翼型凹變對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲影響特性分析

呂文春， 汪建文， 段亞范， 馬劍龍， 孟克其勞， 陳金霞

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科技與職教研究中心，呼和浩特 010070；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校 可再生能源工程研究中心，呼和浩特 010051；4.風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051)

隨著分散式風(fēng)電的快速發(fā)展，越來(lái)越多的風(fēng)力機(jī)安裝在離負(fù)荷中心區(qū)域較近且風(fēng)能密度較高的地區(qū)。然而風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題則嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ睿蔀樽璧K分散式風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)重要因素。風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中的噪聲主要分為機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲，其中機(jī)械噪聲已經(jīng)得到很好的控制。因此，如何降低風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題則變的尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為解決風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。其中，研究的方向多集中在葉片翼型自噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲等方面。翼型自噪聲主要包含尾緣噪聲、失速噪聲和層流渦噪聲等[1]。其中，對(duì)于尾緣噪聲的研究相對(duì)較多。尾緣噪聲是由葉片表面的湍流邊界層流經(jīng)尾緣并相互作用而產(chǎn)生[2]。因此，針對(duì)尾緣噪聲常用的降噪方法就是控制葉片吸力面湍流邊界層的生成或?qū)σ硇臀簿夁M(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。而對(duì)于湍流邊界層的控制，主要是通過(guò)擾流實(shí)驗(yàn)探究湍流強(qiáng)度、攻角及來(lái)流雷諾數(shù)等對(duì)湍流邊界層生成的影響[3-5]，并通過(guò)改變翼型厚度或在吸力面采用抽吸孔、脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)及添加粗糙元等方式延遲翼型吸力面湍流邊界層的生成[6-8]。相關(guān)典型研究有：王松嶺等通過(guò)在翼型吸力面增加脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)有效改善邊界層分離狀況，并減小了翼型表面的壓力脈動(dòng)；Jelinek等探究了平面粗糙元對(duì)邊界層的轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象的影響。對(duì)于葉片尾緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，主要是通過(guò)改變?nèi)~片尾緣的形狀從而破壞脫落渦結(jié)構(gòu)，起到降噪效果。目前對(duì)尾緣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式有很多種，比如鋸齒狀、波浪形，鈍尾緣或添加襟翼等[9-12]。典型研究有：Arce Leon等探究了鋸齒尾緣對(duì)葉片氣動(dòng)噪聲的影響；蘇彩虹發(fā)現(xiàn)波浪形尾緣可以有效降低葉片的寬頻噪聲。

在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲方面，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲是由于葉片經(jīng)過(guò)流體時(shí)產(chǎn)生周期性漲縮作用和葉片上載荷力的作用形成，且噪聲頻率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相關(guān)[13]。相關(guān)研究有：Wasala等[14]發(fā)現(xiàn)水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲為主要噪聲，且聲壓級(jí)較高；李運(yùn)志等[15]發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)噪聲頻率主要集中在200 Hz以下，并確定了聲源位置。陸贇韜[16]發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)噪聲的強(qiáng)度與葉片對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)有關(guān)，隨著振動(dòng)幅值的增大而增強(qiáng)。

綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可知，目前對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲的降噪方法多集中在翼型自噪聲方面，而針對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲的降噪方法研究還相對(duì)較少。在以往研究中發(fā)現(xiàn)翼型凹變可以提升葉片的結(jié)構(gòu)特性并且有效延遲葉片吸力面氣流的轉(zhuǎn)捩位置，提高葉片的氣動(dòng)性能[17]，然而翼型凹變對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)噪聲的影響以及影響原因還未揭示。因此，本文針對(duì)聲壓級(jí)較高的旋轉(zhuǎn)噪聲進(jìn)行分析，探究了翼型凹變對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲的影響。并從結(jié)構(gòu)場(chǎng)出發(fā)解析了翼型凹變對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲影響的原因。

1 旋轉(zhuǎn)噪聲測(cè)試及分析

1.1 測(cè)試系統(tǒng)及方法

測(cè)試對(duì)象為某S翼型水平軸風(fēng)力機(jī)三葉片風(fēng)輪，風(fēng)輪直徑為1.4 m。實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)B1/K2式風(fēng)洞開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行，聲數(shù)據(jù)的采集及處理由B&K公司的60通道圓形聲陣列系統(tǒng)完成。其中，聲陣列直徑為0.78 m，傳聲器的靈敏度為12.5 mV/Pa，測(cè)量范圍為10～20 000 Hz。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速通過(guò)直流電子負(fù)載調(diào)節(jié)，其精度為0.1%+0.1%FS，并利用Fluke實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。在測(cè)試中，聲陣列盤(pán)平行風(fēng)輪放置，并放置在風(fēng)輪下風(fēng)向的后方0.2 m處，實(shí)驗(yàn)采用SONAH算法進(jìn)行處理分析，測(cè)試設(shè)備安裝如圖1所示。

圖1 測(cè)試設(shè)備安裝圖

1.2 凹變?nèi)~片形式確定

翼型凹變?nèi)~片是在原翼型的基礎(chǔ)上，通過(guò)翼型繞流實(shí)驗(yàn)確定吸力面的轉(zhuǎn)捩位置而進(jìn)行凹變得到。凹變的方式及長(zhǎng)度則通過(guò)功率實(shí)驗(yàn)確定。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)凹變位置在其吸力面0.8倍弦長(zhǎng)處，凹槽長(zhǎng)度為350 mm時(shí)風(fēng)輪輸出功率最高[18]。以圖2(a)中某翼型為例，假設(shè)流動(dòng)的分離點(diǎn)常常出現(xiàn)在M處，則選定M處為翼型凹變中心。考慮到翼型弦長(zhǎng)顯著大于其最大厚度，嘗試將翼型凹變的幾何結(jié)構(gòu)采用橢圓形。

令橢圓中心為M位置，橢圓長(zhǎng)軸為弦長(zhǎng)的7.2%、短軸為弦長(zhǎng)的3.6%，并使橢圓長(zhǎng)軸與M處原翼型曲線相切，凹變部分與非凹變部分之間采用樣條曲線連接，具體過(guò)程如圖2(b)所示。

(a) 原翼型

(b) 凹變翼型

圖2中：L為翼型弦長(zhǎng)；M為凹變中心點(diǎn)到翼型前緣點(diǎn)的距離；A為橢圓長(zhǎng)軸；B為橢圓短軸。

原翼型葉片和翼型凹變?nèi)~片實(shí)物如圖3所示(其中原翼型葉片表示為A，翼型凹變?nèi)~片表示為B)。

1.3 對(duì)旋轉(zhuǎn)噪聲測(cè)試結(jié)果分析

1.3.1 背景噪聲分析

聲信號(hào)在測(cè)量中有包括風(fēng)洞運(yùn)行在內(nèi)的環(huán)境背景噪聲，會(huì)對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲的準(zhǔn)確獲取產(chǎn)生干擾，因此在測(cè)試前需進(jìn)行背景噪聲測(cè)試。背景噪聲測(cè)試中，不安裝風(fēng)力機(jī)，陣列盤(pán)的測(cè)量位置與安裝風(fēng)力機(jī)的測(cè)試位置相同。

圖3 葉片實(shí)拍圖

風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)噪聲采用SONAH算法進(jìn)行分析，聲信號(hào)處理中不做常規(guī)計(jì)權(quán)處理，并在處理過(guò)程中采用恒定頻域(1 Hz)分析，以確保達(dá)到細(xì)化頻譜的目的。

以來(lái)流風(fēng)速為9 m/s為例，近場(chǎng)背景噪聲測(cè)試如圖4所示。由圖4可知，風(fēng)洞在低頻(200 Hz)以內(nèi)的主要噪聲是由風(fēng)洞入口處軸流式引風(fēng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲(77 Hz)及其諧波構(gòu)成。

圖4 近場(chǎng)背景聲頻譜分布圖

1.3.2 對(duì)旋轉(zhuǎn)噪聲分析

以風(fēng)速為9 m/s,轉(zhuǎn)速為600 r/min的工況為例，得到風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲聲壓級(jí)頻譜圖，如圖5所示(其中f為旋轉(zhuǎn)基頻,2f為旋轉(zhuǎn)2倍頻，3f為旋轉(zhuǎn)3倍頻，4f為旋轉(zhuǎn)4倍頻)。

(a) A 葉片

(b) B 葉片

通過(guò)對(duì)圖5分析發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)噪聲主要由基頻及其倍頻諧波組成，且頻率主要位于200 Hz以內(nèi)。另外，在聲頻譜圖中除旋轉(zhuǎn)噪聲外還有其它噪聲峰值，通過(guò)聲源識(shí)別發(fā)現(xiàn)此處的噪聲峰值為電機(jī)機(jī)艙噪聲，因此不對(duì)其進(jìn)行分析。

為了探究翼型凹變對(duì)旋轉(zhuǎn)基頻及其倍頻諧波聲壓級(jí)的影響，本文提取不同工況下倍頻諧波的聲壓級(jí)進(jìn)行分析，如表1、2所示(以轉(zhuǎn)速600 r/min和風(fēng)速9 m/s為例)。

表1 風(fēng)速變化對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)噪聲的影響

表2 轉(zhuǎn)速變化對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)噪聲的影響

通過(guò)對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)噪聲隨工況變化分布表分析發(fā)現(xiàn)，在相同工況時(shí)，B葉片旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓級(jí)均明顯低于A葉片，說(shuō)明翼型凹變后可以明顯降低葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲。另外發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)基頻的噪聲聲壓級(jí)最大，其倍頻聲壓級(jí)隨著倍頻次數(shù)的增加而逐漸減小。同時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓級(jí)隨著風(fēng)速的增加而逐漸增大，而當(dāng)風(fēng)速相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。

為了探究在相同工況下，翼型凹變對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)基頻及其倍頻噪聲的影響變化。本文以式(1)來(lái)表示在相同工作條件下，翼型凹變引起聲壓級(jí)的變化值。

φi=SPLA葉片，i-SPLB葉片，i

(1)

其中(i=1、2、3、4)分別表示旋轉(zhuǎn)基頻和第二、三和四次倍頻諧波。為了分析翼型凹變對(duì)不同倍頻諧波聲壓級(jí)影響的敏感性，本文在相同工況下用式(2)定義參數(shù)ψ，如圖6所示(以風(fēng)速9 m/s，轉(zhuǎn)速600 r/min為例)。

(2)

(a) 風(fēng)速變化對(duì)不同倍頻聲壓級(jí)的敏感性影響

(b) 轉(zhuǎn)速變化對(duì)不同倍頻聲壓級(jí)的敏感性影響

通過(guò)對(duì)圖6分析發(fā)現(xiàn)，在相同工況下，翼型凹變對(duì)葉片不同倍頻諧波噪聲的敏感性隨著倍頻次數(shù)的增加而逐漸增強(qiáng)，最高可達(dá)7.2%。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，翼型凹變對(duì)不同倍頻諧波噪聲的敏感性隨著風(fēng)速的增加而逐漸減弱。而當(dāng)風(fēng)速相同時(shí)，翼型凹變對(duì)葉片不同倍頻諧波噪聲的敏感性隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，且當(dāng)n=550 r/min時(shí)，翼型凹變對(duì)葉片不同倍頻諧波噪聲影響的敏感性最強(qiáng)。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，不同倍頻諧波噪聲受翼型凹變影響的變化趨勢(shì)相似，只是影響的敏感性不同。由于在葉片旋轉(zhuǎn)噪聲中旋轉(zhuǎn)基頻噪聲的聲壓級(jí)最高，因此本文重點(diǎn)對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)基頻噪聲進(jìn)行分析。

1.3.3 對(duì)旋轉(zhuǎn)基頻噪聲分析

以風(fēng)速為8 m/s、9 m/s、10 m/s和轉(zhuǎn)速600 r/min、650 r/min、700 r/min等工況為例，對(duì)其旋轉(zhuǎn)基頻噪聲進(jìn)行分析，如圖7所示。

(a) 風(fēng)速變化對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)基頻噪聲的影響

(b) 轉(zhuǎn)速變化對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)基頻噪聲的影響

通過(guò)對(duì)圖7分析發(fā)現(xiàn)，翼型凹變后只是降低了旋轉(zhuǎn)基頻噪聲的聲壓級(jí)，卻沒(méi)有改變旋轉(zhuǎn)基頻噪聲隨工況的變化趨勢(shì)。即當(dāng)風(fēng)速相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)基頻噪聲的聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且峰值均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為550 r/min的工況處，而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)550 r/min時(shí)聲壓級(jí)逐漸降低。分析原因發(fā)現(xiàn)，此刻風(fēng)輪受離心鋼化作用影響明顯，導(dǎo)致葉片剛度增加從而減弱了葉片受氣動(dòng)載荷的影響。同時(shí)，在相同轉(zhuǎn)速下葉片的旋轉(zhuǎn)基頻噪聲的聲壓級(jí)隨著風(fēng)速的增加而逐漸增大，說(shuō)明風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)基頻噪聲與氣動(dòng)載荷之間呈正相關(guān)性。

2 對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲降低原因分析

風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)噪聲是由于風(fēng)輪與周期性來(lái)流相互作用以及對(duì)表面流體的漲縮作用而產(chǎn)生。因此，本文從結(jié)構(gòu)場(chǎng)出發(fā)，分別對(duì)原葉片和凹變?nèi)~片進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試，并通過(guò)分析翼型凹變對(duì)風(fēng)輪葉片剛度及動(dòng)頻的影響，探究了翼型凹變降低風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲的原因。

2.1 翼型凹變對(duì)剛度的影響

2.1.1 測(cè)試系統(tǒng)及方法

測(cè)試系統(tǒng)采用B&K公司研發(fā)的PULSE結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最大誤差不超過(guò)2.8%。測(cè)量時(shí)，在葉片壓力面兩側(cè)均勻布置8個(gè)單向加速度傳感器。測(cè)試方法采用瞬態(tài)激振法，單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)響應(yīng)。振動(dòng)頻率采集范圍設(shè)置為0～400 Hz。加速度傳感器的布置方式及激勵(lì)點(diǎn)如圖8所示。

圖8 風(fēng)輪剛度測(cè)試模型圖

2.1.2 風(fēng)輪剛度測(cè)試結(jié)果分析

將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Reflect中進(jìn)行后處理分析得到A葉片與B葉片所對(duì)應(yīng)各階的振動(dòng)頻率及阻尼比，如表3所示。

表3 風(fēng)輪振動(dòng)固有頻率及阻尼比

從表3中可以得出，B葉片較于A葉片在軸向竄動(dòng)、一階反對(duì)稱、一階對(duì)稱的固有頻率分別有1.16%、1.45%和0.48%的增加。分析其原因：當(dāng)葉片被力錘敲擊時(shí)的振動(dòng)形式，可以看做為一個(gè)單自由度有阻尼的振動(dòng)形式。

則葉片的固有頻率

(3)

式中:f為固有頻率；k、m為剛度與質(zhì)量；ζ為阻尼比。

則葉片靜剛度

(4)

通過(guò)對(duì)葉片稱重發(fā)現(xiàn)，翼型凹變后葉片質(zhì)量減少了1%，由表3可知，翼型凹變后葉片的固有頻率和阻尼比都得到較大的提升。因此，翼型凹變后可以有效的增加葉片的靜剛度。另外發(fā)現(xiàn)，翼型凹變后葉片軸向竄動(dòng)和一階振動(dòng)阻尼比的提高使得葉片振動(dòng)消減速度變快，即在相同工況下翼型凹變?nèi)~片的疲勞損失也會(huì)有一定程度的下降。

2.2 翼型凹變對(duì)風(fēng)輪動(dòng)頻的影響

2.2.1 測(cè)試方法和傳感器測(cè)試點(diǎn)分布

測(cè)試方法采用布置于發(fā)電機(jī)前端部靠近風(fēng)輪處的加速度傳感器捕獲振動(dòng)頻譜，通過(guò)已獲得的模態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合譜分析法識(shí)別風(fēng)輪動(dòng)頻，傳感器布置如圖9所示。

圖9 傳感器布置

2.2.2 動(dòng)頻識(shí)別

通過(guò)對(duì)2個(gè)不同位置的傳感器動(dòng)態(tài)頻譜圖分析發(fā)現(xiàn)，布置在發(fā)電機(jī)頂部前端的1號(hào)傳感器的振動(dòng)頻譜與模態(tài)頻譜有很好的相似性，只是各型振動(dòng)加速度值和頻率有所差異，這是由于風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)受氣動(dòng)載荷和離心力的影響所致。因此，本文主要以1號(hào)傳感器捕獲的振動(dòng)頻譜為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，探究翼型凹變對(duì)風(fēng)輪葉片振動(dòng)特性的影響。

提取不同工況下，A和B葉片的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)頻譜，并依據(jù)模態(tài)頻率識(shí)別動(dòng)頻中各階固有振型的位置，如圖10所示(以來(lái)流風(fēng)速為9 m/s，轉(zhuǎn)速550 r/min為例)。

通過(guò)對(duì)圖10分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)輪動(dòng)態(tài)振動(dòng)頻譜中軸向竄動(dòng)和旋轉(zhuǎn)基頻的加速度幅值較高，并且發(fā)現(xiàn)在噪聲頻譜和振動(dòng)頻譜中旋轉(zhuǎn)基頻的頻率保持良好一致性。因此，本文主要從風(fēng)輪軸向竄動(dòng)和旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)幅值進(jìn)行分析，探究翼型凹變對(duì)風(fēng)輪動(dòng)頻的影響。

其中，圖10中識(shí)別風(fēng)輪的各階振型如表4所示。

(a) A葉片

(b) B葉片

表4 振型參照表

2.2.3 對(duì)軸向竄動(dòng)的影響分析

通過(guò)對(duì)軸向竄動(dòng)隨工況變化分布圖(圖11)分析發(fā)現(xiàn)，在相同工況下B葉片軸向竄動(dòng)的加速度值普遍小于A葉片，說(shuō)明翼型凹變后使葉片的動(dòng)剛度得到提升，在受相同載荷力時(shí)可以有效減弱風(fēng)輪在運(yùn)行中沿軸向的振動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，當(dāng)風(fēng)速相同時(shí)，加速度值隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到550 r/min時(shí)，軸向加速度的值達(dá)到最大值。分析原因發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為550 r/min時(shí)，其旋轉(zhuǎn)基頻的頻率與風(fēng)輪一階反對(duì)稱的頻率十分接近，導(dǎo)致葉片發(fā)生共振，因而導(dǎo)致葉片振動(dòng)加速度值會(huì)出現(xiàn)陡增。隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加，葉片由于離心鋼化作用，其動(dòng)剛度會(huì)進(jìn)一步增加，進(jìn)而造成加速度幅值逐漸減小。另外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，軸向竄動(dòng)的加速度幅值隨著風(fēng)速的增加而逐漸增大。

2.2.4 對(duì)旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)的影響分析

通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)隨工況變化分布圖(圖12)分析發(fā)現(xiàn)，在相同工況下B葉片的旋轉(zhuǎn)基頻加速度幅值普遍小于A葉片，說(shuō)明翼型凹變也可以有效減弱風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)基頻的振動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)基頻加速度的幅值隨工況的變化趨勢(shì)與軸向竄動(dòng)相似，即隨轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，并隨風(fēng)速的增加而逐漸增大。另外，旋轉(zhuǎn)基頻的振動(dòng)加速度幅值要高于軸向竄動(dòng)，且翼型凹變對(duì)旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)的影響較弱。

(a) 軸向竄動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的變化

(b) 軸向竄動(dòng)隨風(fēng)速的變化

(a) 旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的變化

(b) 旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)隨風(fēng)速的變化

2.3 關(guān)聯(lián)性分析

通過(guò)對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行模態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，翼型凹變后對(duì)葉片剛度的提升，使風(fēng)輪葉片在受到相同氣動(dòng)載荷時(shí)，風(fēng)輪的軸向竄動(dòng)和旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)的振動(dòng)強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致風(fēng)輪對(duì)周圍流體的壓縮和膨脹作用減弱，從而起到降低旋轉(zhuǎn)噪聲的效果。

另外，通過(guò)以上頻譜圖發(fā)現(xiàn)葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲和軸向竄動(dòng)及旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)隨工況的變化趨勢(shì)保持良好的相似性。其中當(dāng)風(fēng)速相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)基頻噪聲的聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，且其峰值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為550 r/min的工況，這是因?yàn)榇丝坛霈F(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片的振動(dòng)強(qiáng)度變大，加強(qiáng)了對(duì)周圍流體的漲縮作用，從而引起噪聲聲壓級(jí)的升高。隨著轉(zhuǎn)速的升高，葉片受離心鋼化作用，進(jìn)一步提升了葉片的剛度，從而逐步減弱了對(duì)周圍流體的漲縮作用，導(dǎo)致聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速的升高而逐漸降低。

3 結(jié) 論

本文主要對(duì)風(fēng)輪葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)噪聲、模態(tài)和動(dòng)頻測(cè)試，探究了翼型凹變對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲和結(jié)構(gòu)特性的影響，同時(shí)，分析了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲產(chǎn)生的原因以及葉片振動(dòng)與噪聲之間的關(guān)聯(lián)性，并得出以下結(jié)論。

通過(guò)對(duì)葉片軸向竄動(dòng)和旋轉(zhuǎn)基頻振動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)，在相同工況下，翼型凹變后對(duì)葉片剛度的提升，可以有效減弱葉片的振動(dòng)強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲分析發(fā)現(xiàn)，在相同工況下，翼型凹變后可以明顯降低風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)噪聲，且降噪效果隨著旋轉(zhuǎn)基頻的倍頻次數(shù)增加而逐漸增強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲產(chǎn)生原因分析發(fā)現(xiàn)，翼型凹變后對(duì)葉片剛度的提升，使風(fēng)輪葉片在受到相同氣動(dòng)載荷時(shí)，風(fēng)輪的振動(dòng)強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致風(fēng)輪對(duì)周圍流體的壓縮和膨脹作用減弱，從而起到降低旋轉(zhuǎn)噪聲的效果。