風(fēng)電機(jī)組葉片降噪研究﹡

文／李海濤 張錦南 郭輝 趙大文

風(fēng)電機(jī)組葉片降噪研究﹡

文／李海濤 張錦南 郭輝 趙大文

風(fēng)能作為解決常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題的一種清潔可再生能源，已成為各國(guó)能源工業(yè)關(guān)注和發(fā)展的熱點(diǎn)。風(fēng)能的利用能減少化石能源的消耗，間接減輕了大氣污染和水污染，但處理不當(dāng)則會(huì)增加噪聲污染。隨著我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量和國(guó)產(chǎn)化程度的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組的噪聲問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，干擾人們的工作和生活。因此，風(fēng)電機(jī)組的噪聲控制非常必要，如果不認(rèn)真研究解決，可能會(huì)成為制約我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)障礙。本文首先對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片降噪相關(guān)的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利和研究標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，然后對(duì)風(fēng)電機(jī)組的重要部件葉片進(jìn)行噪聲機(jī)理和控制技術(shù)分析，并從葉片設(shè)計(jì)方面闡述若干種可行的降噪措施和方法。

葉片降噪專(zhuān)利簡(jiǎn)析和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在風(fēng)電機(jī)組噪聲研究領(lǐng)域，國(guó)外起步較早。目前國(guó)外幾大風(fēng)電巨頭已申報(bào)了大量專(zhuān)利。表1列舉了最近幾年關(guān)于葉片降噪的部分美國(guó)專(zhuān)利。從表中可以看出專(zhuān)利申請(qǐng)人涵蓋了全球幾大風(fēng)電巨頭。專(zhuān)利涉及的發(fā)明內(nèi)容多以通過(guò)附加的組件改變?nèi)~片渦流，進(jìn)而達(dá)到降噪的目的。

表2匯總了國(guó)內(nèi)申報(bào)的大型機(jī)組葉片降噪發(fā)明專(zhuān)利（由于檢索的局限性，有可能未能涵蓋全部專(zhuān)利）。可以看出，這些專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)間均較晚，除一項(xiàng)已獲授權(quán)外，其余均未授權(quán)。從專(zhuān)利申請(qǐng)人看，尚無(wú)國(guó)內(nèi)風(fēng)電龍頭的身影。8項(xiàng)專(zhuān)利中有7項(xiàng)與后緣鋸齒有關(guān)，顯示這一領(lǐng)域的研究比較深入，業(yè)內(nèi)對(duì)其降噪效果也比較樂(lè)觀。表3列出了研究風(fēng)電機(jī)組噪聲的常用標(biāo)準(zhǔn)，供參考。

噪聲分析

風(fēng)電機(jī)組在工作過(guò)程中受到風(fēng)及機(jī)械部件激勵(lì)作用（機(jī)艙內(nèi)部的電機(jī)、齒輪箱、軸承等主要機(jī)械部件在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中相互碰撞摩擦產(chǎn)生振動(dòng)）會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。風(fēng)電葉片的噪聲源主要為風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)引起葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。

表1 涉及葉片降噪的部分美國(guó)專(zhuān)利

一、 結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲

葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲是葉片與空氣產(chǎn)生摩擦或沖擊及旋轉(zhuǎn)過(guò)程中作用在葉片上的重力等因素，引起葉片在擺振和揮舞方向發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)及彎扭組合振動(dòng)的噪音。

二、空氣動(dòng)力噪聲

葉片空氣動(dòng)力噪聲是由于氣體非穩(wěn)定流動(dòng)，即氣流的擾動(dòng)，氣體與氣體及氣體與物體相互作用而產(chǎn)生的噪聲，按產(chǎn)生機(jī)理可分為旋轉(zhuǎn)噪聲（氣壓脈動(dòng)）和渦流噪聲（紊流噪聲）。

（1）旋轉(zhuǎn)噪聲是葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)不斷擊打空氣，引起周?chē)鷼怏w的壓力脈動(dòng)造成氣流很大的不均勻性，從而向周?chē)椛湓肼暋?/p>

（2）渦流噪聲又稱(chēng)為紊流噪聲。它主要是氣流流經(jīng)葉片界面產(chǎn)生分裂時(shí)，形成附面層及漩渦分裂脫離從而引起的一種非穩(wěn)定流動(dòng)噪聲。

表3 風(fēng)電機(jī)組噪聲的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

葉片降噪技術(shù)

工程噪聲的控制一般從三個(gè)角度考慮：一是從減少噪聲聲源著手；二是從噪聲的傳播途徑著手，進(jìn)行隔聲處理和吸聲處理降低噪聲；三是從噪聲接收者著手，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

表2 國(guó)內(nèi)葉片降噪的發(fā)明專(zhuān)利

葉片振動(dòng)噪聲和空氣動(dòng)力噪聲的產(chǎn)生與風(fēng)輪葉片相關(guān)，隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展和大型兆瓦級(jí)葉片的應(yīng)用，這部分噪音變成一個(gè)日益重要的CTQ（關(guān)鍵質(zhì)量特性），制約著葉片設(shè)計(jì)的效率和產(chǎn)量。因此，從葉片方面想辦法降噪有很大的研究和應(yīng)用前景，主要從葉片的外形、翼型、結(jié)構(gòu)及材料等方面進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)可行的措施來(lái)降低噪聲。

一、改變?nèi)~片表面渦流降噪

在葉片表面和邊緣設(shè)置凹凸、條紋、鱗片等非平滑的形態(tài)，這些結(jié)構(gòu)通常被稱(chēng)為“渦流發(fā)生器”（vortex generator），如圖1 所示。研究表明，葉片表面和邊緣的非光滑形態(tài)仿生設(shè)計(jì)，減少翼型表面紊流附面層壓力脈動(dòng)及葉片前緣對(duì)空氣的沖擊噪聲。同時(shí)原葉片表面產(chǎn)生的大渦流轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)數(shù)微小湍流并使附面層渦流群趨向有序化，延緩翼型后部渦流分離脫落。這將導(dǎo)致葉片產(chǎn)生更大的升力，以及微小湍流產(chǎn)生的噪聲能夠快速衰減，有效降低氣流流經(jīng)前后翼型表面時(shí)翼型間的擾流作用,減小渦流脈動(dòng)噪聲和尾緣渦流脫離噪聲。

圖1顯示的是葉片表面粘貼的凹凸不平的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可粘貼在葉片的吸力面和壓力面。圖2顯示的是三角形的渦流發(fā)生器，該渦流發(fā)生器的大小、形狀和安裝角度在不同的區(qū)域可以不一致。這種渦流發(fā)生器一般設(shè)置在葉片的壓力面及葉片根部和后緣。

二、改變?nèi)~片后緣渦流降噪

翼型湍流邊界層與尾緣相互作用產(chǎn)生的尾緣噪聲是翼型自噪聲的最主要分量，多年來(lái)研究者們已經(jīng)在理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方面開(kāi)展了多方面研究，但有關(guān)翼型尾緣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法仍有待深化與發(fā)展。尾緣齒形結(jié)構(gòu)的氣流噪聲控制機(jī)理研究表明，葉片尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以改變各截面尾跡渦的脫落位置，從而增大了渦心之間的距離，抑制了脫落渦對(duì)尾跡流動(dòng)的擾動(dòng)，進(jìn)而減小了葉片表面的非定常壓力脈動(dòng)和尾跡渦引起的氣動(dòng)噪聲。如圖3－5，對(duì)葉片后緣全部或靠近葉尖部分進(jìn)行鋸齒形設(shè)計(jì)，采用切割葉片后緣或?qū)缶壐郊愉忼X是一種可行的降噪方案，尤其對(duì)中低頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲有比較明顯的降低效果；另外附加鋸齒對(duì)翼型壁面動(dòng)態(tài)載荷的影響較小，基本不影響翼型的氣動(dòng)性能。

三、改變?nèi)~尖渦流降噪

葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于葉尖壓力面和吸力面的壓力差，導(dǎo)致壓力面氣流繞過(guò)葉尖端面流入吸力面，既破壞了葉尖二維流動(dòng)情況，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生葉尖渦。這種情況廣泛存在于風(fēng)電機(jī)組葉片和飛機(jī)機(jī)翼工作中，通過(guò)對(duì)葉尖渦強(qiáng)度和控制方法的研究表明，葉尖渦是風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力噪聲的主要來(lái)源之一，如圖6－8，在葉片尖部安裝“小翼”（winglets）和襟翼（flaps或gurney flaps）是比較可行的降噪方法。葉尖“小翼”能夠抑制擾流和旋渦的產(chǎn)生，襟翼通過(guò)優(yōu)化形狀和安裝角度可以來(lái)捕捉和引導(dǎo)渦旋氣流，削弱其漩渦強(qiáng)度，提高葉片氣動(dòng)性能，降低運(yùn)行噪聲。

圖1 葉片表面凹凸設(shè)計(jì) 圖2 三角形渦流發(fā)生器

圖3 葉片后緣鋸齒設(shè)計(jì)

圖4 西門(mén)子Dino-Tails?鋸齒狀后緣

圖5 鋸齒形后緣安裝在葉片上的情形

四、 阻尼減震降噪

阻尼減振降噪技術(shù)是利用阻尼材料的特性以及阻尼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，耗散結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)能量，來(lái)達(dá)到減振降噪的目的。阻尼減振技術(shù)近年來(lái)在新材料的研制以及應(yīng)用技術(shù)方面得到了迅速的發(fā)展，尤其在航空航天、汽車(chē)家電、儀器儀表、建筑業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在的葉片大多采用空腹薄壁結(jié)構(gòu)，可以在振動(dòng)比較厲害的葉片中后端到葉尖部分的殼體內(nèi)部進(jìn)行部分和全部的自由阻尼處理，比如填充貼附阻尼材料，通過(guò)振動(dòng)波與阻尼材料或阻尼結(jié)構(gòu)的相互作用消耗能量，使葉片振動(dòng)衰減，降低噪聲。

五、改變?nèi)~片外形弦長(zhǎng)設(shè)計(jì)降噪

在一款葉片設(shè)計(jì)中，在不影響其他性能的前提下，可適當(dāng)降低葉根段的弦長(zhǎng)。另一方面，風(fēng)輪產(chǎn)生的噪音往往隨葉尖弦的增加而提高，為降低噪音，也可適度降低葉尖弦長(zhǎng)。為了保證風(fēng)輪的功率不下降，適度加大葉片從中部到中后部區(qū)域，主要是0.5到0.8的葉片長(zhǎng)度的弦長(zhǎng)。

六、 采用先進(jìn)翼型葉片降噪

現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組葉片采用的大多是由美國(guó)宇航局的NACA系列翼型族。針對(duì)葉片展向各處對(duì)翼型設(shè)計(jì)的不同要求，基于翼型氣動(dòng)性能及噪聲預(yù)測(cè)理論,以多攻角范圍內(nèi)翼型最大風(fēng)能利用系數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)葉片專(zhuān)用翼型。比如，荷蘭的Du系列翼型，丹麥的RisΦ－A1、RisΦ－P、RisΦ－B1翼型，瑞典航空研究院FFAW1、W2、W3系列及美國(guó)新能源實(shí)驗(yàn)室NREL S系列翼型等。這些專(zhuān)用翼型的應(yīng)用都會(huì)大大的改善風(fēng)電機(jī)組的效率和降低噪聲。

七、 限制葉尖線速度降噪

一般來(lái)說(shuō)，葉片氣動(dòng)噪聲與葉尖線速度的5次方成正比。在葉片設(shè)計(jì)時(shí)，需權(quán)衡葉片長(zhǎng)度與額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系。對(duì)于成熟型號(hào)的葉片，必要時(shí)也可以通過(guò)降低額定轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到降噪的目的。不過(guò)一般會(huì)損失一定的發(fā)電量。目前已有部分主機(jī)廠能提供降低轉(zhuǎn)速來(lái)降低噪聲的運(yùn)行模式供客戶(hù)選擇。

圖6 安裝在葉尖的小翼 圖7 小翼的四種樣式

圖8 安裝在葉片上的襟翼

結(jié)語(yǔ)

葉片降噪設(shè)計(jì)對(duì)降低風(fēng)電機(jī)組噪聲污染、提高風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能、延長(zhǎng)使用壽命有重要意義。處理葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲和空氣動(dòng)力噪聲，可通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的頻率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，改用先進(jìn)的翼型和外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，在葉片上使用附加組件，如安裝葉尖小翼、擾流器或后緣鋸齒等改善氣動(dòng)效果，減低噪聲的產(chǎn)生。另外，阻尼減振降噪控制和噪聲傳播中的隔聲降噪控制可作為風(fēng)電機(jī)組噪聲治理的重要輔助手段，增強(qiáng)降噪效果。

(作者單位：李海濤、張錦南、郭輝：上海玻璃鋼研究院有限公司；趙大文：上海電氣風(fēng)能有限公司)

上海市科委《風(fēng)電葉片降噪技術(shù)、耐磨蝕涂層技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》（課題編號(hào)：13DZ0511300）