風(fēng)電工程噪聲測試及控制方法分析

尚偉 陳寶康 劉永強(qiáng)

摘要：風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展帶來的噪聲與環(huán)境的矛盾日益突出，噪聲控制工程尤為重要，噪聲測試與控制技術(shù)相輔相成。以NASA模型為例介紹一種風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪噪聲預(yù)測計(jì)算方法，分析整機(jī)噪聲功率級(jí)預(yù)測方法的應(yīng)用條件并給出整機(jī)噪聲測試方法。針對(duì)不同應(yīng)用場景給出兩種適用于風(fēng)電機(jī)組噪聲傳播衰減計(jì)算方法，指出葉片氣動(dòng)噪聲是風(fēng)電機(jī)組的主要噪聲源，對(duì)比采用鋸齒尾緣和控制策略降噪的優(yōu)缺點(diǎn)，說明風(fēng)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)噪聲特點(diǎn)及噪聲控制方法，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組噪聲控制工程的應(yīng)用有重要意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;噪聲測試;噪聲控制

中圖分類號(hào)：TK83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0304-04

Noise Test and Control Method Analysis of Wind Power Project

Shang Wei，Chen Baokang，Liu Yongqiang

（ Wind Energy Institute，Mingyang Smart Energy Group Co.，Ltd.，Zhongshan，Guangdong 528437，China ）

Abstract：Withtherapiddevelopmentofwindpowerindustry，thecontradictionbetweennoiseandenvironmenthasbecomeincreasinglyprominent.Noise control engineering isparticularly important，and noise testing andcontrol technology complement each other.TakingNASAmodel as an example，a calculation method of wind turbine noise prediction was introduced，the application conditions of the prediction methodof sound power level of the whole machine noise were analyzed，and the test method of the whole machine noise was given.According to differentapplication scenarios，two kinds of noisepropagation attenuation calculation methods for wind turbines wereproposed.It waspointedout thatblade aerodynamic noise was the main noise source of wind turbine，and the advantages and disadvantages of sawtooth trailing edge and controlstrategy werecompared.Thenoisecharacteristicsandnoisecontrolmethodsof windturbinecoolingsystemweredescribed.Itisofgreatsignificance for the application of wind turbine noise control engineering.

Key words：wind turbine;noise test;noise control

0 引言

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量趨于大兆瓦、體積大型化，風(fēng)電機(jī)組排放的噪聲也隨之升高。并且陸上風(fēng)電場工程越來越趨于分散式布置，風(fēng)電機(jī)組距離居民區(qū)越來越近，風(fēng)電機(jī)組的噪聲對(duì)周圍居民的生活影響越來越嚴(yán)重。按照噪聲源類型，風(fēng)電機(jī)組噪聲可分為3種：由于電纜、變電器等設(shè)備在對(duì)電能進(jìn)行傳輸和處理過程中發(fā)出的電磁噪聲;由于機(jī)組相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件如傳動(dòng)裝置、偏航裝置、齒輪箱以及散熱風(fēng)扇等的振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲;由于風(fēng)力機(jī)葉片與空氣相互作用或者是風(fēng)力機(jī)周圍流體自身的湍流運(yùn)動(dòng)引起氣動(dòng)噪聲[1-3]。

從風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)考慮，噪聲和機(jī)組的設(shè)計(jì)尺寸、散熱性能、發(fā)電量等之間存在一定矛盾關(guān)系，在降低噪聲的同時(shí)會(huì)損失機(jī)組運(yùn)行的散熱性能以及發(fā)電量等[3]。風(fēng)電機(jī)組驗(yàn)收規(guī)范中規(guī)定機(jī)組輸出功率的1/3倍額定功率時(shí)排放的噪聲應(yīng)小于或等于110 dB。我國對(duì)居民區(qū)附近允許噪聲排放值是晝間不能超過50 dB，夜間不能超過45 dB，歐洲國家要求更低一些?，F(xiàn)有降噪手段只能在此基礎(chǔ)上降低一定噪聲水平，但是依然很大，降噪工程任重道遠(yuǎn)。噪聲預(yù)測及測試方法作為風(fēng)電機(jī)組噪聲水平評(píng)價(jià)的重要手段，為風(fēng)電場工程前期選址、噪聲控制效果等提供有力的支持。本文主要分析風(fēng)電工程噪聲預(yù)測、測試、傳播計(jì)算及控制方法。一定程度上指導(dǎo)風(fēng)電工程在噪聲控制技術(shù)方面的應(yīng)用。

1 風(fēng)電機(jī)組噪聲確定方法

1.1 風(fēng)輪噪聲預(yù)測

風(fēng)電事業(yè)發(fā)展早期，國外眾多學(xué)者對(duì)風(fēng)電機(jī)組噪聲預(yù)測方法進(jìn)行了大量的研究，如Grosveld計(jì)算模型[4]、基于NASA 的BPM 翼型噪聲計(jì)算模型[5-6]?；贏miet的Glegg，s模型[7-8]、Dunbabin模型[9]、IAG模型[10]、Lowson湍流來流計(jì)算模型[11]等。以NASA模型為例，由于吸入湍流與葉片相遇會(huì)在葉片表面產(chǎn)生隨機(jī)的壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生輻射的隨機(jī)噪聲場，稱為吸入湍流噪聲，可用式（1）表示。由于在湍流邊界層內(nèi)的氣流壓力脈動(dòng)，葉片表面也會(huì)承受氣流的隨機(jī)壓力脈動(dòng)作用。湍流邊界層與葉片后緣相互干涉產(chǎn)生的偶極子聲源為湍流邊界層輻射噪聲的主要聲源，可用式（2）表示。當(dāng)旋渦離開葉片表面時(shí)，圍繞葉片的流動(dòng)環(huán)量發(fā)生變化，在葉片表面誘導(dǎo)處壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生脫落渦噪聲，可用式（3）表示。

將吸入湍流噪聲、湍流邊界層噪聲和脫落渦噪聲疊加后，進(jìn)行A計(jì)權(quán)處理得到總噪聲A聲級(jí)LA ，如式（6）～（8）。

式中：SPLa，1/3 為吸入湍流噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)，dB;f為1/3倍頻程中心頻率，Hz;B 為葉片數(shù)量;φ為風(fēng)輪中心與預(yù)測點(diǎn)連線和葉片轉(zhuǎn)動(dòng)平面間的夾角;ρ為空氣密度，kg/m3;C0.7為0.7倍風(fēng)輪半徑處的葉片弦長，m;R 為風(fēng)輪半徑，m;σ2為平均湍流強(qiáng)度;U0.7為0.7倍風(fēng)輪半徑處的自由層速率;r0為風(fēng)輪中心到預(yù)測點(diǎn)的直線距離，m;c0為聲速，m/s;S 為斯特勞哈爾數(shù)，S =16.6;H 為輪轂高度，m;Ka （f）為與頻率相關(guān)的比率因子，通過測量風(fēng)電機(jī)組吸入湍流噪聲得到;SPLb，1/3為湍流邊界層噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)，dB;U 為自由層速率;Δ為邊界層厚度;L 為葉片單元的翼展;Kb為比例因子，Kb=5.5;D 為指向性因數(shù);θ為聲源與預(yù)測點(diǎn)連線與葉片轉(zhuǎn)動(dòng)平面間的夾角;M 為翼展馬赫數(shù);Mc 為對(duì)流馬赫數(shù)，Mc =0.8M;SPLc 1/3為脫落渦噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)，dB;t 為葉片邊緣厚度;w 為聲源與預(yù)測點(diǎn)連線和葉片轉(zhuǎn)動(dòng)平面水平投影間的夾角;Kc （f）為與頻率相關(guān)的比例因子;ΔA 為A計(jì)權(quán)修正值。

1.2 工程快速預(yù)測

20世紀(jì)90年代，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)大量的工程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，提出風(fēng)電機(jī)組的噪聲與各參數(shù)（如功率、風(fēng)輪直徑、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖線速度等）之間的數(shù)學(xué)系[12]，如式（9）～（11）所示。其中式（9）只考慮了功率與聲功率級(jí)的關(guān)系，式（10）考慮了風(fēng)輪直徑與聲功率的關(guān)系，較為片面，式（11）考慮了葉尖線速度、風(fēng)輪直徑與聲功率級(jí)的關(guān)系，但是隨著機(jī)組的大型化和智能化發(fā)展，早期的預(yù)測公式需加入修正項(xiàng)，并經(jīng)過大量的工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證并修正后使用。

式中：P 為額定功率，kW;D 為風(fēng)輪直徑，m;VTip為葉尖線速度，m/s。

1.3 整機(jī)噪聲測試

GB/T22516中詳細(xì)規(guī)定了風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射的測量、分析和報(bào)告編寫方法，并給出了在每一個(gè)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，每一個(gè)1/3倍頻程帶上的視在聲功率級(jí)由與之對(duì)應(yīng)的在同一個(gè)1/3倍頻程帶上的背景修正聲壓級(jí)計(jì)算得到：

式中：LV，k 為基準(zhǔn)氣象條件下，區(qū)間中心風(fēng)速k處，背景噪聲修正A計(jì)權(quán)聲壓級(jí);R1 為風(fēng)輪中心到傳聲器的直線距離，m;s0為基準(zhǔn)面積，s0 =1 m3。

GB/Z25425中規(guī)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的公稱視在聲功率級(jí)可以由n個(gè)測量結(jié)果來確定，它們是通過對(duì)同一型號(hào)的n臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用同樣的測量方法，每臺(tái)測量一次而得到.n次測量結(jié)果平均值L和標(biāo)準(zhǔn)差s可由下式計(jì)算：

制造偏標(biāo)準(zhǔn)偏差σP可由下式計(jì)算： s

重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差σR的估計(jì)值為0. 9 dB當(dāng)實(shí)際測量獲得的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)有限時(shí)，并且對(duì)于一些情況σR很小時(shí)，可認(rèn)為σP = s用于確定公稱值的標(biāo)準(zhǔn)偏差可參考GB / Z 25425公稱視在聲功率級(jí)可由下式計(jì)算：

公稱視在聲功率級(jí)以LW和K表示的噪聲值來確定K表示置信度，K = 1. 645 σ

2 風(fēng)電機(jī)組噪聲傳播計(jì)算方法

Hagg提出了塔筒到接受者距離處的聲壓級(jí)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[12]，該方法考慮了葉片參數(shù)風(fēng)輪直徑葉尖速度等，加入常系數(shù)，需經(jīng)過大量的工程數(shù)據(jù)修正后使用：

式中：LpA為接受者處聲壓級(jí)，dB （A）;nB為葉片數(shù)量;AB為葉片面積，m3;AR為風(fēng)輪面積，m3;CT 為推力系數(shù);r為機(jī)艙到接受者的距離，m;r0為塔筒到接受者的距離，m;C1 ～C6 為常數(shù)系數(shù)，文獻(xiàn)[11]中給出了具體參考值

GB / T17247. 2 中考慮了環(huán)境對(duì)噪聲的衰減效應(yīng)，給出了風(fēng)電機(jī)組向接受者傳播的噪聲傳播計(jì)算方法，目前該方法被普遍應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組噪聲傳播計(jì)算中：

式中：LW為由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的倍頻程帶聲功率級(jí)，dB;Dc為指向性校正，它描述從點(diǎn)聲源的等效連續(xù)聲壓級(jí)與產(chǎn)生等效聲功率級(jí)的全向點(diǎn)聲源在規(guī)定方向的級(jí)的偏差程度，指向性校正Dc等于點(diǎn)聲源的指向性指數(shù)DI 加上計(jì)及到小于4π球面度立體角內(nèi)的聲傳播指數(shù)Dn，對(duì)于輻射到自由空間的全向點(diǎn)聲源，Dc =0 dB;A div 為幾何發(fā)散引起的衰減;A atm 為大氣吸收引起的衰減;Agr為地面效應(yīng)引起的衰減;Abar為加屏障引起的衰減;Amac為其他多方面效應(yīng)引起的衰減。

3 風(fēng)電機(jī)組噪聲控制方法

3.1 葉片氣動(dòng)噪聲控制

葉片氣動(dòng)噪聲是一種寬頻噪聲，是風(fēng)電機(jī)組最主要的噪聲源，葉片的氣動(dòng)噪聲水平?jīng)Q定了整機(jī)的噪聲水平。目前針對(duì)葉片氣動(dòng)噪聲主要有兩種降噪技術(shù)，一是葉片安裝鋸齒尾緣，該方法對(duì)功率曲線的影響很小，但會(huì)增加整機(jī)各部件載荷。圖1所示為某廠家在葉片安裝的鋸齒尾緣實(shí)物。二是控制策略降噪，這種方法最為有效，但以損失發(fā)電量為代價(jià)，一般采用較少。

目前風(fēng)電機(jī)組制造廠家多采用葉片鋸齒尾緣的方法進(jìn)行噪聲控制，在國際上公認(rèn)的降噪效果是1～3 dB（A ）。鋸齒尾緣的降噪效果依賴于鋸齒設(shè)計(jì)、葉片設(shè)計(jì)、鋸齒的安裝位置等。在不同風(fēng)速段不同頻率下鋸齒尾緣的降噪效果有所區(qū)別。

3.2 冷卻系統(tǒng)噪聲控制

機(jī)組除了葉片氣動(dòng)噪聲外，發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇、塔底變流器冷卻風(fēng)扇、變流器引起的電機(jī)諧波噪聲和發(fā)電機(jī)自身的產(chǎn)生的電磁激勵(lì)噪聲等都可能會(huì)影響整機(jī)噪聲水平[12]。一般來說，這些噪聲都屬于離散頻率噪聲，只會(huì)在特征頻率出現(xiàn)。如果噪聲窄帶頻譜上只有某一個(gè)頻率遠(yuǎn)高于周圍頻率的聲壓級(jí)，根據(jù)IEC61400-11的音調(diào)判斷分析方法可能會(huì)判斷為音調(diào)，但不會(huì)影響整機(jī)聲功率級(jí)。

發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)噪聲主要來自冷卻風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，其噪聲大小主要取決于冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和工作狀態(tài)。冷卻風(fēng)扇工作在不同狀態(tài)產(chǎn)生的噪聲水平不同，對(duì)整機(jī)聲功率級(jí)的影響也不同。冷卻風(fēng)扇的降噪可從設(shè)計(jì)、選型角度，或者根據(jù)冷卻風(fēng)扇的功能和安裝位置采取吸聲降噪材料、聲屏障、隔聲房等。圖2所示為某廠家風(fēng)電機(jī)組的塔底變流器散熱風(fēng)扇隔聲房現(xiàn)場實(shí)物。

4 結(jié)束語

通過總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)文獻(xiàn)研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以NASA 模型為例介紹了風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)噪聲預(yù)測模型計(jì)算方法。從風(fēng)電機(jī)組功率、風(fēng)輪直徑、葉片葉尖速度等參數(shù)考慮給出工程快速預(yù)算方法，鑒于風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品多樣化，建議增加修正項(xiàng)經(jīng)過數(shù)據(jù)修正后使用。給出了風(fēng)電機(jī)組聲功率級(jí)的計(jì)算方法及公稱值的確定公式。從兩種不同考慮角度說明噪聲衰減的計(jì)算方法。風(fēng)電機(jī)組葉片噪聲是風(fēng)電機(jī)組的主要噪聲源，是一種寬頻噪聲，目前流行采用鋸齒尾緣降噪，降噪效果公認(rèn)為1～3 dB。冷卻系統(tǒng)工作在不同狀態(tài)產(chǎn)生的噪聲水平不同，對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)也不同，可根據(jù)冷卻風(fēng)扇的功能和安裝位置采取吸聲降噪材料、聲屏障、隔聲房等進(jìn)行噪聲控制。

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第一作者簡介：尚偉（1994-），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲測試技術(shù)及聲學(xué)優(yōu)化，已發(fā)表論文11篇。

（編輯：王智圣）