鋸齒尾緣在風電機組降噪工程上的應(yīng)用

徐玉龍, 袁曉東, 李必偉, 趙 耀, 紀勝強

(1.中國大唐集團安徽分公司, 安徽 合肥 230088；2.中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗研究院, 安徽 合肥 230088)

0 引言

近年來，我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略持續(xù)推進，伴隨雙碳目標的提出，以風力發(fā)電和太陽能發(fā)電為主的新能源發(fā)電得到了迅速的發(fā)展，截止2020年，我國風電裝機容量已達到28 165萬千瓦，占總裝機容量的12.8%，并網(wǎng)風電4 665億千瓦時，占總發(fā)電量的6.1%，裝機容量和發(fā)電量呈逐年上升趨勢[1]。

盡管風電機組不會帶來常見的氣、水和固態(tài)污染物，但仍會產(chǎn)生以噪聲為主的物理性污染。伴隨著風電機組的快速發(fā)展，風電機組的噪聲問題日益凸顯，噪聲擾民成為很多風電場亟待解決的問題之一。

1 降噪研究

風電機組的噪聲主要分為機械噪聲和氣動噪聲。其中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)；氣動噪聲主要來源為翼型自噪聲，葉片與紊流來流相互作用后，引起氣流波動，進而產(chǎn)生噪聲，葉片氣動噪聲與葉尖速度的5次方成正比[2]。研究表明，風電機組產(chǎn)生的噪聲中讓人感到煩躁的主要是氣動噪聲[3]。

針對氣動噪聲的降噪研究，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了多種降噪技術(shù)[4-8]，其中加裝鋸齒尾緣是一種行之有效且易于實施的技術(shù)。加裝鋸齒尾緣降噪的原理是鋸齒尾緣改變了葉片尾緣處的流場結(jié)構(gòu)，破壞了尾緣后面的渦流，將尾緣邊界層處較大的渦流被打散成較小的渦流，實現(xiàn)降低噪聲的目的。

M.S.Howe[9]研究了鋸齒高寬比對降噪效果的影響，結(jié)果表明，鋸齒的高寬比越小，降噪效果越好。S.Oerlemans等[10]研究了多種降噪措施對風電機組的降噪效果，結(jié)果表明加裝鋸齒尾緣具有更好的降噪效果。M.Gruber等[11]對加裝鋸齒尾緣的翼型進行了實驗研究，結(jié)果表明加裝鋸齒尾緣對中低頻段噪聲具有更好的降噪效果。許影博等人[12]利用風洞試驗研究了鋸齒結(jié)構(gòu)對風機噪聲的降噪效果，結(jié)果表明，鋸齒尾緣是一種可行的降噪方案，尤其對中低頻段的遠場氣動噪聲有比較明顯的降低效果；而且降噪效果與鋸齒的齒數(shù)和齒間倒角有關(guān)。黃乾[13]通過數(shù)值模擬研究了鋸齒尾緣對翼型流場及非穩(wěn)態(tài)特征的影響，認為鋸齒尾緣改變了翼型尾緣附近流動結(jié)構(gòu)，具有抑制翼型音調(diào)噪聲的潛力。陳寶康等[3]研究了鋸齒尾緣在同風速、不同頻率下的降噪效果，結(jié)果表明，鋸齒尾緣在風速為5 m/s時具有最好的降噪效果，對低頻噪聲的降噪效果比較明顯。劉偉江等人[14]利用風洞試驗研究了不同鋸齒的降噪效果，結(jié)果表明鋸齒可明顯降低低頻段噪聲，但一定程度提升了高頻段噪聲。汪瑞欣等人[15]采用脫體渦模擬與聲類比的方法，研究鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)對風機氣動噪聲的影響，結(jié)果表明鋸齒高度對降噪效果具有一定的影響。

2 實驗方案

本文以某風電場加裝鋸齒尾緣的風機為研究對象，開展鋸齒尾緣在大型風電機組降噪工程中的應(yīng)用效果研究。

2.1 風機參數(shù)

本文的研究對象為某風電場2.0 MW風電機組，其主要參數(shù)見表1。

表1 風機參數(shù)

2.2 改造方案

本次改造每個葉片尾緣上增加4種不同的鋸齒，如圖1所示，鋸齒高度分別為80 mm、100 mm、120 mm、160 mm，每組安裝長度分別為3 120 mm、5 000 mm、6 000 mm、5 760 mm，安裝起始位置見表2所示，安裝總長度為19 880 mm，葉片總長度56.5 m，鋸齒結(jié)構(gòu)約占全葉片長度的35.2%。

表2 鋸齒安裝信息 單位:mm

圖1 鋸齒安裝示意圖

2.3 測試方法

本文風機噪聲的測試方法按照GB/T 22516《風力發(fā)電機組噪聲測量方法》的相關(guān)要求開展。測點位于被測風機下風向距離機組R0=H+D/2≈150 m處(H為輪轂高度，D為風輪直徑)，測點位置示意圖見圖2、圖3。

圖2 測點位置示意圖

噪聲測試分為改造前和改造后兩個階段開展，改造前為機組未安裝鋸齒尾緣運行期間，分別測試機組停運期間的背景噪聲和機組正常運行期間的運行噪聲，同時測量風速、頻譜等數(shù)據(jù)。改造后為機組加裝鋸齒尾緣后運行期間，測試內(nèi)容與改造前相同。

3 結(jié)果討論

測試期間機組處于停機或正常運行狀態(tài)，測得數(shù)據(jù)為現(xiàn)場實際采集到的所有聲音信號，在兩次運行噪聲測試期間，風機運行工況基本一致，因此風機冷卻系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)帶來的機械噪聲基本相同，可以認為機械噪聲對改造前后的測試結(jié)果不具有明顯影響，本文不再考慮風機機械噪聲帶來的影響。此外，兩次測試期間的環(huán)境條件(溫度、氣壓、濕度等)基本一致，可以排除環(huán)境條件對測試結(jié)果的影響。

3.1 降噪水平

通過對改造前后風機運行噪聲的測試，并對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，得到不同風速下的平均A計權(quán)聲壓級。所測噪聲值均為風機下風向150 m處測點測得。表3是測試數(shù)據(jù)的匯總表，其中改造前(后)噪聲為機組正常運行狀態(tài)下測得，降噪效果為改造前后的噪聲的差值。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)繪制圖4。

表3 改造前后噪聲水平

圖4 不同風速下改造效果

通過表3和圖4可以看出，在測定風速條件下，加裝鋸齒結(jié)構(gòu)能夠有效降低風電機組的噪聲水平，降噪效果在1.9～4.7 dB(A)之間，平均降噪3.1 dB(A)。

3.2 頻譜分析

為研究此次改造中安裝的鋸齒尾緣對風機葉片噪聲的降噪特性，選取8 m/s風速下改造前后風機噪聲倍頻程頻譜數(shù)據(jù)為研究對象進行分析，結(jié)果見圖5。圖中柱狀圖為改造前后該頻率的噪聲值，線條圖為改造前噪聲值與改造后噪聲值的差值。

從圖5中可以看出，在16～16 000 Hz共11個頻帶內(nèi)，該鋸齒結(jié)構(gòu)對風機噪聲的降噪效果存在一定的差異，在16～4 000 Hz頻帶內(nèi)(中低頻段)均具有降噪效果，在8 000 Hz以上(高頻段)噪聲略有增加。其中在125～2 000 Hz(中頻段)具有明顯降噪結(jié)果，最佳降噪效果為5.5 dB(A)，可見，該鋸齒結(jié)果對風機噪聲的降噪效果主要體現(xiàn)在中頻段。

圖5 改造前后噪聲頻譜圖

4 結(jié)論

通過本次對風機改造前后的噪聲測試，并對噪聲頻譜進行分析，得出以下結(jié)論：

本次改造選用的鋸齒結(jié)構(gòu)對風機葉片的氣動噪聲具有明顯的降噪效果，在5～8.5 m/s風速區(qū)間內(nèi)的降噪效果在1.9～4.7 dB(A)之間，平均降噪3.1 dB(A)。

該鋸齒結(jié)構(gòu)在8 m/s風速下對風機葉片氣動噪聲的降噪主要集中在125～2 000 Hz，最高降噪效果達5.5 dB(A)。