水平軸風力發電機氣動分析與噪聲控制

龔希武，張艷，袁一博

（浙江海洋學院船舶與建筑工程學院，浙江舟山316000）

水平軸風力發電機氣動分析與噪聲控制

龔希武，張艷，袁一博

（浙江海洋學院船舶與建筑工程學院，浙江舟山316000）

本文對水平軸式風力發電機進行了翼型參數的介紹和氣動分析，分析了風力發電機的噪聲來源，并著重對水平軸風力發電機的噪聲控制方法進行了闡述.為風力機葉片的設計及風力機噪聲控制提供技術指導.

風力發電機；翼型；氣動分析；噪聲控制

能源是現代社會和經濟發展的基礎.在常規能源日益匱乏和全球生態環境惡化的雙重壓力下，風能作為最有開發利用前景和技術最成熟的可再生能源之一，已成為了全球能源工業關注的熱點.近幾年，全球新增風電裝機容量的年增長率一直保持在25%左右，我國近三年的風電裝機容量更是達到100%以上的增長速度.

風力發電機組是通過風機葉輪轉動將風能轉換為機械能.因此，了解風機葉輪的氣動特性，并進而設計合理翼型，對于提高風能利用系數和風能利用經濟性具有促進作用.同時，隨著風力發電規模的不斷擴大，風力發電所引起的各種噪聲問題逐漸顯現出來.風力發電場附近的居民對風力發電機組產生大噪聲煩擾的投訴、申告也越來越多，甚至威脅到風電場的正常運營.對于陸上風電來說，降低風力發電機的噪聲是保證風電項目正常實施的前提條件，也是進行風電場選址及風力發電場環境影響評價的重要影響因素，這對于風電產業健康、可持續發展具有十分重要的意義.

1 風力機組成及氣動特性

1.1 風力機分類

依據風機葉輪的結構及其在氣流中的位置，風力機可分為兩大類:水平軸風力機和垂直軸風力機.水平軸風力機葉輪旋轉平面與風向垂直，葉輪圍繞一個水平軸旋轉；垂直軸風力機葉輪圍繞一個垂直軸旋轉.

風力發電機組主要是由葉輪、傳動系統、偏航系統、液壓系統、制動系統、發電機、控制與安全系統、機艙、塔架和基礎等組成.對于水平軸風力機來說，當葉輪旋轉時，其葉尖速比一般可以達到5～7，在這樣的高速下，葉片切割空氣氣流將會產生很大的氣動噪聲.據研究，葉片產生的氣動噪聲近似地與葉尖速度的五次方成正比.而對于垂直軸風力發電機，

其葉尖速比一般為1.5～2，這樣運行狀況下的氣動噪聲很小[1-2].因此，本文主要針對水平軸風力發電機的氣動噪聲進行討論.

1.2 水平軸風力機葉片的翼型參數及氣動分析

水平軸風力機葉片的翼型如圖1所示.葉片沿展向某一位置的截面翼型可以不一樣，中弧線上的點到翼型上表面和下表面具有相等距離，弦線是前緣與后緣的連線，垂直于弦線方向上的葉片上下表面間的距離稱為厚度，中弧線垂直于弦線的最大距離稱為彎度.葉片氣動性能與截面翼型的幾何參數密切相關.

圖1 水平軸風力機葉片翼型的幾何參數

空氣流動時，風力機葉片將會受到空氣的作用力，如圖2所示.空氣在流經葉片時，受葉片形狀的影響與制約，氣流在葉片上表面和下表面的氣流速度并不相同，上表面氣流速度要比下表面的氣流速度更大，這將導致葉片上、下表面所受的空氣動力也不相同，進而葉片上、下表面所受的空氣壓力也不同.下表面的壓力要大于上表面的壓力，這也是導致葉片旋轉的直接推動力.

圖2 葉片在空氣中的氣動受力

根據圖2分析，葉片所受的空氣合力F合可以按照直角坐標系分解為兩個分力之和.一個分力與氣流方向相同，稱為阻力F阻.另一個分力垂直于氣流方向，并推動葉片上升，使風力機有效工作，稱為升力F升.根據空氣動力學理論，阻力與升力與葉片在氣流方向的投影面積S、氣流密度ρ、來流速度V的平方成正比，計算公式如下：

其中，C為葉片總的氣動力系數；Cx為阻力系數；Cy為升力系數.

升力F升是促使風機葉片轉動、風力機正常工作的推動力.因此為了使風電機組提高效率、穩定工作，就需要使風力機葉片在來流作用下得到最大的升力和最小的阻力.近些年，葉片翼型的優化設計理論得到了迅速的發展，大大提高了風力機葉片的氣動性能.

2 水平軸風力機噪聲來源

水平軸風電機組在正常運行中，會產生較大的噪聲，按不同聲源可分為機械結構噪聲和氣動噪聲.

2.1 機械結構噪聲

機械結構噪聲是由于機械部件的運動、相互作用并產生振動而形成的.其中齒輪箱是主要的噪聲源.大型風力機的齒輪箱通過構件傳播的噪聲，可以比通過空氣傳播的噪聲大，達到95dB(A)以上；嚙合的齒輪對或齒輪組，由于互撞和摩擦激起齒輪體的振動，而通過固體結構輻射齒輪噪聲；軸承內相對運動元件之間的摩擦和振動及轉動部件的不平衡或相對運動元件之間的撞擊引起振動輻射產生噪聲；由轉動軸等旋轉機械部件產生周期作用力激發的噪聲；不平衡的電磁力使電機產生電磁振動，并通過固體結構輻射電磁噪聲；通風設備噪聲散熱器、通風機等輔助設備產生的噪聲.

2.2 葉片氣動噪聲

葉片氣動噪聲是由葉片與空氣來流之間相互作用產生，它的大小與風速有關，隨風速增大而增強.葉片氣動噪聲按噪聲生成的機理可以分為低頻噪聲、來流湍流噪聲和翼型自身噪聲三種.

2.2.1 低頻噪聲是由于塔影效應、風剪切效應和尾流效應帶來流速的變化，使葉片與周期性來流相互作用產生的脈動，形成周期性的、頻率為葉片通過頻率的整數倍的離散噪聲.

2.2.2 來流湍流噪聲是一種寬帶噪聲，它是由于葉片與來流湍流相互作用產生渦旋而引起的，來流湍流噪聲與葉片轉速、翼型剖面和湍流強度有關.

2.2.3 翼型自身噪聲是由葉片與穩態來流相互作用形成邊界層與尾流，造成氣流波動而產生.它主要是寬帶噪聲，并由空氣動力本身造成，即使在穩態、無湍流擾動的情況下也會產生.翼型自身噪聲有以下幾種：湍流邊界層尾緣噪聲、層流邊界層脫落渦噪聲、分離流噪聲、鈍尾緣噪聲和葉尖渦噪.

A.湍流邊界層尾緣噪聲在來流作用下，翼型表面發生從層流邊界層到湍流邊界層的轉變，并存在湍流壓力波動.邊界層氣流與翼型尾緣相互作用而產生噪聲.

B.層流邊界層脫落渦噪聲翼型表面邊界層為層流狀態時，尾緣處產生的脫落渦作環形運動時所產生的噪聲.

C.分離流噪聲當來流攻角增加，邊界層湍流會加劇并形成不穩定氣流，在一定條件下將脫離邊界層形成分離流而產生噪聲.

D.鈍尾緣噪聲由于鈍尾緣引起的脫落渦所產生的噪聲.

E.葉尖渦噪聲由葉片尖部的繞流與葉尖和尾緣相互作用所產生的噪聲.

3 水平軸風力機的噪聲控制方法

風力機噪聲的傳播是一個復雜的隨時間和空間變化的過程，它取決于聲源的型式，聲波的擴展，大氣的吸收，地面的吸收與反射，傳播距離以及可能的聲屏障影響.因此，對水平軸風力機噪聲的控制方法需要根據噪聲來源而采取對應的方法.

3.1 機械結構噪聲控制

在風電機組設備的生產制造階段，可以對風力發電設備的各個組成部分，分別進行頻譜分析，由此了解掌握各部件產生噪聲與系統產生噪聲的相關度，對于相關度大的部分可優先采取對應處理措施.此外，運行過程中，對風電機組機械部件結構的噪聲控制主要是減弱風力機、齒輪箱、發電機和液壓系統等傳動軸承機械部件所產生的振動，特別是來自齒輪箱的振動.避免或減少部件的撞擊力、周期力和摩擦力，如可以采取提高加工工藝和安裝精度，保持齒輪和軸承良好的潤滑，以彈性連接代替剛性連接等措施.

另一方面，高阻尼材料能較好地吸收機械部件的振動能，以降低振動噪聲.因此，在機組內部粘貼吸音材料（玻璃棉），進行隔音處理等，可以大大減小風力機的機械噪聲.對風力發電機艙以及隔板等薄板振動件采用表面阻尼處理方法，達到衰減振動，降低結構輻射噪聲，同時隔離機艙內部的噪聲的目的.

3.2 葉片氣動噪聲控制

風電機組的氣動噪聲與風機葉片的幾何參數（葉片寬度、葉片數、直徑等）、運動參數（轉速或葉尖線速度）以及氣動參數（流量、壓力等）均有關聯.在諸多影響因素中，葉尖線速度的影響最大.為控制水平軸風力機組的噪聲，應盡量降低風輪的額定轉速，一般希望風力機葉片尖部的線速度控制在65m/s左右.

其次，選擇合適的葉片型式,也是降低葉片氣動噪聲的方法.事實證明,絕大部分噪聲來自線速度最高的部位——葉尖,因此,葉尖的形狀很大程度決定了噪聲的頻率和強度.一般來說，不等寬的上窄下寬葉片，噪聲頻率較高，干擾大；等寬葉片，噪聲頻率低，干擾??；半圓形葉尖葉片，噪聲最小.但是，不等寬葉片的低風速起動性能好，等寬葉片或葉尖呈方角葉片的風能利用面積大，這是在設計風機葉片葉型時應該權衡考慮的.

采用半經驗公式的翼型自噪聲預測模型和湍動來流噪聲預測模型，對水平軸風力機氣動噪聲進行預測，從而對風力機葉片翼型進行優化設計，并將優化后的翼型運用到葉片設計中.這是近些年來風電學者比較推崇的研究方法[3].大量的研究結果表明：通過噪聲預測并采用優化后葉片翼型所設計出來的葉片在保持氣動性能的同時也體現了更優越的噪聲性能.

最后，單從噪聲衡量，海上風電不受噪聲限制，可采用較高的葉尖速比，使機組轉速適當提高10%～35%，增加了發電量，降低了轉矩、減少了傳動系統的重量和成本.同時，海上風況優于陸地，海上風湍流強度小，具有穩定的主導風向，機組承受的疲勞負荷較低.海上風切變(即風速隨高度的變化)小，因而塔架可以較低.海上風速通常比沿岸陸上高約25%，使用同樣的風力發電機組，年發電量有同等比例的增加.不存在占地和環保方面的問題.因此，發展海上風電也是消除水平軸風力機噪聲影響的一個有效方法.但海上風電的成本較高，風電機組防腐蝕要求更為嚴格，機組設備的制造技術要求更高.這需要在發展風電過程中綜合考慮并選擇.

4 結語

風能作為一種取之不盡、用之不竭的新能源具有良好的應用前景和開發潛力.為盡可能提高水平軸風力機的捕能效率，保證水平軸風力機可持續發展，必須在氣動分析基礎上對水平軸風力機的翼型進行優化設計.同時，為解決或減少目前風電機組噪聲擾民的問題，需要改進機組設備結構，提高部件加工精度，采用阻尼材料降噪，從而減少振動沿結構的傳遞，降低機械結構噪聲.另外，控制葉尖速度，選擇優異翼型，發展海上風電等方法也是減少水平軸風力機氣動噪聲的主要途徑.通過采取各種消聲降噪方法，來降低風電噪聲的危害，將使風能利用更加有益于人們的生產與生活.

〔1〕趙丹平.風力發電機組葉片模型氣動載荷研究[D].內蒙古農業大學，2009.

〔2〕李應龍.水平軸風力機氣動噪聲預測的研究[D].上海交通大學，2010.

〔3〕司海青，王同光.風力機噪聲的預測方法研究[J].空氣動力學學報，2011，29(6)：801-804.

TM315

A

1673-260X（2013）09-0039-03

浙江省科技廳重大科技專項與優先主題項目(2010C11008)，舟山市科技局項目(10243)，浙江海洋學院校級專項項目