鋸齒降噪結(jié)構(gòu)在風(fēng)力發(fā)電機組葉片上的應(yīng)用

陳寶康，魏煜鋒，張 敏

（明陽智慧能源集團股份公司 風(fēng)能研究院，廣東 中山 528437）

風(fēng)力發(fā)電因其綠色清潔低碳、運行維護成本低等優(yōu)點正逐漸成為各能源大國的主流過渡替代能源，伴隨風(fēng)電的大力發(fā)展，部分風(fēng)電場在選址時風(fēng)電機組的裝機位置離居民區(qū)很近，導(dǎo)致機組運行時產(chǎn)生的噪聲遭到居民投訴，類似案例近幾年呈明顯上升趨勢，噪聲擾民因此成為很多風(fēng)電場業(yè)主亟待解決的問題之一。不同國家和地區(qū)對環(huán)境噪聲排放都有明確要求，表1中列出了國內(nèi)外居民區(qū)允許的環(huán)境噪聲輻射值，可以看出國外在噪聲標(biāo)準(zhǔn)上的要求均高于國內(nèi)。已有研究表明，大型風(fēng)力發(fā)電機組噪聲輻射主要有：

（1）機械噪聲：來源于傳動鏈、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)和冷卻散熱系統(tǒng)；

（2）葉片氣動噪聲：包括湍動來流噪聲和翼型自噪聲[1–4]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，據(jù)業(yè)主及風(fēng)場附近居民反饋，判斷目前市場上的風(fēng)電機組運行噪聲中比較讓人煩惱的主要是葉片氣動噪聲。

表1 國內(nèi)外居民區(qū)環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)

本文擬將某3.0 MW風(fēng)力發(fā)電機組作為試驗測試平臺，以鋸齒結(jié)構(gòu)尾緣的葉片翼型為研究對象，研究鋸齒降噪結(jié)構(gòu)在大型風(fēng)力發(fā)電機組葉片上的應(yīng)用。首先分析風(fēng)力發(fā)電機組葉片鋸齒降噪結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，基于IEC61400-11[5]風(fēng)力發(fā)電機組噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)實施現(xiàn)場噪聲測試，最后對比研究加裝鋸齒結(jié)構(gòu)前后噪聲輻射值的變化規(guī)律。

1 鋸齒降噪結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

近年來，諸多學(xué)者對仿生學(xué)翼型尾緣進行了研究，發(fā)現(xiàn)貓頭鷹翅膀后部的柔軟羽毛能夠增加流體的可穿透性，從而降低其在捕獵飛行時產(chǎn)生的聲音，研究也證實了鋸齒形尾緣能夠降低翼型的尾緣寬帶噪聲。大型風(fēng)力發(fā)電機組葉片氣動噪聲主要由葉片后緣區(qū)域的渦流產(chǎn)生，這類噪聲在頻域上呈現(xiàn)寬頻的特點。葉片氣動噪聲的降噪原理是將尾緣邊界層處較大的渦流被打散成較小的渦流。許影博等[6]針對鋸齒形翼型尾緣噪聲控制這一課題，進行了平板單元翼型在全消聲風(fēng)洞中的實驗研究，通過在翼型尾緣附加鋸齒的方法降低中低頻段的遠(yuǎn)場氣動噪聲，且基本不影響翼型的氣動性能。賈少紅[7]采用Howe的理論公式計算了鋸齒尾緣的降噪效果，通過加裝尾緣鋸齒可以降低NACA 63421翼型的湍流邊界層尾緣噪聲，輻射噪聲聲壓級計算公式為

式中：ε=1.33，Uc=0.7U，U為主流的速度，2h為鋸齒高，λ為鋸齒寬，δ為尾緣邊界層厚度。

國外的Polytech，GE，Vestas，Siemens等公司對風(fēng)力發(fā)電機組葉片降噪技術(shù)均有較為深入的研究，但未見有關(guān)于鋸齒結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)場應(yīng)用的研究。圖1中，(a）圖所示是Polytech公司在2016年德國漢堡國際風(fēng)能展上展出的葉片降噪結(jié)構(gòu)模型，針對不同型號規(guī)格的葉片有不同尺寸的降噪結(jié)構(gòu)可供選擇；(b）圖所示是GE公司設(shè)計的一種后緣安裝了鋸齒結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機組葉片，鋸齒結(jié)構(gòu)通過螺栓固定在葉片后緣合模處伸出的一截腹板上。

圖2中，(a）圖所示是明陽智慧能源集團股份公司（下稱“明陽智能”）研制的大型風(fēng)力發(fā)電機組葉片降噪結(jié)構(gòu)，扁平形鋸齒降噪結(jié)構(gòu)單元均勻分布于葉片展向75%～95%位置對應(yīng)的后緣上；(b）圖所示是該鋸齒降噪結(jié)構(gòu)在葉片上的整體安裝效果圖，現(xiàn)場安裝時使用生產(chǎn)葉片專用的膠水進行鋸齒結(jié)構(gòu)的粘接。文中使用的鋸齒結(jié)構(gòu)其尺寸參數(shù)已經(jīng)過理論仿真計算確認(rèn)合理性，且該結(jié)構(gòu)已申請專利成果。

2 噪聲測試系統(tǒng)及測試流程

測試使用的噪聲測試系統(tǒng)由上海其高科技公司基于Lab View平臺開發(fā)的SignalPad軟件和數(shù)據(jù)采集硬件組成，其中數(shù)據(jù)采集硬件包括：

（1）噪聲采集模塊，主要有NI9234、BSWA公司的MPA201型傳聲器和CA114-94型聲學(xué)校準(zhǔn)器，表2中給出了傳聲器的部分性能參數(shù)；

（2）氣象采集模塊，包括NI9205、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、大氣壓力和溫度傳感器；

（3）風(fēng)機主控信號采集模塊，主要采集風(fēng)機主控輸出的運行相關(guān)參數(shù)，包括功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、機艙風(fēng)速和槳距角。現(xiàn)場測試所選擇的某3.0 MW風(fēng)力發(fā)電機組基本參數(shù)如表3所示，葉片相關(guān)參數(shù)如表4所示。

圖1 國外公司的鋸齒結(jié)構(gòu)

圖2 明陽智能的鋸齒結(jié)構(gòu)

表2 傳聲器參數(shù)表

表3 風(fēng)力發(fā)電機組基本參數(shù)

表4 試驗葉片參數(shù)表

測試場地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)某風(fēng)電場，該地區(qū)屬于荒漠草原，草原植被、建筑物及樹木稀少，較為空曠。根據(jù)IEC61400-11標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，選擇被測機組位于風(fēng)電場的主風(fēng)向上方的邊緣區(qū)域，噪聲測點位于被測機組的下風(fēng)向135 m遠(yuǎn)處，滿足測點與機組距離R0=H+D/2（H為輪轂高度，D為風(fēng)輪直徑）的要求。噪聲測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 噪聲測試現(xiàn)場

將現(xiàn)場測試分為兩個階段進行，第1階段：被測機組處于正常狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)上和主控程序的控制策略均不作任何修改和變動；第2階段：與第1階段唯一的區(qū)別在于被測機組葉片上加裝了鋸齒降噪結(jié)構(gòu)[9]。鋸齒結(jié)構(gòu)在葉片上的整體安裝效果如圖2中的(b)圖所示，安裝位置位于距離葉根75%～95%的葉片后緣處，每個單元鋸齒結(jié)構(gòu)的長度約0.5 m，每根葉片上的安裝長度約12 m，每根葉片安裝24個單元鋸齒結(jié)構(gòu)。

3 測試數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場進行噪聲測試時，被測機組處于正常運行狀態(tài)，測試所得數(shù)據(jù)中包含了機組運行時的所有聲音信號，這里假設(shè)采集到的數(shù)據(jù)中葉片氣動噪聲占主要成分，后續(xù)分析均基于這一假設(shè)條件。數(shù)據(jù)對比分析時，選擇相同風(fēng)速區(qū)間的數(shù)據(jù)進行對比，盡量避免其他因素的干擾，對比數(shù)據(jù)的不同之處僅在于葉片上是否安裝鋸齒降噪結(jié)構(gòu)，故可以認(rèn)為噪聲輻射值的變化效果是由鋸齒降噪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。

測試期間共采集了約3500個10 s數(shù)據(jù)文件，經(jīng)過統(tǒng)計計算得到各規(guī)格化風(fēng)速下的平均A計權(quán)聲壓級，即測點噪聲。如表5所示，表中節(jié)選列出了葉片在加裝鋸齒結(jié)構(gòu)前后，4 m/s～8 m/s風(fēng)速區(qū)間的測點噪聲。其中ΔL(A)為對應(yīng)風(fēng)速下葉片無鋸齒結(jié)構(gòu)時的測點噪聲值減去有鋸齒結(jié)構(gòu)時的測點噪聲值。由表可知，在5 m/s左右的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，鋸齒降噪結(jié)構(gòu)的降噪效果最好，平均降噪幅度達(dá)到5.9 dB；在5 m/s～8 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的增大，鋸齒降噪結(jié)構(gòu)的降噪效果逐漸減弱。對風(fēng)力發(fā)電機組葉片氣動噪聲的控制主要針對額定風(fēng)速以下的風(fēng)速區(qū)間，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以后，葉片的自動變槳策略即可實現(xiàn)噪聲不再增加。

表5 測點噪聲值統(tǒng)計表

進一步計算得到原始聲壓數(shù)據(jù)的等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級1/3倍頻程頻譜，分析20 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)的28個頻帶的能量分布情況，可以從頻域角度對比加裝鋸齒降噪結(jié)構(gòu)前后的降噪效果。

如圖4所示是1/3倍頻程頻譜對應(yīng)的Delta-Lv瀑布圖，其中，Delta-Lv是加裝鋸齒結(jié)構(gòu)前后28個頻帶上A計權(quán)聲壓級的差值。若Delta-Lv＞0，表示葉片在加裝鋸齒結(jié)構(gòu)后測試得到的該頻帶噪聲值有所減弱；若Delta-Lv≤0，則說明該頻帶的噪聲值沒有減小。

從圖4中可以看出，在4 m/s～8 m/s的低風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，28個頻帶均有一定的降噪效果，降噪幅度普遍在2 dB～4 dB左右，局部降噪效果達(dá)到6 dB～8 dB；在8 m/s～12 m/s的高風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，只在200 Hz以下的低頻帶降噪效果比較明顯，其中20 Hz～80 Hz的頻帶內(nèi)降噪幅度達(dá)到4 dB～6 dB，而在中高頻率部分則基本沒有降噪效果。這說明鋸齒降噪結(jié)構(gòu)可明顯減弱風(fēng)力發(fā)電機組在高風(fēng)速區(qū)間運行時的低頻率段葉片氣動噪聲。

圖4 Delta-Lv瀑布圖

4 結(jié)語

（1）現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗證了鋸齒結(jié)構(gòu)尾緣葉片氣動降噪的原理，通過打散葉片后緣邊界層的大渦能夠達(dá)到降低葉片氣動噪聲的效果。

（2）鋸齒形降噪結(jié)構(gòu)在大型風(fēng)力發(fā)電機組機型上的現(xiàn)場實際應(yīng)用取得初步成效，對比安裝降噪結(jié)構(gòu)前后的噪聲值，在5 m/s～6 m/s的風(fēng)速段降噪明顯；進一步頻譜分析表明，在下風(fēng)向水平距離機組135 m遠(yuǎn)測點處的大部分頻段噪聲值可降低2 dB～8 dB。考慮到目前國內(nèi)大部分風(fēng)電場的年平均風(fēng)速基本小于8 m/s，故對于有降噪需求的風(fēng)電場而言，在風(fēng)機葉片上加裝降噪結(jié)構(gòu)不失為一項有效的技術(shù)手段，既可以在一定程度上緩解噪聲擾民的問題，又避免了因投訴停機甚至拆除風(fēng)機而產(chǎn)生的經(jīng)濟損失。

（3）本文的研究結(jié)論可為優(yōu)化現(xiàn)有機型，研制低噪聲輻射的大型風(fēng)力發(fā)電機組提供技術(shù)支持；同時提升產(chǎn)品的國際市場競爭力，幫助國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低噪機型進一步拓展海外市場；因此這項技術(shù)具有很大的推廣價值和應(yīng)用前景。

[1]仇豐，廖琦琛，丁明明，等.風(fēng)電場噪聲預(yù)測模型[J].噪聲與振動控制，2012，32(5)：118-122.

[2]彭若龍，夏博雯，陸金紅.兆瓦級風(fēng)電直驅(qū)型發(fā)電機噪聲控制[J]. 噪聲與振動控制，2015，35(4)：98-100.

[3]孫磊，秦樹人，柏林，等.基于IEC標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力發(fā)電機組聲發(fā)射評估方法[J].中國測試技術(shù)，2008，34(1)：5-9.

[4]劉雄，羅文博.風(fēng)力機翼型氣動噪聲優(yōu)化設(shè)計研究[J].機械工程學(xué)報，2011，47(14)：134-139.

[5]IEC 61400-11.Wind turbine-Part 11:Acoustics noise measurement techniques[S].2012.

[6]許影博，李曉東.鋸齒型翼型尾緣噪聲控制實驗研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報，2012，30(1)：120-124.

[7]賈少紅.風(fēng)電葉片氣動噪聲研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2014.

[8]LIHUA LIU,XUANZHOU.Noise reducer for rotor blade in wind turbine[P].US 2013/0272892A1,Oct.17,2013.

[9]郭峰，李軍向.一種風(fēng)力發(fā)電機葉片用的降噪結(jié)構(gòu)[P].CN.ZL201620945792.4，2017-03-15.