陳寶康，魏煜鋒，張 敏

（明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)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(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)正逐漸成為各能源大國(guó)的主流過(guò)渡替代能源，伴隨風(fēng)電的大力發(fā)展，部分風(fēng)電場(chǎng)在選址時(shí)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)位置離居民區(qū)很近，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲遭到居民投訴，類(lèi)似案例近幾年呈明顯上升趨勢(shì)，噪聲擾民因此成為很多風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主亟待解決的問(wèn)題之一。不同國(guó)家和地區(qū)對(duì)環(huán)境噪聲排放都有明確要求，表1中列出了國(guó)內(nèi)外居民區(qū)允許的環(huán)境噪聲輻射值，可以看出國(guó)外在噪聲標(biāo)準(zhǔn)上的要求均高于國(guó)內(nèi)。已有研究表明，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲輻射主要有：

（1）機(jī)械噪聲：來(lái)源于傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)、偏航系統(tǒng)和冷卻散熱系統(tǒng)；

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

表1 國(guó)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(jī)組作為試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，以鋸齒結(jié)構(gòu)尾緣的葉片翼型為研究對(duì)象，研究鋸齒降噪結(jié)構(gòu)在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片上的應(yīng)用。首先分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試，最后對(duì)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(lái)，諸多學(xué)者對(duì)仿生學(xué)翼型尾緣進(jìn)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(shí)產(chǎn)生的聲音，研究也證實(shí)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(jī)組葉片氣動(dòng)噪聲主要由葉片后緣區(qū)域的渦流產(chǎn)生，這類(lèi)噪聲在頻域上呈現(xiàn)寬頻的特點(diǎn)。葉片氣動(dòng)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(duì)鋸齒形翼型尾緣噪聲控制這一課題，進(jìn)行了平板單元翼型在全消聲風(fēng)洞中的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)在翼型尾緣附加鋸齒的方法降低中低頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，且基本不影響翼型的氣動(dòng)性能。賈少紅[7]采用Howe的理論公式計(jì)算了鋸齒尾緣的降噪效果，通過(guò)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(jí)計(jì)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(guó)外的Polytech，GE，Vestas，Siemens等公司對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片降噪技術(shù)均有較為深入的研究，但未見(jiàn)有關(guān)于鋸齒結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究。圖1中，(a）圖所示是Polytech公司在2016年德國(guó)漢堡國(guó)際風(fēng)能展上展出的葉片降噪結(jié)構(gòu)模型，針對(duì)不同型號(hào)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(jì)的一種后緣安裝了鋸齒結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機(jī)組葉片，鋸齒結(jié)構(gòu)通過(guò)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(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司（下稱“明陽(yáng)智能”）研制的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)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(chǎng)安裝時(shí)使用生產(chǎn)葉片專用的膠水進(jìn)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(guò)理論仿真計(jì)算確認(rèn)合理性，且該結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)專利成果。

2 噪聲測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試流程

測(cè)試使用的噪聲測(cè)試系統(tǒng)由上海其高科技公司基于Lab View平臺(tái)開(kāi)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(jī)主控信號(hào)采集模塊，主要采集風(fēng)機(jī)主控輸出的運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，包括功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、機(jī)艙風(fēng)速和槳距角。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所選擇的某3.0 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guó)外公司的鋸齒結(jié)構(gòu)

圖2 明陽(yáng)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(jī)組基本參數(shù)

表4 試驗(yàn)葉片參數(shù)表

測(cè)試場(chǎng)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)，該地區(qū)屬于荒漠草原，草原植被、建筑物及樹(shù)木稀少，較為空曠。根據(jù)IEC61400-11標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，選擇被測(cè)機(jī)組位于風(fēng)電場(chǎng)的主風(fēng)向上方的邊緣區(qū)域，噪聲測(cè)點(diǎn)位于被測(cè)機(jī)組的下風(fēng)向135 m遠(yuǎn)處，滿足測(cè)點(diǎn)與機(jī)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第1階段：被測(cè)機(jī)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(dòng)；第2階段：與第1階段唯一的區(qū)別在于被測(cè)機(jī)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(gè)單元鋸齒結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度約0.5 m，每根葉片上的安裝長(zhǎng)度約12 m，每根葉片安裝24個(gè)單元鋸齒結(jié)構(gòu)。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)，被測(cè)機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)試所得數(shù)據(jù)中包含了機(jī)組運(yùn)行時(shí)的所有聲音信號(hào)，這里假設(shè)采集到的數(shù)據(jù)中葉片氣動(dòng)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(duì)比分析時(shí)，選擇相同風(fēng)速區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，盡量避免其他因素的干擾，對(duì)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(cè)試期間共采集了約3500個(gè)10 s數(shù)據(jù)文件，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到各規(guī)格化風(fēng)速下的平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，即測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)噪聲。其中ΔL(A)為對(duì)應(yīng)風(fēng)速下葉片無(wú)鋸齒結(jié)構(gòu)時(shí)的測(cè)點(diǎn)噪聲值減去有鋸齒結(jié)構(gòu)時(shí)的測(cè)點(diǎn)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片氣動(dòng)噪聲的控制主要針對(duì)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(dòng)變槳策略即可實(shí)現(xiàn)噪聲不再增加。

表5 測(cè)點(diǎn)噪聲值統(tǒng)計(jì)表

進(jìn)一步計(jì)算得到原始聲壓數(shù)據(jù)的等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3倍頻程頻譜，分析20 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)的28個(gè)頻帶的能量分布情況，可以從頻域角度對(duì)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(duì)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(gè)頻帶上A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的差值。若Delta-Lv＞0，表示葉片在加裝鋸齒結(jié)構(gòu)后測(cè)試得到的該頻帶噪聲值有所減弱；若Delta-Lv≤0，則說(shuō)明該頻帶的噪聲值沒(méi)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(gè)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(méi)有降噪效果。這說(shuō)明鋸齒降噪結(jié)構(gòu)可明顯減弱風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)間運(yùn)行時(shí)的低頻率段葉片氣動(dòng)噪聲。

圖4 Delta-Lv瀑布圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了鋸齒結(jié)構(gòu)尾緣葉片氣動(dòng)降噪的原理，通過(guò)打散葉片后緣邊界層的大渦能夠達(dá)到降低葉片氣動(dòng)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(jī)組機(jī)型上的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用取得初步成效，對(duì)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(jìn)一步頻譜分析表明，在下風(fēng)向水平距離機(jī)組135 m遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)處的大部分頻段噪聲值可降低2 dB～8 dB?？紤]到目前國(guó)內(nèi)大部分風(fēng)電場(chǎng)的年平均風(fēng)速基本小于8 m/s，故對(duì)于有降噪需求的風(fēng)電場(chǎng)而言，在風(fēng)機(jī)葉片上加裝降噪結(jié)構(gòu)不失為一項(xiàng)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(wèn)題，又避免了因投訴停機(jī)甚至拆除風(fēng)機(jī)而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）本文的研究結(jié)論可為優(yōu)化現(xiàn)有機(jī)型，研制低噪聲輻射的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供技術(shù)支持；同時(shí)提升產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，幫助國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低噪機(jī)型進(jìn)一步拓展海外市場(chǎng)；因此這項(xiàng)技術(shù)具有很大的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

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