雙叉式葉尖結構對風力機氣動噪聲的影響

代元軍, 賀 凱, 李保華, 翟明成

(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， 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， 烏魯木齊 830091)

風力機作為使用風能的主要設備，承載著能源轉型與保護環境的使命。但風力機運行過程中產生的氣動噪聲一直困擾著人們，風力機的氣動噪聲會影響人們的睡眠與生活質量，且有研究表明長期處于風力機噪聲環境下的人更容易患高血壓等疾病[1]，所以對于風力機的降噪研究逐漸成為研究人員的研究熱點。岳巍澎等[2]研究了一種應用于風力機氣動調幅噪聲測量與分析的新方法；王松嶺等[3]研究了脊狀結構對翼型遠場噪聲的影響；高志鷹等[4]探究了S形葉尖小翼對風力機噪聲的影響；代元軍等[5]探究了V形葉尖結構對風力機噪聲的影響；Sandberg等[6]利用DNS法對傳統尾緣噪聲之外的噪聲源進行定位分析；Moreau等[7]探究了低至中雷諾數情況下后緣鋸齒風力機葉片的降噪能力；Clark等[8]基于貓頭鷹翅膀設計了一種可控制后緣噪聲的葉片；Kim等[9]運用半經驗公式結合數值模擬分析了葉片柔性對風輪氣動噪聲的影響；Maizi等[10]研究了葉尖形狀對水平軸風力機噪聲的影響。

中外研究人員對于風力機噪聲的研究較多，且取得一定成果。但從風力機葉片設計角度開發不同葉尖結構葉片對氣動噪聲影響的研究正處于起步階段。所以現提出一種用于小型風力機的雙叉式葉尖結構改型設計方案，來探究改型設計后葉片的氣動噪聲特性，為風力機的降噪研究提供一種新思路。

1 試驗方案設計

為探究雙叉式葉尖結構對風力機氣動噪聲的影響，首先需保證改型設計后風力機的輸出功率不低于未改型風力機，再進行氣動噪聲的評價。所以共進行兩項試驗，分別是風力機外特性測試與氣動噪聲試驗。

1.1 風力機外特性測試方案設計

1.1.1 被測對象

試驗采用100 W小型風力發電機，風輪葉片數為三葉片，額定轉速為625 r/min，額定風速為8 m/s，葉片參數如表1所示，葉片三維圖如圖1所示。

圖1 葉片三維圖Fig.1 Three-dimensional map of blade

表1 被測葉片參數Table 1 Parameters of measured blade

風力機的運行過程類似于飛機和鳥類，通過吸力面與壓力面產生的壓強差提供升力，升力推動風力機風輪旋轉而發電，所以可通過對飛機或是鳥類的仿形法來改型設計葉片。由于風力機葉片的葉尖是聲壓級變化最劇烈的地方[11]，故改型設計主要集中在葉尖位置。雙叉式葉尖結構改型設計思路來源于波音客機的雙叉式葉尖結構飛機機翼，雙叉式葉尖結構飛機機翼可削減翼尖渦強度，增強機翼的氣動性能[12]。雙叉式葉尖結構包括葉尖夾角θ，葉尖長度a和葉尖寬度h，雙叉式葉尖結構如圖2所示，雙叉式葉尖結構尺寸如表2所示。

圖2 雙叉式葉尖結構Fig.2 Double fork blade tip structure

表2 雙叉式葉尖結構尺寸Table 2 Dimensions of double fork blade tip structure

1.1.2 試驗設備

風力機外特性測試在風洞實驗室進行，試驗風洞為直流低速風洞，型號為DZS-1400×1400/2000×2000-Ι型，開口段最大風速為15 m/s，開口段尺寸為3 m×3 m，功率分析儀采用FLUKE NORMA 4000CN型，電子負載儀采用愛德克斯IT8512A+型，試驗設備如圖3所示。

圖3 風力機外特性測試試驗設備Fig.3 Wind turbine external characteristics test equipment

1.1.3 試驗方法

風力機外特性測試按照GB/T 19068.3—2003《離網型風力發電機組 第3部分：風洞實驗方法》標準執行。將風力機定位安裝于距風洞開口段0.5 m處，風輪旋轉中心與風洞開口段中心在一條直線上，同時采用固定尾舵的方式來減少尾流對試驗的干擾。然后將風力機接入功率分析儀，其次通過整流器將風力機的三相電變成兩相電，用兩相電接入電子負載儀。進行試驗時接入一定的負載保證風力機的安全運行，調節風洞產生3～11 m/s的風速，在此風速下測出風力機的輸出功率。

1.2 風力機氣動噪聲試驗方案設計

1.2.1 試驗設備

被測對象、直流低速風洞與風力機外特性測試保持一致，聲傳感器采用BSWA公司的MPA416型，并由7個聲傳感器組成聲陣列測試系統。數據采集系統由BK 3053-B-12/0型12通道數據采集前端與BK 3660-C-100型5模塊無線LAN機箱組成。試驗通過接入BK 2981型激光測速探頭來獲得風輪轉速，為實現試驗所需的工況，接入電子負載儀來調節風輪轉速，電子負載儀與風力機外特性測試一致，試驗軟件為BK Connect，試驗設備如圖4所示。

圖4 風力機氣動噪聲試驗設備Fig.4 Wind turbine aerodynamic noise test equipment

1.2.2 試驗方法

風力機氣動噪聲試驗按照GB/T 6882—2008《聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級》標準執行。為全面探究不同葉尖夾角的雙叉式葉尖結構對風力機氣動噪聲的影響，擬采用聲陣列法分別測試多種工況下未改型風力機與雙叉式葉尖結構風力機的氣動噪聲，調節風洞以一定的風速工作，風輪受氣動載荷作用而旋轉時，用聲陣列測試系統采集風力機的原始噪聲數據，通過數據處理結合頻譜分析法，即可得到風輪的旋轉基頻所對應的最大聲壓級與葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級。

1.2.3 測點布置

風力機氣動噪聲試驗的測點布置如圖5所示，因為風力機葉片的葉尖是噪聲聲壓級最大的地方，所以噪聲測點主要布置在風輪的葉尖處，共布置7個聲傳感器，沿風輪旋轉中心向風輪旋轉平面徑向方向向外水平移動30 cm處設置為原點O，規定以原點O為起點，平行于來流方向為X軸，水平向左為Y軸。測點距離風輪旋轉平面為20 cm，測點7距離X軸為10 cm，每個測點間隔10 cm。

圖5 風力機氣動噪聲試驗測點布置Fig.5 Arrangement of measurement points for aerodynamic noise test of wind turbine

2 試驗結果分析

2.1 輸出功率分析

如圖6所示為風力機在3～11 m/s時的風速-輸出功率特性曲線，風力機的輸出功率隨著風速的增大而升高。在風速3～9 m/s的低風速與中風速段，雙叉式葉尖結構風力機的輸出功率大于未改型風力機，在風速9～11 m/s的高風速段，雙叉式葉尖結構風力機輸出功率與未改型風力機相比規律性不明顯。

圖6 風速-輸出功率特性曲線Fig.6 Wind speed-output power characteristic curve

未改型風力機在額定風速8 m/s時輸出功率為105.39 W，雙叉式葉尖結構-1風力機在額定風速8 m/s時輸出功率為110.23 W，雙叉式葉尖結構-2風力機在額定風速8 m/s時輸出功率為113.42 W，雙叉式葉尖結構-3風力機在額定風速8 m/s時輸出功率為114.78 W，都達到設計要求。通過對比分析可知，雙叉式葉尖結構-1風力機的輸出功率較未改型風力機提高4.59%，雙叉式葉尖結構-2風力機提高7.62%，雙叉式葉尖結構-3風力機提高8.91%，雙叉式葉尖結構-3風力機的輸出功率最佳。

2.2 氣動噪聲分析

2.2.1 背景噪聲

在測試風力機氣動噪聲前，先測試了風洞背景噪聲，得到來流風速為6、7、8、9 m/s時，風洞背景噪聲的特征頻率分別落在272、313.6、355.2、398.4 Hz及其倍數上，由于特征頻率距離風輪的旋轉基頻以及葉尖渦脫落頻率較遠，故背景噪聲對本實驗所關注的風輪旋轉基頻和葉尖渦脫落頻率所對應的噪聲測試影響可以不予考慮，如圖7所示來流風速為8 m/s的背景噪聲頻譜圖。

圖7 風速8 m/s時背景噪聲頻譜圖Fig.7 Background noise spectrogram with wind speed 8 m/s

2.2.2 離心力載荷不變，氣動載荷規律增大

為實現離心力載荷不變，氣動載荷規律增大工況，需調節電子負載儀，使風洞風速規律增大時，保持風輪的轉速始終為額定轉速。風洞風速規律增大即氣動載荷規律增大，風輪轉速不變即離心力載荷不變。風速取6、7、8、9 m/s，轉速取額定轉速625 r/min。氣動噪聲試驗以葉尖部位的4號噪聲測點為例，如圖8所示為額定工況下4號測點的噪聲頻譜圖。

圖8 額定工況下4號噪聲測點頻譜圖Fig.8 Spectrogram of No. 4 noise measuring point under rated operating conditions

如圖9所示，氣動載荷持續增大時，風輪旋轉基頻對應的最大聲壓級基本保持不變，背景噪聲持續增大。通過與未改型風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級對比，可知在風輪旋轉基頻為30 Hz時，雙叉式葉尖結構-1風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級降低3.62%、3.61%、3.59%、3.62%，雙叉結構-2風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級分別降低5.68%、5.95%、5.71%、5.56%，雙叉結構-3風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級分別降低8.41%、8.26%、8.56%、8.49%。按照理論分析，風輪轉速不變，旋轉基頻不變，其所對應的最大聲壓級也不變，但數據存在微小變化的原因是試驗測試過程中風輪轉速存在一定范圍波動。雙叉式葉尖結構可以降低風輪旋轉基頻所對應的噪聲，其中雙叉式葉尖結構-3風輪降噪效果最好，同時隨著葉尖夾角的增大，風輪降噪效果變好。

圖9 氣動載荷規律增大旋轉基頻所對應最大聲壓級Fig.9 Maximum sound pressure level corresponding to rotating fundamental frequency with increasing aerodynamic load

如圖10所示，氣動載荷持續增大時，風輪葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級基本保持不變。通過與未改型風輪葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級對比，可知在風輪葉尖渦脫落頻率為200.03 Hz時，雙叉式葉尖結構-1風輪葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級分別降低5.91%、5.78%、5.67%、5.69%，雙叉式葉尖結構-2風輪葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級分別降低7.91%、7.67%、7.59%、7.65%，雙叉式葉尖結構-3風輪葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級分別降低10.34%、10.03%、9.94%、9.96%。風輪葉尖渦脫落頻率計算公式[13]為

圖10 氣動載荷規律增大葉尖渦脫落頻率所對應聲壓級Fig.10 Sound pressure level corresponding to blade tip vortex shedding frequency with increasing aerodynamic load

(1)

式(1)中：Sr為斯特羅哈數；D為葉尖分離尾跡寬度，m；v分離處邊界流速，m/s。

按照理論分析，風輪轉速不變，葉尖渦脫落頻率不變，其所對應的聲壓級不變，但是數據存在微小變化的原因是實驗測試過程中風輪轉速存在一定范圍波動。雙叉式葉尖結構可以降低葉尖渦脫落頻率所對應的噪聲，其中雙叉式葉尖結構-3風輪降噪效果最好，規律性與風輪旋轉基頻所對應的噪聲變化一致。

通過以上在離心力載荷不變，氣動載荷規律增大情況下對風輪的旋轉基頻所對應的最大聲壓級與葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級的分析，可知氣動載荷規律增大時，風力機氣動噪聲基本保持不變，故氣動載荷不是引起風力機氣動噪聲變化的因素。雙叉式葉尖結構可降低風輪旋轉基頻所對應的噪聲與葉尖渦脫落頻率所對應噪聲，其中雙叉式葉尖結構-3的降噪效果最好。

2.2.3 氣動載荷不變，離心力載荷規律增大

為實現氣動載荷不變，離心力載荷規律增大工況，需調節電子負載儀，使風洞風速保持不變時，風輪的轉速規律增大。風洞風速保持不變即氣動載荷不變，風輪轉速規律增大即離心力載荷規律增大。風速取額定風速8 m/s，尖速比取4.5、5、5.5、6。如圖11所示，離心力載荷規律增大的情況下，風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級也規律增大，背景噪聲基本保持不變。因為在來流風速不變的情況下，風輪尖速比規律增大即風輪轉速規律增大，轉速增大導致風輪旋轉基頻與噪聲增大。通過與未改型風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級對比，可知在風輪旋轉基頻分別為26.40、29.35、32.30、35.25 Hz時，雙叉式葉尖結構-1風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級分別降低3.48%、3.64%、3.31%、3.15%，雙叉式葉尖結構-2風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級分別降低6.93%、7.37%、6.59%、6.19%，雙叉式葉尖結構-3風輪旋轉基頻所對應的最大聲壓級分別降低8.85%、8.84%、8.55%、8.66%，由此可知雙叉式葉尖改型可以降低風輪旋轉基頻所對應的噪聲，其中雙叉式葉尖結構-3風輪降噪效果最好。

圖11 離心力載荷增規律大旋轉基頻所對應最大聲壓級Fig.11 Maximum sound pressure level corresponding to rotating fundamental frequency with increasing centrifugal force load

如圖12所示，離心力載荷規律增大時，風輪葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級也規律增大。通過與未改型風輪葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級對比，可知在風輪葉尖渦脫落頻率分別為176.03、195.72、215.26、235.05 Hz時，雙叉式葉尖結構-1風輪的葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級分別降低7.26%、6.94%、6.70%、6.47%，雙叉式葉尖結構-2風輪的葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級分別降低9.74%、8.84%、8.11%、7.70%，雙叉式葉尖結構-3風輪的葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級分別降低13.01%、11.12%、10.43%、10.66%。雙叉式葉尖結構可以降低風輪葉尖渦脫落頻率所對應的噪聲，其中雙叉式葉尖結構-3風輪降噪效果最好，規律性與風輪旋轉基頻所對應噪聲變化一致。

圖12 離心力載荷規律增大葉尖渦脫落頻率對應聲壓級Fig.12 Sound pressure level corresponding to blade tip vortex shedding frequency with increasing centrifugal force load

通過以上在氣動載荷不變，離心力載荷規律增大情況下對風輪的旋轉基頻所對應的最大聲壓級與葉尖渦脫落頻率所對應的聲壓級的分析，可知離心力載荷規律增大時，風輪氣動噪聲也規律增大，說明離心力載荷是引起風輪氣動噪聲變化的因素且兩者成正比關系。同時雙叉式葉尖結構可降低風輪旋轉基頻所對應的噪聲與葉尖渦脫落頻率所對應的噪聲，其中雙叉式葉尖結構-3風輪降噪效果最好。

3 結論

對未改型風力機與雙叉式葉尖結構風力機進行了外特性測試與氣動噪聲試驗，可得出如下結論：

(1)雙叉式葉尖結構在3～9 m/s的低風速段和中風速段可提高風力機的輸出功率，在9～11 m/s的高風速段規律性不明顯。在額定工況下雙叉式葉尖結構能使風力機輸出功率較未改型風力機提高4.59%～8.91%，其中雙叉式葉尖結構-3風力機具有最佳的輸出功率。

(2)氣動載荷對風輪的旋轉基頻所對應的噪聲與葉尖渦脫落頻率所對應的噪聲變化無明顯影響；離心力載荷對風輪的旋轉基頻所對應的噪聲與葉尖渦脫落頻率所對應的噪聲變化影響較大且變化規律成正比關系，同時發現雙叉式葉尖結構可以降低風輪的氣動噪聲。

(3)通過對比分析三種雙叉式葉尖結構風力機的氣動噪聲特性，發現葉尖夾角是影響雙叉式葉尖結構降噪效果的主要因素，在0°～90°范圍內，角度越大，對風力機的降噪效果越好。

通過分析發現雙叉式葉尖結構風力機具有良好的輸出功率與降噪特性，其中雙叉式葉尖結構-3風力機具有最佳的改良效果，研究結果為小型風力機的降噪研究提供一種新思路。