水平軸風力機葉片氣動噪聲源分布特性的試驗研究

代元軍，姜金榜，吳 柯，郭 程

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

0 引 言

隨著我國風能產業的壯大，風力機噪聲問題日漸顯現，其噪聲不僅造成周邊環境污染且對其自身結構產生疲勞破壞[1]。風力機噪聲源主要由葉輪旋轉的氣動噪聲和傳動機構的機械噪聲構成[2]，其中機械噪聲隨著我國機械生產工藝的進步大幅降低，葉輪旋轉造成的氣動噪聲問題成為制約風力機發展的重要因素[3]，因此風力機的氣動噪聲抑制技術成為研究重點，而氣動噪聲抑制技術的關鍵就是找到風力機運行時氣動噪聲源的位置、產生機理及變化規律。

為了弄清風力機氣動噪聲源的產生機理，國內外研究者對風力機的氣動噪聲源定位及降噪進行研究，如王梟等展開關于運行中風力機聲源識別的傳聲器陣列測試技術的高分辨率方法研究，結合旋轉噪聲運動特征推論得到風輪噪聲源識別的DAMAS2優化算法[4]；伍岳等在經典波束形成定位原理基礎上，研究圓形聲陣列半徑、聲陣列面與風輪面間距、聲源頻率對噪聲源定位的影響，優化了實際風力機測量時聲陣列與風輪面的位置關系，并對運動聲源進行了定位[5]；岳巍澎等針對水平軸風力機氣動噪聲，提出了一種測量風力機葉片在一定范圍內的噪聲頻率的方法，有利于對風力機的氣動噪聲的監測[6]；胡昊等研究了典型水平軸風力機葉片的氣動噪聲特點,提出了使用渦發生器的風力機降噪方法[7]；汪泉等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[8]；Fisher等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，葉尖后緣加裝鋸齒結構后風力機低頻噪聲明顯減小[9]；Oerlemans等對風力機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[10]。

本文試驗在新疆工程學院直流低速風洞實驗室使用B&K噪聲采集分析系統對水平軸風力機進行氣動噪聲源試驗測試，通過搭建風力機噪聲源數據采集平臺，采用近場聲全息法[11]和遠場波束形成法[12]對額定來流風速不同轉速下的S翼型水平軸風力機葉輪進行氣動噪聲數據采集及聲源定位，得到氣動噪聲源聲壓級和聲源位置的移動規律，為水平軸風力機降噪研究提供可靠實驗數據和技術參考。

1 試驗方案設計

1.1 試驗對象

被測對象為300 W水平軸風力機，其葉片數為3，葉片三維圖如圖1所示。

圖1 葉片三維圖

其額定風速為6 m/s，額定轉速為550 r/min，葉片參數見表1。

表1 300 W風力發電機葉片參數

1.2 試驗設備及方法

為采集不同轉速下風力機氣動噪聲源信息，該試驗使用聲學攝像機，分別采用近場聲全息法和遠場波束形成法，在額定來流風速6 m/s，風力機轉速分別為 350 r/min、450 r/min、550 r/min、650 r/min、750 r/min時對風力機進行氣動噪聲數據采集與分析。波束形成法對低頻段噪聲源定位能力差但對高頻段噪聲具有良好的定位能力，近場聲全息法對中低頻段噪聲源具有良好的定位能力[13]，將這兩種噪聲源定位方法結合使用可對風力機不同頻段噪聲源準確定位。

試驗在 DZS-1400×1400/2000×2000-Ⅰ型直流低速風洞開口試驗段進行，該驗段尺寸為2 000 mm×2 000 mm×500 mm，風速范圍為 0.5～15.0 m/s，為避免風力機尾舵對實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；噪聲源識別采用9712-W-FEN型聲學攝像機，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，噪聲源試驗測試系統如圖2所示。采集到的風輪噪聲源信息經由BK Connect系統分析完成后得到噪聲云圖。

圖2 試驗設備圖

2 采樣區域設置

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不同轉速風力機噪聲進行數據采集與分析，試驗系統各部分安裝位置如圖3所示，以風洞開口段平面幾何中心為坐標原點o，以風洞開口試驗段平面為xy平面，以風力機基座軸線向上方向為x軸正方向，以垂直于基座軸線右側方向為y軸正方向，以風洞來流相反方向為z軸的正方向建立空間直角坐標系。

圖3 噪聲源試驗設備安裝示意圖

1）以風力機葉尖前緣點旋轉中心作為風力機的坐標位置定位點其坐標為x=0,y=0,z=-30 cm，保持風力機旋轉平面與風洞來流方向垂直。

2）使用遠場波束形成法采集風力機噪聲數據時，以聲學照相機圓形陣列面中心點作為聲學照相機的坐標位置定位點其坐標為x=0,y=0,z=-180 cm，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數據；使用近場聲全息法采集風力機噪聲數據時，以聲學照相機圓形陣列面中心點作為聲學照相機的坐標位置定位點其坐標為x=0,y=-65 cm,z=-50 cm，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范圍內近場噪聲數據。

3 試驗結果分析

在額定來流風速6 m/s風力機轉速分別為350，450，550，650，750 r/min時采集風力機的噪聲數據，經BK Connect系統處理后獲得風力機噪聲云圖，分析額定來流風速6 m/s時不同轉速風力機氣動噪聲源分布特性的規律。

3.1 背景噪聲分析

在風力機未安裝時，風洞開口試驗段保持穩定來流風速6 m/s測得近場及遠場背景噪聲，噪聲頻譜圖如圖4所示。

圖4 背景噪聲頻譜圖

從圖4中可以看出風洞存在3 700～4 300 Hz對實驗結果影響較大的高頻背景噪聲，為避免3 700～4 300 Hz背景噪聲試驗分析的影響，本實驗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，1 000～3 700 Hz為高頻Ⅰ段，4 300～5 600 Hz為高頻Ⅱ段。

3.2 遠場噪聲云圖分析

采用遠場波束形成法對額定來流風速6 m/s時不同轉速下的風力機氣動噪聲數據進行采集，其噪聲云圖如圖5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。

在高頻Ⅰ段，風力機轉速為 350，450，550，650，750 r/min時噪聲源最高聲壓級分別為65，66，67，69，70 dB，噪聲源分別位于r/R=0.52、0.53、0.52、0.52、0.52區域；在高頻Ⅱ段，風力機轉速為350，450，550，650，750 r/min 時噪聲源最高聲壓級分別為 62，63，64，65，66 dB，噪聲源分別位于r/R=0.66、0.67、0.67、0.66、0.66區域附近。隨著風力機轉速的增加噪聲源的聲壓級隨之升高；在高頻Ⅰ段、高頻Ⅱ段范圍內，風力機噪聲源在葉輪旋轉面上的位置不隨轉速的變化而變化。

為得到更加精確的噪聲源位置，將高頻Ⅰ段分為兩組(1 000～2 300 Hz頻段組、2 300～3 700 Hz頻段組)，高頻Ⅱ段分為兩組(4 300～5 000 Hz頻段組、5 000～5 600 Hz頻段組) 進行噪聲源定位分析。以風力機額定工況（來流風速6 m/s，轉速550 r/min）為例，不同頻段噪聲源分布位置如圖6所示，噪聲頻率在1 000～2 300 Hz、2 300～3 700 Hz、4 300～5 000 Hz、5 000～5 600 Hz頻段時，噪聲源最高聲壓級為分別為 66，65，64，63 dB，噪聲源分別位于r/R=0.51、0.54、0.66、0.73區域處。隨著噪聲源頻率的升高噪聲源聲壓級減小且聲源位置由葉片中部沿葉片展向朝葉尖處移動。

圖6 額定工況下高頻段組噪聲云圖

3.3 近場噪聲云圖分析

近場聲全息法對中低頻段噪聲源具有較好的定位能力，為更清晰觀測到風力機葉尖處噪聲源位置變化規律，使用近場聲全息法對葉尖處低頻段噪聲數據進行采集，來流風速6 m/s時不同轉速的風力機噪聲云圖如圖7所示，以聲源位置距葉尖距離d為近場噪聲源定位位置。

圖7 低頻段不同轉速下噪聲云圖

風力機轉速分別 為 350，450，550，650，750 r/min時低頻段噪聲源分別位于d=9.30，9.30，9.40，9.30，9.30 cm區域，噪聲源對應最高聲壓級分別為 72，74，76，77，79 dB，隨著風力機轉速變化噪聲源位置未發生明顯移動，但隨轉速增加噪聲源聲壓級隨之升高。

為尋找風力機聲源面內噪聲源位置與噪聲頻率的關聯，以額定工況（來流風速 6 m/s，轉速550 r/min）為例將低頻帶分為四段(0～250 Hz頻段組，250～500 Hz頻段組，500～750 Hz頻段組，750～1 000 Hz頻段組) 進行噪聲源定位分析，不同頻段噪聲源分布位置如圖8所示。噪聲頻率在0～250 Hz、250～500 Hz、500～750 Hz、750～1 000 Hz頻段時，噪聲源分別位于d=16.00，9.20，4.80，1.10 cm 處，其對應最高聲壓級分別為75，74，73，71 dB。隨著噪聲源頻率的升高聲壓級減小且聲源位置沿葉片展向朝葉尖處移動。

圖8 額定工況下低頻段組噪聲云圖

4 結束語

1)通過對風力機氣動噪聲源聲壓級變化情況分析發現，在額定來流風速不同轉速下，風力機氣動噪聲源聲壓級隨著風力機轉速的升高而增大，轉速越高噪聲源頻率越高，其對應的聲壓級也越高；在額定來流風速及額定轉速時風力機氣動噪聲源頻率越高其對應的聲壓級越小。

2)通過對風力機氣動噪聲源分布特性的分析發現，其噪聲源在葉片上的分布位置主要集中在葉片中部到葉尖這一區域內且分布呈不對稱性；在額定來流風速下不同噪聲頻段噪聲源位置不隨風力機的轉速變化而改變；在額定來流風速和額定轉速時，隨著氣動噪聲源頻率由低頻段向高頻段過渡，其葉片氣動噪聲源位置由葉片中部沿葉片展向朝葉尖處規律移動。