司海青，王同光，吳曉軍

（1.南京航空航天大學 民航／飛行學院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016；3.中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

隨著風能的全球普遍發展，用以產生風能的風力機可能會接近于人口密集區域，因而風力機產生的噪聲［1］問題已經引起了世界各國的普遍關注，美國的可再生能源實驗室、NASA的Langley研究中心，荷蘭的國家航空實驗室，英國的風能協會等都對風力機的噪聲問題進行了大量研究。目前，我國關于風力機噪聲方面的研究工作比較少。因此，快速、準確地預測風力機產生的噪聲［2－4］是一個重要課題，這可以為風力機設計和制造提供支持，從而有助于風力機降噪技術的研究。

尋求高效、低噪聲風力機一直是人們追求的目標。風力機噪聲包括了機械噪聲和氣動噪聲。機械噪聲在過去的幾十年里因得到了廣泛關注而顯著降低，因而進一步降低風力機噪聲的核心就是如何降低占主導地位的氣動噪聲。風力機氣動噪聲是由入流風輪擾動、塔架擾動、葉尖渦流、葉片后緣分離及邊界層分離等引發。噪聲不僅引起環境污染，還會造成結構的疲勞和破壞。目前，低噪聲已經成為風力機不可或缺的關鍵技術指標之一。

依據風力機產生的噪聲機理［5］，Brooks，Pope及Marcolini［6］給出了反映風力機葉片翼型自激勵噪聲的五種半經驗關系的數學描述，這些關系是基于NACA0012翼型的二維風洞測量數據得到的（葉尖渦形成噪聲除外）。在模型中，將二維計算結果作為輸入，Lowson和Fiddes［7］研究了模型中所用到的邊界層厚度。Wagner等人［8］利用渦格子方法計算整個流場，運用XFOIL程序［9］計算當地的邊界層參數。Patrick J.Moriarty等人［10］研究一種改進的半經驗預測方法，并用于風力機的噪聲預估。Arakawa等人［11］，研究了葉尖渦噪聲產生機理，及其降噪方法。基于噪聲產生機理，Wei－Jun Zhu等人［12］研究了半經驗預測模型，提高了預測翼尖渦形成噪聲的準確性。借助于計算流體力學和計算氣動聲學的研究，采用求解N－S方程和聲傳播方程的混合方法數值模擬風力機產生的噪聲，其計算成本較大，還不適用于風力機的快速設計。

基于本文作者目前現有的半經驗預測模型［13］，將在該模型中加入葉尖損失修正方法，更好地提高預測葉尖區域的渦脫落噪聲能力，然后，運用發展的模型，研究各種氣動參數對風力機噪聲的影響，為低噪聲風力機設計提供快速、有效的技術，以便更好的應用于設計中。

1 風力機噪聲預估模型

在本文作者目前現有的半經驗預測模型［13］中，風力機產生的噪聲機理主要分為兩類［5］：1）湍流入流噪聲，它是風力機葉片和吹向它的湍流相互作用產生的；2）風力機葉片翼型自激勵產生的噪聲，它是由葉片翼型邊界層和近尾跡內的氣流和翼型本身作用產生的，這些噪聲主要源自翼型的后緣，主要包括：a）湍流邊界層后緣噪聲；b）氣流分離失速產生的噪聲；c）層流邊界層渦脫落產生的噪聲；d）葉尖渦形成產生的噪聲；e）后緣鈍厚度導致渦脫落產生的噪聲。這些描述各種噪聲的數學表達式可以參閱文獻［13］。

針對葉片產生的噪聲，計算方法［13］如下：將風力機葉片沿著展向非均勻地劃分出一些葉素，然后，將翼型產生噪聲的模型應用到每個葉素上，在每個葉素上，相對速度和當地馬赫數是由葉素—動量方法求得，邊界層參數可由XFOIL程序計算得到，最后，再將各葉素上的噪聲源進行疊加，從而計算出整個風力機的聲壓級或聲功率級。

為準確地模擬葉尖渦噪聲，需要考慮三維葉尖損失，在葉尖區域采用一種新的葉尖損失修正模型［14］，在這個模型中，需要給定一個函數F來修正葉尖區域的二維翼型氣動數據，該函數表達式［14］為：

其中，B為葉片數目，R為葉尖半徑，r為當地葉片半徑，φ為當地相對速度與旋轉平面的夾角，系數g的表達式［10］為：

其中，λ為葉尖速度比。

2 參數對風力機噪聲的影響

以3葉片，上風失速控制的Bonus300kW風力機為例，其基本參數如下：旋轉半徑為15.5m，塔架高度為31m，旋轉角速度為35.2rpm，葉尖槳距角為－1°，后緣厚度為弦長的0.5%，風速為8m／s，旋轉的初始狀態為θwing＝0°，θcone＝0°，θtilt＝0°，θyaw＝0°。運用文獻［13］中噪聲模型計算該風力機產生的噪聲，重點研究葉片翼型、葉尖槳距角、旋轉角速度及后緣厚度對風力機噪聲的影響規律。

2.1 葉片翼型的選取

眾所周知，葉片翼型的選取對風力機的氣動特性起著決定性重要作用，顯然，它對風力機噪聲影響也是很大，為研究葉片翼型的選取對風力機噪聲的影響，本文給出了不同情況下（見下表1：Case 1－5）的翼型組合。針對風力機葉片的三個重要區域，即葉尖、葉片中部以及葉片根部區域，分別采用不同翼型，來計算A－加權的聲功率級變化。圖1給出5種不同情況的A－加權聲功率隨頻率的變化曲線。由圖1可知，在Case1、2、4情況下計算得到的變化曲線類似，這說明，同系列翼型的相對彎度、相對厚度對噪聲級的影響不是很大；而在Case3情況下，FFAW3系列翼型產生的噪聲略高于NACA63系列；針對Case5情況計算得到的噪聲級明顯高于其它幾種情況（特別是在高頻情況下），這也說明，葉片根部、中間部分、尖部的翼型選取對氣動噪聲影響較大，尤其是葉尖區域。由表2可以看出，Case1、2、4情況下的A加權的總聲壓級和總聲功率級的大小處于同一量級，Case3、5情況下的大小也處于同一量級，而且后者略高于前者。

表1 翼型系列Table 1 Airfoil series

圖1 不同翼型系列的噪聲譜Fig.1 Noise spectral of the different airfoil series

表2 不同翼型系列對應的總噪聲級Table 2 Total noise level of the different airfoil series

2.2 葉尖槳距角

以Case1中翼型系列為例（以下研究均采用這種翼型系列），來研究不同的葉尖槳距角對這種風力機噪聲的影響。目前，風力機設計中均采用可控制的葉尖槳距角，因而研究這種影響是有意義的。圖2給出了葉尖槳距角分別為－3°、－2°、－1°、0°、1°、2°、3°所對應的噪聲譜。由圖2，可以看出，在頻率小于200或者大于4000的區域，不同槳距角計算的A－加權聲功率級之間的差別不是很大；而主要差別在于頻率200～4000Hz這個區域，而這個頻率區域恰好是后緣噪聲和分離失速噪聲所對應的頻率階段，因此，葉尖槳距角的大小可以有效控制這兩種噪聲的產生。表3給出了不同角度對應的A加權總聲壓級和A加權總聲功率級的大小。由表可知，在葉片尖部區域，槳距角由－3°增加到0°，總聲壓級和聲功率級是逐漸減小的；相反，槳距角由0°增加到3°，總聲壓級和聲功率級是逐漸增加的，因此，葉尖槳距角為0°、1°時得到的噪聲級相對較小，這兩個角度是最優的選擇。

表3 不同葉尖槳距角對應的A－加權的總噪聲級Table 3 A－weighted overall noise level for the different tip pitches

圖2 不同葉尖槳距角的噪聲譜Fig.2 Noise spectral ofthe different tip pitch

2.3 旋轉角速度

圖3給出了不同旋轉角速度所對應的噪聲譜。由圖3可以清楚地看到，旋轉角速度由15.2rmp逐漸增加到35.2rmp，而同一頻率下，其對應的噪聲級逐漸增大，也就是說，旋轉角速度是和噪聲級成正比例關系的。表4進一步表明，隨著旋轉角速度的增加，A－加權的總聲功率級是遞增的。

2.4 后緣厚度

圖3 不同旋轉角速度下的噪聲譜Fig.3 Noise spectral of the different rotor angular speed

表4 不同旋轉角速度下的A－加權總聲功率級Table 4 A－weighted overall sound power level for the different rotor angular speed

圖4 不同后緣厚度所對應的噪聲譜Fig.4 Noise spectral of the different trailing edge bluntness

圖5 局部頻率區間內的噪聲譜Fig.5 Local noise spectral for the different trailing edge bluntness

后緣厚度是風力機設計中需要考慮的一個重要參數，它對風力機的加工制造具有指導意義。同樣，后緣厚度不同，氣流繞過葉片，在后緣部分產生的渦脫落狀態也就不同，從而，它引起的后緣渦脫落噪聲級也就不同。圖4分別給出了后緣厚度取為當地弦長的0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%時計算得到的噪聲譜。由噪聲譜，可知，不同后緣厚度產生的噪聲差別主要是發生在頻率區域為300～4000Hz。圖5是噪聲譜的局部放大，可以看出：在頻率約500～1400Hz的區間，A－加權的噪聲級是隨著后緣厚度的增加而增大的；在1400～4000Hz的頻率區間，變化規律不是十分明顯；在其余的頻率區間，噪聲級基本上不隨著后緣厚度的變化而變化；總體上講，頻率500～1400Hz的區間上的噪聲級變化規律在整個頻率區域內就起著決定性作用。后緣厚度取為當地弦長的0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%所對應 A－加權總功率級的大小分別為：97.27dB、97.48dB、97.85dB、98.18dB、98.44dB，這種變化規律進一步驗證了以上結論，即A－加權的噪聲級是隨著后緣厚度的增加而增大的。因而，在風力機制造過程中，盡可能使葉片后緣厚度足夠薄，從而有助于降低由此產生的噪聲。

3 結 論

基于現有風力機噪聲預測的半經驗模型以及葉尖修正方法，以Bonus300千瓦風力機為例，本文數值研究了四種重要參數（葉片翼型、葉尖槳距角、旋轉角速度、后緣厚度）對該風力機噪聲的影響規律。通過研究得到：1）葉片翼型的選取不但對風力機的氣動特性起著決定性重要作用，它對氣動噪聲的影響也是很大，為設計低噪聲風力機，需要合理的選取葉片翼型系列；2）葉尖槳距角的大小可以有效控制風力機噪聲，在設計時要選取最優的角度；3）旋轉角速度是和噪聲級成線性關系的；4）后緣厚度是風力機設計中需要考慮的一個重要參數，它對風力機的加工制造具有指導意義，在風力機制造過程中，盡可能使葉片后緣厚度足夠薄，從而有助于降低由此產生的噪聲。

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