好地提高預(yù)測(cè)葉尖區(qū)域的渦脫落噪聲能力，然后，運(yùn)用發(fā)展的模型，研究各種氣動(dòng)參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲的影響，為低噪聲風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)提供快速、有效的技術(shù)，以便更好的應(yīng)用于設(shè)計(jì)中。

1 風(fēng)力機(jī)噪聲預(yù)估模型

在本文作者目前現(xiàn)有的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型［13］中，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲機(jī)理主要分為兩類［5］：1）湍流入流噪聲，它是風(fēng)力機(jī)葉片和吹向它的湍流相互作用產(chǎn)生的；2）風(fēng)力機(jī)葉片翼型自激勵(lì)產(chǎn)生的噪聲，它是由葉片翼型邊界層和近尾跡內(nèi)的氣流和翼型本身作用產(chǎn)生的，這些噪聲主要源自翼型的后緣，主要包括：a）湍流邊界層后緣噪聲；b）氣流分離失速產(chǎn)生的噪聲；c）層流邊界層渦脫落產(chǎn)生的噪聲；d）葉尖渦形成產(chǎn)生的噪聲；e）后緣鈍厚度導(dǎo)致渦脫落產(chǎn)生的噪聲。這些描述各種噪聲的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以參閱文獻(xiàn)［13］。

針對(duì)葉片產(chǎn)生的噪聲，計(jì)算方法［13］如下：將風(fēng)力機(jī)葉片沿著展向非均勻地劃分出一些葉素，然后，將翼型產(chǎn)生噪聲的模型應(yīng)用到每個(gè)葉素上，在每個(gè)葉素上，相對(duì)速度和當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)是由葉素—?jiǎng)恿糠椒ㄇ蟮?，邊界層參?shù)可由XFOIL程序計(jì)算得到，最后，再將各葉素上的噪聲源進(jìn)行疊加，從而計(jì)算出整個(gè)風(fēng)力機(jī)的聲壓級(jí)或聲功率級(jí)。

為準(zhǔn)確地模擬葉尖渦噪聲，需要考慮三維葉尖損失，在葉尖區(qū)域采用一種新的葉尖損失修正模型［14］，在這個(gè)模型中，需要給定一個(gè)函數(shù)F來(lái)修正葉尖區(qū)域的二維翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)，該函數(shù)表達(dá)式［14］為：

其中，B為葉片數(shù)目，R為葉尖半徑，r為當(dāng)?shù)厝~片半徑，φ為當(dāng)?shù)叵鄬?duì)速度與旋轉(zhuǎn)平面的夾角，系數(shù)g的表達(dá)式［10］為：

其中，λ為葉尖速度比。

2 參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲的影響

以3葉片，上風(fēng)失速控制的Bonus300kW風(fēng)力機(jī)為例，其基本參數(shù)如下：旋轉(zhuǎn)半徑為15.5m，塔架高度為31m，旋轉(zhuǎn)角速度為35.2rpm，葉尖槳距角為－1°，后緣厚度為弦長(zhǎng)的0.5%，風(fēng)速為8m／s，旋轉(zhuǎn)的初始狀態(tài)為θwing＝0°，θcone＝0°，θtilt＝0°，θyaw＝0°。運(yùn)用文獻(xiàn)［13］中噪聲模型計(jì)算該風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲，重點(diǎn)研究葉片翼型、葉尖槳距角、旋轉(zhuǎn)角速度及后緣厚度對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲的影響規(guī)律。

2.1 葉片翼型的選取

眾所周知，葉片翼型的選取對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性起著決定性重要作用，顯然，它對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲影響也是很大，為研究葉片翼型的選取對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲的影響，本文給出了不同情況下（見下表1：Case 1－5）的翼型組合。針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的三個(gè)重要區(qū)域，即葉尖、葉片中部以及葉片根部區(qū)域，分別采用不同翼型，來(lái)計(jì)算A－加權(quán)的聲功率級(jí)變化。圖1給出5種不同情況的A－加權(quán)聲功率隨頻率的變化曲線。由圖1可知，在Case1、2、4情況下計(jì)算得到的變化曲線類似，這說明，同系列翼型的相對(duì)彎度、相對(duì)厚度對(duì)噪聲級(jí)的影響不是很大；而在Case3情況下，F(xiàn)FAW3系列翼型產(chǎn)生的噪聲略高于NACA63系列；針對(duì)Case5情況計(jì)算得到的噪聲級(jí)明顯高于其它幾種情況（特別是在高頻情況下），這也說明，葉片根部、中間部分、尖部的翼型選取對(duì)氣動(dòng)噪聲影響較大，尤其是葉尖區(qū)域。由表2可以看出，Case1、2、4情況下的A加權(quán)的總聲壓級(jí)和總聲功率級(jí)的大小處于同一量級(jí)，Case3、5情況下的大小也處于同一量級(jí)，而且后者略高于前者。

表1 翼型系列Table 1 Airfoil series

圖1 不同翼型系列的噪聲譜Fig.1 Noise spectral of the different airfoil series

表2 不同翼型系列對(duì)應(yīng)的總噪聲級(jí)Table 2 Total noise level of the different airfoil series

2.2 葉尖槳距角

以Case1中翼型系列為例（以下研究均采用這種翼型系列），來(lái)研究不同的葉尖槳距角對(duì)這種風(fēng)力機(jī)噪聲的影響。目前，風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中均采用可控制的葉尖槳距角，因而研究這種影響是有意義的。圖2給出了葉尖槳距角分別為－3°、－2°、－1°、0°、1°、2°、3°所對(duì)應(yīng)的噪聲譜。由圖2，可以看出，在頻率小于200或者大于4000的區(qū)域，不同槳距角計(jì)算的A－加權(quán)聲功率級(jí)之間的差別不是很大；而主要差別在于頻率200～4000Hz這個(gè)區(qū)域，而這個(gè)頻率區(qū)域恰好是后緣噪聲和分離失速噪聲所對(duì)應(yīng)的頻率階段，因此，葉尖槳距角的大小可以有效控制這兩種噪聲的產(chǎn)生。表3給出了不同角度對(duì)應(yīng)的A加權(quán)總聲壓級(jí)和A加權(quán)總聲功率級(jí)的大小。由表可知，在葉片尖部區(qū)域，槳距角由－3°增加到0°，總聲壓級(jí)和聲功率級(jí)是逐漸減小的；相反，槳距角由0°增加到3°，總聲壓級(jí)和聲功率級(jí)是逐漸增加的，因此，葉尖槳距角為0°、1°時(shí)得到的噪聲級(jí)相對(duì)較小，這兩個(gè)角度是最優(yōu)的選擇。

表3 不同葉尖槳距角對(duì)應(yīng)的A－加權(quán)的總噪聲級(jí)Table 3 A－weighted overall noise level for the different tip pitches

圖2 不同葉尖槳距角的噪聲譜Fig.2 Noise spectral ofthe different tip pitch

2.3 旋轉(zhuǎn)角速度

圖3給出了不同旋轉(zhuǎn)角速度所對(duì)應(yīng)的噪聲譜。由圖3可以清楚地看到，旋轉(zhuǎn)角速度由15.2rmp逐漸增加到35.2rmp，而同一頻率下，其對(duì)應(yīng)的噪聲級(jí)逐漸增大，也就是說，旋轉(zhuǎn)角速度是和噪聲級(jí)成正比例關(guān)系的。表4進(jìn)一步表明，隨著旋轉(zhuǎn)角速度的增加，A－加權(quán)的總聲功率級(jí)是遞增的。

2.4 后緣厚度

圖3 不同旋轉(zhuǎn)角速度下的噪聲譜Fig.3 Noise spectral of the different rotor angular speed

表4 不同旋轉(zhuǎn)角速度下的A－加權(quán)總聲功率級(jí)Table 4 A－weighted overall sound power level for the different rotor angular speed

圖4 不同后緣厚度所對(duì)應(yīng)的噪聲譜Fig.4 Noise spectral of the different trailing edge bluntness

圖5 局部頻率區(qū)間內(nèi)的噪聲譜Fig.5 Local noise spectral for the different trailing edge bluntness

后緣厚度是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)風(fēng)力機(jī)的加工制造具有指導(dǎo)意義。同樣，后緣厚度不同，氣流繞過葉片，在后緣部分產(chǎn)生的渦脫落狀態(tài)也就不同，從而，它引起的后緣渦脫落噪聲級(jí)也就不同。圖4分別給出了后緣厚度取為當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)的0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%時(shí)計(jì)算得到的噪聲譜。由噪聲譜，可知，不同后緣厚度產(chǎn)生的噪聲差別主要是發(fā)生在頻率區(qū)域?yàn)?00～4000Hz。圖5是噪聲譜的局部放大，可以看出：在頻率約500～1400Hz的區(qū)間，A－加權(quán)的噪聲級(jí)是隨著后緣厚度的增加而增大的；在1400～4000Hz的頻率區(qū)間，變化規(guī)律不是十分明顯；在其余的頻率區(qū)間，噪聲級(jí)基本上不隨著后緣厚度的變化而變化；總體上講，頻率500～1400Hz的區(qū)間上的噪聲級(jí)變化規(guī)律在整個(gè)頻率區(qū)域內(nèi)就起著決定性作用。后緣厚度取為當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)的0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%所對(duì)應(yīng) A－加權(quán)總功率級(jí)的大小分別為：97.27dB、97.48dB、97.85dB、98.18dB、98.44dB，這種變化規(guī)律進(jìn)一步驗(yàn)證了以上結(jié)論，即A－加權(quán)的噪聲級(jí)是隨著后緣厚度的增加而增大的。因而，在風(fēng)力機(jī)制造過程中，盡可能使葉片后緣厚度足夠薄，從而有助于降低由此產(chǎn)生的噪聲。

3 結(jié) 論

基于現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)噪聲預(yù)測(cè)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约叭~尖修正方法，以Bonus300千瓦風(fēng)力機(jī)為例，本文數(shù)值研究了四種重要參數(shù)（葉片翼型、葉尖槳距角、旋轉(zhuǎn)角速度、后緣厚度）對(duì)該風(fēng)力機(jī)噪聲的影響規(guī)律。通過研究得到：1）葉片翼型的選取不但對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性起著決定性重要作用，它對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響也是很大，為設(shè)計(jì)低噪聲風(fēng)力機(jī)，需要合理的選取葉片翼型系列；2）葉尖槳距角的大小可以有效控制風(fēng)力機(jī)噪聲，在設(shè)計(jì)時(shí)要選取最優(yōu)的角度；3）旋轉(zhuǎn)角速度是和噪聲級(jí)成線性關(guān)系的；4）后緣厚度是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)風(fēng)力機(jī)的加工制造具有指導(dǎo)意義，在風(fēng)力機(jī)制造過程中，盡可能使葉片后緣厚度足夠薄，從而有助于降低由此產(chǎn)生的噪聲。

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