風(fēng)電機(jī)組噪聲特性研究

孫萍玲，李學(xué)平，趙海燕，馬孫祺，劉偉江，周民強(qiáng)

1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012 2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012

風(fēng)能作為可再生清潔能源的一種，近幾十年來(lái)得到廣泛的關(guān)注。越來(lái)越多的風(fēng)電機(jī)組建立在風(fēng)資源豐富的地方，而隨著遠(yuǎn)離人煙且資源豐富地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的飽和，分散式風(fēng)電場(chǎng)也逐漸發(fā)展起來(lái)，這類(lèi)風(fēng)電場(chǎng)建立在靠近居民區(qū)的地方，使得風(fēng)電場(chǎng)對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)題尤為突出。風(fēng)電場(chǎng)對(duì)環(huán)境的影響包括噪聲、光影、電磁等，而其中噪聲影響是干擾人民生活的最重要因素，國(guó)標(biāo)中明確規(guī)定了各類(lèi)聲功能區(qū)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)[1]，因此研究風(fēng)電機(jī)組噪聲特性及傳播是其設(shè)計(jì)及大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵[2]。

風(fēng)電機(jī)組噪聲分為機(jī)械噪聲與氣動(dòng)噪聲[3]，機(jī)械噪聲一般集中在機(jī)艙罩內(nèi)，在遠(yuǎn)距離傳播中，機(jī)械噪聲遠(yuǎn)低于氣動(dòng)噪聲，因此這里主要針對(duì)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究。風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)噪聲包括入流湍流噪聲、翼型自噪聲及低頻噪聲[4]。風(fēng)電機(jī)組噪聲的預(yù)測(cè)包括半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ停珺ROOKS等[5]基于大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，提出了預(yù)測(cè)翼型自噪聲的半經(jīng)驗(yàn)BPM模型，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組翼型自噪聲的預(yù)測(cè)，BPM模型是由航空機(jī)型研發(fā)的，因此許多專(zhuān)家學(xué)者基于BPM模型提出了許多修正模型以適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組翼型自噪聲的預(yù)測(cè)[6-8]。由LOWSON改進(jìn)AMIET的研究結(jié)果得到的湍流來(lái)流噪聲的半經(jīng)驗(yàn)公式被廣泛應(yīng)用于湍流來(lái)流噪聲的預(yù)測(cè)[9-10]。然而這些都是基于理論模型來(lái)計(jì)算，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境下機(jī)組噪聲的研究仍較少[11]。

本文以山東某平原風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組為例，研究風(fēng)電機(jī)組噪聲源的頻率分布特性，并與Focus仿真軟件噪聲預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，分析不同風(fēng)速條件下機(jī)組的噪聲變化，進(jìn)一步研究風(fēng)電機(jī)組聲源指向性及衰減特性，為風(fēng)電場(chǎng)的噪聲預(yù)測(cè)及降噪方案的研究提供參考。

1 Focus仿真

Focus仿真軟件噪聲模塊基于BPM理論、AMIET & LOWSON理論計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的翼型自噪聲與湍流來(lái)流噪聲。翼型自噪聲是指來(lái)流非湍流時(shí)，翼型表面由于來(lái)流的作用而輻射的噪聲，湍流來(lái)流噪聲則是當(dāng)來(lái)流為湍流時(shí)誘發(fā)翼型表面成為聲源而輻射的噪聲[12]。Focus仿真得到的機(jī)組噪聲數(shù)據(jù)由湍流來(lái)流噪聲與翼型自噪聲疊加得到。

1.1 BPM模型

BPM模型是由BROOKS、POPE和MARCONLINI對(duì)航空翼型進(jìn)行大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)總結(jié)而來(lái)的，半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸降挠?jì)算結(jié)果與前人的研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，因此被廣泛應(yīng)用于翼型自噪聲的預(yù)測(cè)。BPM模型將翼型自噪聲分為4種，分別為湍流邊界層尾緣噪聲(TBL-TE)、層流邊界層渦脫落噪聲(LBL-VS)、鈍尾緣噪聲(BLN)及葉尖渦噪聲(TIP)。

1.1.1 湍流邊界層尾緣噪聲

湍流邊界層尾緣噪聲是在非湍流來(lái)流時(shí)，來(lái)流與葉片相互作用產(chǎn)生的湍流流過(guò)尾緣時(shí)誘發(fā)的噪聲，其表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

SPLTBL-TE=10lg(100.1SPLp+10SPLs+100.1SPLα)

(1)

式中：SPLp、SPLs和SPLα分別為翼型壓力面聲壓級(jí)、翼型吸力面聲壓級(jí)與分離失速噪聲聲壓級(jí)，其具體表達(dá)式可由文獻(xiàn)[12]查看。

1.1.2 層流邊界層渦脫落噪聲

層流邊界層渦脫落噪聲是由后緣渦脫落與后緣上游邊界層內(nèi)不穩(wěn)定波的反饋循環(huán)形成的[1]，表達(dá)式見(jiàn)式(2)。

(2)

1.1.3 鈍尾緣噪聲

鈍尾緣噪聲是由渦從鈍后緣脫落產(chǎn)生的噪聲，目前鈍尾緣大多應(yīng)用于葉片靠近根部的位置以增強(qiáng)葉片的結(jié)構(gòu)剛度。鈍尾緣噪聲的表達(dá)式見(jiàn)式(3)。

(3)

1.1.4 葉尖渦噪聲

葉尖處壓力面與吸力面的壓力差產(chǎn)生的三維渦向外輻射形成葉尖渦噪聲，其表達(dá)式見(jiàn)式(4)。

30.5(lgSt″+0.3)2+126

(4)

1.2 湍流來(lái)流噪聲

湍流來(lái)流噪聲是由葉片與湍流來(lái)流相互作用而向外輻射的噪聲，其半經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)式(5)。

(5)

(6)

1.3 數(shù)據(jù)的可靠性

Focus軟件輸入?yún)?shù)包括葉片設(shè)計(jì)參數(shù)、整機(jī)參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行控制參數(shù)及機(jī)組所處環(huán)境參數(shù)，輸入?yún)?shù)為所測(cè)試機(jī)組的相關(guān)參數(shù)，保證了仿真數(shù)據(jù)的可靠性。機(jī)組輪轂高度為100 m，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為11 r/min，粗糙長(zhǎng)度由文獻(xiàn)[12]中典型地勢(shì)的粗糙長(zhǎng)度得到，文中為0.1 m，空氣密度為1.128 kg/m3。由于翼型、整機(jī)等參數(shù)涉及保密內(nèi)容，故不列明。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)

2.1 測(cè)試內(nèi)容

為研究風(fēng)電機(jī)組的噪聲特性，測(cè)試內(nèi)容包括機(jī)組噪聲源的監(jiān)測(cè)、聲源指向性測(cè)試及聲衰減測(cè)試。機(jī)組聲源的監(jiān)測(cè)根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)——第11部分：噪聲測(cè)試技術(shù)》(IEC 61400—11)的規(guī)定，在機(jī)組下風(fēng)向±15°誤差區(qū)間內(nèi)布置單個(gè)聲學(xué)傳感器，對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)總噪聲與機(jī)組停機(jī)時(shí)的環(huán)境噪聲進(jìn)行檢測(cè)；聲源指向性測(cè)試使用3個(gè)傳聲器，從機(jī)組位置出發(fā)在機(jī)組上風(fēng)向、下風(fēng)向及側(cè)風(fēng)向與機(jī)組等距離分別放置一個(gè)傳聲器，同時(shí)采集機(jī)組3個(gè)方向的輻射噪聲；聲衰減測(cè)試是在機(jī)組下風(fēng)向，距離機(jī)組300、450、600 m位置處各放置一個(gè)傳聲器進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組噪聲測(cè)試，研究輻射噪聲的衰減情況。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與質(zhì)量保證

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)依據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 噪聲測(cè)量方法》(GB/T 22516—2015)及IEC 61400—11進(jìn)行，并在以下幾個(gè)方面做好數(shù)據(jù)質(zhì)量保證：

1)傳聲器與測(cè)試系統(tǒng)。本文測(cè)試所使用的傳聲器為B&K4189-C-001，該傳聲器頻率響應(yīng)范圍為6.3～20 000 Hz，傳聲器直徑為12.7 mm，符合1級(jí)聲級(jí)計(jì)的要求；在每次測(cè)試前使用B&K4231對(duì)傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)試后進(jìn)行校驗(yàn)，保證傳聲器的測(cè)試準(zhǔn)確性；測(cè)量時(shí)傳聲器置于測(cè)量平板中間，指向風(fēng)電機(jī)組；測(cè)量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊B&K3055、氣象站和相關(guān)輔助設(shè)備，確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)測(cè)點(diǎn)選擇。測(cè)點(diǎn)選擇距離風(fēng)場(chǎng)其他機(jī)組1 km外，按照噪聲的幾何傳播衰減計(jì)算，保證了測(cè)點(diǎn)處由測(cè)試機(jī)組傳播的噪聲比由風(fēng)場(chǎng)中其他機(jī)組傳播到達(dá)測(cè)點(diǎn)的噪聲大6 dB(A)以上。周?chē)鸁o(wú)高大樹(shù)木、建筑物等的影響，在保證機(jī)組聲源測(cè)試的有效范圍內(nèi)，減小測(cè)點(diǎn)與機(jī)組的距離以降低空氣吸收的影響，測(cè)試距離為(H+D/2)m。

3)數(shù)據(jù)采集。在6～12 m/s風(fēng)速區(qū)間進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，以0.5 m/s為間距，每個(gè)風(fēng)速區(qū)間機(jī)組運(yùn)行噪聲測(cè)試及機(jī)組停機(jī)環(huán)境噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)組數(shù)不少于10組，每組數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間為10 s，測(cè)試過(guò)程中對(duì)汽車(chē)通過(guò)等突發(fā)聲源，記錄聲源發(fā)生時(shí)間，剔除相應(yīng)時(shí)間段數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中無(wú)明顯持續(xù)性聲源影響。根據(jù)采集的機(jī)組運(yùn)行總噪聲與停機(jī)環(huán)境噪聲，根據(jù)式(7)計(jì)算得到機(jī)組聲源聲功率級(jí)。

(7)

式中：LWA,i,k為每一個(gè)1/3倍頻程內(nèi)的視在聲功率級(jí)；LV,c,i,k為經(jīng)過(guò)背景噪聲修正后的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)；R1為輪轂中心到接收點(diǎn)的直線(xiàn)距離；基準(zhǔn)面積S0=1 m2。

4)同步機(jī)組信息。測(cè)試過(guò)程中，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括傳聲器采集噪聲數(shù)據(jù)、氣象站10 m高度處風(fēng)速、空氣溫度、氣壓和機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括輪轂高度風(fēng)速、槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速及發(fā)電功率，保證噪聲計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)果與討論

3.1 機(jī)組聲源

由Focus仿真軟件計(jì)算及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到6～12 m/s風(fēng)速區(qū)間內(nèi)機(jī)組噪聲聲功率級(jí)，由于實(shí)測(cè)、仿真各風(fēng)速段噪聲能量分布趨勢(shì)基本一致，這里僅給出仿真與實(shí)測(cè)風(fēng)速為12 m/s條件下機(jī)組噪聲聲功率頻譜分布圖來(lái)加以說(shuō)明，如圖1、圖2所示，如未特別說(shuō)明，文中所述頻譜圖均為1/3倍頻譜圖。從圖1可見(jiàn)，該風(fēng)速下仿真得到風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)噪聲主要集中在200～3 150 Hz的低頻段與中頻段，低頻段隨著頻率的增加其聲功率緩慢上升，經(jīng)過(guò)最高值后，隨著頻率的增高聲功率級(jí)下降。實(shí)測(cè)機(jī)組噪聲分布及變化規(guī)律與仿真結(jié)果基本一致。

圖1 12 m/s來(lái)流風(fēng)速下機(jī)組輻射噪聲1/3倍頻程分布圖(仿真)Fig.1 Distribution diagram of 1/3 octave of wind turbine noiseat 12 m/s incoming wind speed (Simulation)

圖2 12 m/s來(lái)流風(fēng)速下機(jī)組輻射噪聲1/3倍頻程分布圖(實(shí)測(cè))Fig.2 Distribution diagram of 1/3 octave of wind turbine noiseat 12 m/s incoming wind speed (Measured)

對(duì)比不同風(fēng)速下機(jī)組等效聲功率級(jí)的仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示。機(jī)組聲功率級(jí)隨著風(fēng)速的增大而增高，在9 m/s時(shí)達(dá)到最大，風(fēng)速大于9 m/s后，聲功率級(jí)隨著風(fēng)速的增大趨于平穩(wěn)，此時(shí)風(fēng)輪達(dá)到額定轉(zhuǎn)速(表1)；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)升高時(shí)，控制系統(tǒng)觸發(fā)變槳機(jī)制，使風(fēng)輪保持在額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，由此可知，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速是影響機(jī)組等效聲功率級(jí)的最主要因素。整個(gè)風(fēng)速區(qū)間，實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合，但是在6 m/s時(shí)噪聲功率級(jí)差異較大，將近3 dB(A)，是由于測(cè)試過(guò)程中，6 m/s風(fēng)速條件下的背景噪聲沒(méi)有監(jiān)測(cè)到，未對(duì)該風(fēng)速段測(cè)量的噪聲聲功率級(jí)進(jìn)行背景噪聲校正。

圖3 仿真與實(shí)測(cè)的機(jī)組噪聲聲功率級(jí)隨風(fēng)速的變化曲線(xiàn)Fig.3 Variation curve of simulated andmeasured wind turbine noisewith wind speed

分析不同風(fēng)速條件下環(huán)境噪聲聲功率級(jí)，對(duì)6 m/s條件下機(jī)組的噪聲進(jìn)行校正，從圖4可見(jiàn)，環(huán)境噪聲在不同的風(fēng)速條件下基本不變，由此可將其他風(fēng)速區(qū)間測(cè)試得到的背景噪聲應(yīng)用于6 m/s來(lái)流風(fēng)速機(jī)組的噪聲進(jìn)行校正。校正前后的聲功率級(jí)如圖5所示，可見(jiàn)低中頻段校正后的聲功率級(jí)明顯比校正前小，個(gè)別頻段差值可達(dá)7 dB(A)。圖中頻段僅畫(huà)到3 150 Hz，原因在于測(cè)試的過(guò)程中，高頻段機(jī)組運(yùn)行測(cè)試總噪聲與環(huán)境噪聲差值小于3 dB(A)，根據(jù)IEC 61400—11測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，未將高頻段聲功率級(jí)計(jì)入發(fā)電機(jī)組噪聲。因高頻段噪聲能量對(duì)機(jī)組總聲功率級(jí)的影響較小，因此測(cè)試的總聲功率級(jí)仍具有可信度。校正后各風(fēng)速條件下噪聲仿真與實(shí)測(cè)值如表2所示，兩者隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)一致，誤差在1 dB(A)以?xún)?nèi)。

表1 不同風(fēng)速下機(jī)組運(yùn)行狀況(實(shí)測(cè))Table 1 Operation conditions of wind turbine atdifferent wind speeds (Measured)

圖4 不同風(fēng)速下環(huán)境噪聲頻域分布圖(實(shí)測(cè))Fig.4 Frequency domain distribution map ofenvironmental noise at differentwind speeds (Measured)

表2 不同風(fēng)速條件下仿真與實(shí)測(cè)的機(jī)組聲功率級(jí)Table 2 Simulated and measured wind turbinenoise at different wind speeds

分析各風(fēng)速條件下機(jī)組噪聲的頻譜分布，從圖6、圖7可見(jiàn)，在風(fēng)速小于或等于9 m/s時(shí)，F(xiàn)ocus仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在各頻段內(nèi)的聲功率級(jí)均隨著風(fēng)速的增高而增大，聲功率級(jí)隨著頻率增大而增強(qiáng)，在315 Hz達(dá)到最大值，而后隨著頻率增大而降低；當(dāng)風(fēng)速大于9 m/s時(shí)，總聲功率級(jí)趨于平穩(wěn)，不再隨著風(fēng)速的增加而增大，雖仍在315 Hz頻帶有局部峰值，但頻段聲功率最大值向高頻方向移動(dòng)；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在2 000 Hz出現(xiàn)局部峰值，該現(xiàn)象在6 m/s風(fēng)速下也出現(xiàn)了，而仿真結(jié)果中沒(méi)有出現(xiàn)該峰值點(diǎn)，原因可能是在環(huán)境因素影響下風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中渦脫落噪聲在該風(fēng)速段內(nèi)較大所致。

對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中聲功率最大值出現(xiàn)的1/3倍頻帶與聲功率級(jí)如表3所示?？梢?jiàn)聲功率最大值出現(xiàn)的頻帶隨著風(fēng)速增大向高頻方向移動(dòng)，未到風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速前，其聲功率峰值的變化與風(fēng)速正相關(guān)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，聲功率級(jí)最大值維持穩(wěn)定，仿真與實(shí)測(cè)的變化趨勢(shì)基本一致。

圖6 不同風(fēng)速噪聲聲功率分布圖(仿真)Fig.6 Noise power distribution diagram atdifferent wind speeds (Simulation)

圖7 不同風(fēng)速噪聲聲功率分布圖(實(shí)測(cè))Fig.7 Noise power distribution diagram atdifferent wind speeds (Measured)

表3 不同風(fēng)速下仿真與實(shí)測(cè)的機(jī)組聲功率級(jí)峰值對(duì)應(yīng)的頻帶與數(shù)值Table 3 Frequency band and value correspondingto the max noise of simulated and measured windturbine under different wind speeds

3.2 聲源指向性與衰減

在機(jī)組額定風(fēng)速下研究距離塔筒中心相同距離(H+D/2)的上風(fēng)向、下風(fēng)向、葉片旋轉(zhuǎn)面測(cè)得的聲功率級(jí)，測(cè)試結(jié)果如圖8，機(jī)組下風(fēng)向的噪聲最大，葉片旋轉(zhuǎn)平面噪聲最小，上風(fēng)向噪聲略小于下風(fēng)向，可知風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的噪聲并不是呈球面均勻散射，而是類(lèi)似于偶極子的散射，與前人研究結(jié)論一致[13]。

圖8 測(cè)試周期內(nèi)，置于與機(jī)組等距、不同方位的傳聲器測(cè)量的噪聲聲功率級(jí)對(duì)比圖(實(shí)測(cè))Fig.8 Comparison chart of noise powerlevel measured by microphones that areequidistant from the wind turbineand in different directions duringthe test cycle (Measured)

對(duì)比機(jī)組下風(fēng)向距離機(jī)組不同位置傳聲器采集的聲功率級(jí)，并與《戶(hù)外聲傳播衰減》(ISO 9613—2)所建立的噪聲傳播模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示，噪聲隨著距離的增大而減小，實(shí)測(cè)值與仿真預(yù)測(cè)趨勢(shì)一致，誤差在0.8 dB(A)以?xún)?nèi)。

圖9 距機(jī)組不同距離位置的聲功率仿真與實(shí)測(cè)值Fig.9 Noise simulation and measured valueat different distances from the wind turbine

4 結(jié)論

對(duì)某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組噪聲特性進(jìn)行仿真與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，由Focus仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性，得到如下結(jié)論。

1)風(fēng)電機(jī)組噪聲聲功率級(jí)隨著頻率的增高呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)。

2)在達(dá)到額定風(fēng)速之前，風(fēng)電機(jī)組噪聲聲功率級(jí)隨著風(fēng)速的增大而增高，達(dá)到額定風(fēng)速之后，聲功率級(jí)趨于平穩(wěn)，隨著風(fēng)速的增大聲源能量峰值向高頻方向移動(dòng)。

3)風(fēng)電機(jī)組噪聲聲功率最大值對(duì)應(yīng)的頻帶隨著風(fēng)速增大向高頻方向移動(dòng)，未到風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速前，機(jī)組噪聲1/3倍頻譜聲功率峰值的變化與風(fēng)速正相關(guān)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，聲功率級(jí)最大值維持穩(wěn)定。

4)風(fēng)電機(jī)組聲源存在指向性，下風(fēng)向聲功率級(jí)最高，上風(fēng)向噪聲略小于下風(fēng)向，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面噪聲最低。

5)噪聲隨著距離的增加而迅速降低，其衰減規(guī)律可依據(jù)ISO 9613—2進(jìn)行探究與修正。

由于符合標(biāo)準(zhǔn)的傳聲器數(shù)量有限，機(jī)組聲源指向性與衰減特性?xún)H布置了3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，若要了解機(jī)組全方位指向性，需使用更多的傳聲器進(jìn)行測(cè)試。文章研究的風(fēng)電機(jī)組噪聲特性可為風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)提供參考，聲源頻譜特性的分析可指導(dǎo)相關(guān)降噪措施的研究。