葉尖結構變化對風力機噪聲源分布特性的影響

代元軍， 姜金榜， 李保華， 郭 程

(1.新疆農業大學機電工程學院， 烏魯木齊 830052； 2.上海電機學院機械學院， 上海 201306； 3.新疆工程學院能源高效利用技術重點試驗室， 烏魯木齊 830091)

中國現對于風能的利用在技術等方面較其他新能源相對成熟且具備了產業化的發展條件，風能成為可持續發展的新趨勢[1]。但在風力發電機組運行時，存在機械噪聲和氣動噪聲[2]，風力機的噪聲不單對周邊自然環境造成傷害也對風力機自身結構造成疲勞破壞[3]，縮減了風力機的使用壽命。其中機械噪聲[4]隨著機械零件制造工藝的提高已大大降低，因此風力機的噪聲研究重點轉至風機葉片的氣動噪聲。減小風力機的氣動噪聲對風能的利用和環境的保護有非凡的意義[5]，而降低氣動噪聲的技術關鍵就是對風力機運行時的噪聲源識別技術。

關于中外對風力機降噪方面的研究，李歡等[6]針對葉片的變形對風力機噪聲影響規律進行了試驗研究，發現風力機的不同材料葉片在運行過程中形變量各不相同，所形成的噪聲大小也存在差異。Fisher等[7]對風力機進行聲源分析發現風力機噪聲主要是來自葉尖后緣處噪聲，葉尖后緣加裝鋸齒結構后風力機低頻噪聲明顯減小。汪泉等[8]針對風力機氣動噪聲問題進行了低噪聲的葉片氣動外形優化設計得到了具有更低噪聲特性的葉片。Oerlemans等[9]對風力機上的噪聲源進行了量化和定位，發現風力機葉尖后緣噪聲是風力機的主要噪聲源。張立茹等[10]分析了S形改形葉尖結構的風力機葉片的葉尖區域聲輻射，結果表明S型葉尖結構改型使得風輪輻射聲明顯降低。

由此可見葉尖區域是影響風力機氣動噪聲的關鍵區域，所以此次試驗研究將葉尖區域作為探索降低風力機氣動噪聲的關鍵點，使用丹麥公司的B&K振動噪聲測試系統，對風力機的原型葉片和兩種改型葉尖后葉片的噪聲源的信息進行采集，總結風力機的葉尖結構與風力機噪聲源之間的關系，以期為風力機的降噪工作提供有力的試驗參考。

1 試驗方案設計

1.1 試驗設備

為識別額定工況下風力機葉片噪聲源，采用近場聲全息法和遠場波束形成法，其噪聲源識別試驗平臺如圖1所示，由噪聲信號采集部分、工況控制部分組成。

圖1 噪聲源測試平臺

試驗風洞為DZS-1400×1400/2000×2000-Ⅰ型直流低速風洞；噪聲源識別采用Brüel&Kj?r公司的9712-W-FEN型聲學攝像機，如圖2(a)所示，包含WA-1764-W-001型30通道切片輪式陣列以及3660-C-100型5模塊LAN-XI前端機箱；風力機外特性測試系統如圖2(b)所示，采用艾德克斯IT8512A+型負載儀控制風力機轉速，使用Fluke公司NORMA 4000CN功率分析儀監測風力機轉速。

圖2 噪聲源識別系統和風力機外特性測試系統

1.2 試驗方法

利用聲學攝像機，分別采用近場聲全息法和遠場波束形成法對額定工況下(風速6 m/s，轉速550 r/min)的不同葉尖結構的風力機進行噪聲源的識別與分析。近場聲全息法在近場對風力機噪聲源進行監測，對中低頻噪聲源具有良好的定位能力；波束形成法是在遠場對風力機噪聲源進行監測，對低頻噪聲源定位能力差但對高頻噪聲具有良好的定位能力，將兩者結合使用可以對風力機不同頻段噪聲源準確定位。為避免風力機尾舵對試驗數據采集造成影響，故將風力機尾舵固定后對正風洞中心安裝。采集到的噪聲信號經由BK Connect系統分析完成后得到噪聲云圖。

1.3 采樣區域

使用聲學照相機分別采用近場聲全息法和遠場波束形成法對風力機噪聲源進行識別與分析，試驗測試系統各部分安裝位置如圖3所示。

圖3 噪聲源試驗設備安裝示意圖

風力機葉尖前緣點旋轉中心與風洞開口試驗段中心在同一軸線上，且風力機旋轉平面與風洞來流方向垂直。以風力機的前緣點旋轉面為XY平面，前緣點旋轉面機旋的轉中心點為坐標原點O，以風洞來流方向為Z軸的正方向建立空間直角坐標系。

(1)使用遠場波束形成法采集噪聲信號，將聲學照相機圓形陣列面中心置于X=0，Y=0，Z=150 cm處，此時聲學照相機設備可采集到完整風輪旋轉平面的遠場噪聲源信號。

(2)使用近場聲全息法采集噪聲信息，將聲學照相機圓形陣列面中心置于X=65 cm，Y=0，Z=20 cm處，此時聲學照相機設備可采集到以風力機葉尖前緣點為圓心直徑35 cm范圍內近場噪聲源信號。

2 葉片結構及尺寸

為獲得葉尖結構變化對風力機聲源分布特性的影響規律，本試驗使用三組葉片進行試驗測試，未改型葉片[11]如圖4所示，設計參數如表1所示。

表1 300 W風力發電機葉片參數

圖4 葉片三維圖

V型葉尖結構如圖5(a)所示，其中葉尖V槽型區域開槽寬度a=18 mm，開槽深度h=53 mm，V槽開角θ=20°；W型葉尖結構如圖5(b)所示，其中葉尖W槽型區域開槽寬度a=14 mm，開槽深度h=54 mm，W槽開角θ=14°。

圖5 改型葉尖結構

3 試驗結果及分析

在風速6 m/s、轉速550 r/min的額定工況下采集到不同葉尖結構風力機的噪聲源信息，采用BK Connect 系統進行處理得到風力機噪聲云圖，分析總結葉尖改型對風力機噪聲源位置影響規律。

3.1 背景噪聲分析

保持風洞穩定來流風速6 m/s，測得風力機在掛機靜止狀態下近場及遠場背景噪聲，背景噪聲頻譜圖如圖6所示。

圖6 背景噪聲頻譜圖

從圖6中可以看出，風洞存在3 500～4 500 Hz對試驗結果影響較大的高頻背景噪聲，此噪聲是由空氣通過該風洞的特殊整流管束時發出的噪聲。為避免3 500～4 500 Hz背景噪聲對試驗結果的影響，試驗中將此頻段的背景噪聲進行剔除，分析頻段分組如下:0～1 000 Hz為低頻段(0～500 Hz為低頻Ⅰ段，500～1 000 Hz為低頻Ⅱ段)，1 000～5 600 Hz為高頻段(1 000～2 300 Hz為高頻Ⅰ段，2 300～3 500 Hz為高頻Ⅱ段，4 500～5 000 Hz為高頻Ⅲ段，5 000～5 600 Hz為高頻Ⅳ段)。

3.2 風力機噪聲源分析

3.2.1 遠場噪聲云圖分析

采用遠場波束形成法對不同葉尖結構風力機噪聲源進行監測，其噪聲源分布如圖7～圖9所示，以噪聲源位置距風力機葉尖前緣點旋轉中心的距離為r，葉輪半徑為R，其比值即r/R為遠場聲源定位位置。原型葉片風力機遠場高頻Ⅰ段、高頻Ⅱ段、高頻Ⅲ段、高頻Ⅳ段噪聲源分別位于r/R=0.65、r/R=0.68、r/R=0.79、r/R=0.80區域附近，V型葉尖結構葉片風力機遠場高頻Ⅰ段、高頻Ⅱ段、高頻Ⅲ段、高頻Ⅳ段噪聲源分別位于r/R=0.72、r/R=0.73、r/R=0.84、r/R=0.85區域附近， W型葉尖結構葉片風力機遠場高頻Ⅰ段、高頻Ⅱ段、高頻Ⅲ段、高頻Ⅳ段噪聲源分別位于r/R=0.73、r/R=0.77、r/R=0.89、r/R=0.90區域附近，對比發現噪聲源隨著頻率的升高其聲源位置向葉尖方向移動。原型葉片、V型葉尖結構葉片、W型葉尖結構葉片風力機遠場高頻Ⅰ段噪聲源分別位于r/R=0.65、r/R=0.72、r/R=0.73區域附近；原型葉片、V型葉尖結構葉片、W型葉尖結構葉片風力機遠場高頻Ⅱ段噪聲源分別位于r/R=0.68、r/R=0.73、r/R=0.77區域附近，原型葉片、V型葉尖結構葉片、W型葉尖結構葉片風力機遠場高頻Ⅲ段噪聲源分別位于r/R=0.79、r/R=0.84、r/R=0.89區域附近，原型葉片、V型葉尖結構葉片、W型葉尖結構葉片風力機遠場高頻Ⅳ段噪聲源分別位于r/R=0.80、r/R=0.85、r/R=0.90區域附近，對比發現風力機葉尖改型后相比于原葉片噪聲源位置沿風力機的葉尖前緣點旋轉面徑向方向葉尖移動，其中降噪效果最好的W型葉尖結構葉片相對V型葉尖結構葉片噪聲源位置移動范圍更大。

圖7 原葉片遠場噪聲云圖

圖8 V型葉片遠場噪聲云圖

圖9 W型葉片遠場噪聲云圖

3.2.2 近場噪聲云圖分析

由于遠場波束形成法對低頻帶噪聲源定位能力較差，為更清晰觀測到葉尖改型對風力機噪聲源的影響，使用近場聲全息法[12]對葉尖處低頻段噪聲源監測得到不同葉尖結構風力機噪聲源位置如圖10～圖12所示，以聲源位置距葉尖距離d為近場噪聲源定位位置。原型葉片風力機在低頻Ⅰ、Ⅱ段噪聲源位置分別為d原Ⅰ=12 cm、d原Ⅱ=8 cm，V型葉尖結構葉片風力機在低頻Ⅰ、Ⅱ段噪聲源位置分別為dVⅠ=10 cm、dVⅡ=1.8 cm，W型葉尖結構葉片風力機在低頻Ⅰ、Ⅱ段噪聲源位置分別為dWⅠ=8 cm、dWⅡ=1.2 cm，由此可得，同一葉尖結構的風力機在不同頻段下的噪聲源位置隨著頻率升高噪聲源位置向葉尖處移動；原型葉片、V型葉尖結構葉片、W型葉尖結構葉片風力機低頻Ⅰ段噪聲源位置分別為d原Ⅰ=12 cm、dVⅠ=10 cm、dWⅠ=8 cm，低頻Ⅱ段噪聲源位置分別為d原Ⅱ=8 cm、dVⅡ=1.8 cm、dWⅡ=1.2 cm，對比發現改型葉尖結構風力機相比于原葉片噪聲源位置向葉尖方向移動，W型葉尖結構葉片相對V型葉尖結構葉片噪聲源位置移動距離更遠；葉尖改型后結構使得葉尖渦破碎成小渦[13]，導致改型葉尖結構葉片相比于原葉片噪聲源區域縮小，W型葉尖結構葉片在低頻Ⅱ段出現噪聲源分塊現象。

圖10 原葉片近場噪聲云圖

圖11 V型葉片近場噪聲云圖

圖12 W型葉片近場噪聲云圖

4 結論

通過統計風力機在額定工況下近場聲全息法和遠場波束形成法采集到的風力機噪聲源信息，分析得出以下結論。

(1)原型葉片風力機噪聲源最大聲壓級80 dB， V型葉尖結構葉片風力機噪聲源最大聲壓級76 dB，W型葉尖結構葉片風力機噪聲源最大聲壓級為74 dB，W型葉尖結構葉片具有良好的降噪效果。

(2)在額定工況下，風力機葉輪旋轉區域噪聲源主要集中在葉片中部至葉尖區域，葉尖改型后風力機噪聲源位置向葉尖方向移動，其中由于W型葉尖結構使得葉尖渦破碎成小渦，造成噪聲源明顯的分塊現象，使得W型葉尖結構風力機的噪聲源向葉尖移動最為明顯。