葉尖結(jié)構(gòu)變化對(duì)風(fēng)力機(jī)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(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052； 2.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院， 上海 201306； 3.新疆工程學(xué)院能源高效利用技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室， 烏魯木齊 830091)

中國(guó)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)能的利用在技術(shù)等方面較其他新能源相對(duì)成熟且具備了產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展條件，風(fēng)能成為可持續(xù)發(fā)展的新趨勢(shì)[1]。但在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，存在機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲[2]，風(fēng)力機(jī)的噪聲不單對(duì)周邊自然環(huán)境造成傷害也對(duì)風(fēng)力機(jī)自身結(jié)構(gòu)造成疲勞破壞[3]，縮減了風(fēng)力機(jī)的使用壽命。其中機(jī)械噪聲[4]隨著機(jī)械零件制造工藝的提高已大大降低，因此風(fēng)力機(jī)的噪聲研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)至風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)噪聲。減小風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲對(duì)風(fēng)能的利用和環(huán)境的保護(hù)有非凡的意義[5]，而降低氣動(dòng)噪聲的技術(shù)關(guān)鍵就是對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲源識(shí)別技術(shù)。

關(guān)于中外對(duì)風(fēng)力機(jī)降噪方面的研究，李歡等[6]針對(duì)葉片的變形對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的不同材料葉片在運(yùn)行過(guò)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(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行聲源分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)噪聲主要是來(lái)自葉尖后緣處噪聲，葉尖后緣加裝鋸齒結(jié)構(gòu)后風(fēng)力機(jī)低頻噪聲明顯減小。汪泉等[8]針對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了低噪聲的葉片氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了具有更低噪聲特性的葉片。Oerlemans等[9]對(duì)風(fēng)力機(jī)上的噪聲源進(jìn)行了量化和定位，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉尖后緣噪聲是風(fēng)力機(jī)的主要噪聲源。張立茹等[10]分析了S形改形葉尖結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片的葉尖區(qū)域聲輻射，結(jié)果表明S型葉尖結(jié)構(gòu)改型使得風(fēng)輪輻射聲明顯降低。

由此可見(jiàn)葉尖區(qū)域是影響風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲的關(guān)鍵區(qū)域，所以此次試驗(yàn)研究將葉尖區(qū)域作為探索降低風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲的關(guān)鍵點(diǎn)，使用丹麥公司的B&K振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)力機(jī)的原型葉片和兩種改型葉尖后葉片的噪聲源的信息進(jìn)行采集，總結(jié)風(fēng)力機(jī)的葉尖結(jié)構(gòu)與風(fēng)力機(jī)噪聲源之間的關(guān)系，以期為風(fēng)力機(jī)的降噪工作提供有力的試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

為識(shí)別額定工況下風(fēng)力機(jī)葉片噪聲源，采用近場(chǎng)聲全息法和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法，其噪聲源識(shí)別試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，由噪聲信號(hào)采集部分、工況控制部分組成。

圖1 噪聲源測(cè)試平臺(tái)

試驗(yàn)風(fēng)洞為DZS-1400×1400/2000×2000-Ⅰ型直流低速風(fēng)洞；噪聲源識(shí)別采用Brüel&Kj?r公司的9712-W-FEN型聲學(xué)攝像機(jī)，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(jī)箱；風(fēng)力機(jī)外特性測(cè)試系統(tǒng)如圖2(b)所示，采用艾德克斯IT8512A+型負(fù)載儀控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使用Fluke公司NORMA 4000CN功率分析儀監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2 噪聲源識(shí)別系統(tǒng)和風(fēng)力機(jī)外特性測(cè)試系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方法

利用聲學(xué)攝像機(jī)，分別采用近場(chǎng)聲全息法和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法對(duì)額定工況下(風(fēng)速6 m/s，轉(zhuǎn)速550 r/min)的不同葉尖結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行噪聲源的識(shí)別與分析。近場(chǎng)聲全息法在近場(chǎng)對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)中低頻噪聲源具有良好的定位能力；波束形成法是在遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)低頻噪聲源定位能力差但對(duì)高頻噪聲具有良好的定位能力，將兩者結(jié)合使用可以對(duì)風(fēng)力機(jī)不同頻段噪聲源準(zhǔn)確定位。為避免風(fēng)力機(jī)尾舵對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集造成影響，故將風(fēng)力機(jī)尾舵固定后對(duì)正風(fēng)洞中心安裝。采集到的噪聲信號(hào)經(jīng)由BK Connect系統(tǒng)分析完成后得到噪聲云圖。

1.3 采樣區(qū)域

使用聲學(xué)照相機(jī)分別采用近場(chǎng)聲全息法和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲源進(jìn)行識(shí)別與分析，試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)各部分安裝位置如圖3所示。

圖3 噪聲源試驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

風(fēng)力機(jī)葉尖前緣點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心與風(fēng)洞開(kāi)口試驗(yàn)段中心在同一軸線上，且風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)洞來(lái)流方向垂直。以風(fēng)力機(jī)的前緣點(diǎn)旋轉(zhuǎn)面為XY平面，前緣點(diǎn)旋轉(zhuǎn)面機(jī)旋的轉(zhuǎn)中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，以風(fēng)洞來(lái)流方向?yàn)閆軸的正方向建立空間直角坐標(biāo)系。

(1)使用遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法采集噪聲信號(hào)，將聲學(xué)照相機(jī)圓形陣列面中心置于X=0，Y=0，Z=150 cm處，此時(shí)聲學(xué)照相機(jī)設(shè)備可采集到完整風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲源信號(hào)。

(2)使用近場(chǎng)聲全息法采集噪聲信息，將聲學(xué)照相機(jī)圓形陣列面中心置于X=65 cm，Y=0，Z=20 cm處，此時(shí)聲學(xué)照相機(jī)設(shè)備可采集到以風(fēng)力機(jī)葉尖前緣點(diǎn)為圓心直徑35 cm范圍內(nèi)近場(chǎng)噪聲源信號(hào)。

2 葉片結(jié)構(gòu)及尺寸

為獲得葉尖結(jié)構(gòu)變化對(duì)風(fēng)力機(jī)聲源分布特性的影響規(guī)律，本試驗(yàn)使用三組葉片進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，未改型葉片[11]如圖4所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 300 W風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片參數(shù)

圖4 葉片三維圖

V型葉尖結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，其中葉尖V槽型區(qū)域開(kāi)槽寬度a=18 mm，開(kāi)槽深度h=53 mm，V槽開(kāi)角θ=20°；W型葉尖結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示，其中葉尖W槽型區(qū)域開(kāi)槽寬度a=14 mm，開(kāi)槽深度h=54 mm，W槽開(kāi)角θ=14°。

圖5 改型葉尖結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在風(fēng)速6 m/s、轉(zhuǎn)速550 r/min的額定工況下采集到不同葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的噪聲源信息，采用BK Connect 系統(tǒng)進(jìn)行處理得到風(fēng)力機(jī)噪聲云圖，分析總結(jié)葉尖改型對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲源位置影響規(guī)律。

3.1 背景噪聲分析

保持風(fēng)洞穩(wěn)定來(lái)流風(fēng)速6 m/s，測(cè)得風(fēng)力機(jī)在掛機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)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(fēng)洞存在3 500～4 500 Hz對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的高頻背景噪聲，此噪聲是由空氣通過(guò)該風(fēng)洞的特殊整流管束時(shí)發(fā)出的噪聲。為避免3 500～4 500 Hz背景噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)中將此頻段的背景噪聲進(jìn)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(fēng)力機(jī)噪聲源分析

3.2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲云圖分析

采用遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法對(duì)不同葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)噪聲源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其噪聲源分布如圖7～圖9所示，以噪聲源位置距風(fēng)力機(jī)葉尖前緣點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心的距離為r，葉輪半徑為R，其比值即r/R為遠(yuǎn)場(chǎng)聲源定位位置。原型葉片風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)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(qū)域附近，V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)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(qū)域附近， W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)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(qū)域附近，對(duì)比發(fā)現(xiàn)噪聲源隨著頻率的升高其聲源位置向葉尖方向移動(dòng)。原型葉片、V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片、W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)高頻Ⅰ段噪聲源分別位于r/R=0.65、r/R=0.72、r/R=0.73區(qū)域附近；原型葉片、V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片、W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)高頻Ⅱ段噪聲源分別位于r/R=0.68、r/R=0.73、r/R=0.77區(qū)域附近，原型葉片、V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片、W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)高頻Ⅲ段噪聲源分別位于r/R=0.79、r/R=0.84、r/R=0.89區(qū)域附近，原型葉片、V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片、W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)高頻Ⅳ段噪聲源分別位于r/R=0.80、r/R=0.85、r/R=0.90區(qū)域附近，對(duì)比發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉尖改型后相比于原葉片噪聲源位置沿風(fēng)力機(jī)的葉尖前緣點(diǎn)旋轉(zhuǎn)面徑向方向葉尖移動(dòng)，其中降噪效果最好的W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片相對(duì)V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片噪聲源位置移動(dòng)范圍更大。

圖7 原葉片遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲云圖

圖8 V型葉片遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲云圖

圖9 W型葉片遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲云圖

3.2.2 近場(chǎng)噪聲云圖分析

由于遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法對(duì)低頻帶噪聲源定位能力較差，為更清晰觀測(cè)到葉尖改型對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲源的影響，使用近場(chǎng)聲全息法[12]對(duì)葉尖處低頻段噪聲源監(jiān)測(cè)得到不同葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)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(chǎng)噪聲源定位位置。原型葉片風(fēng)力機(jī)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(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)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(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)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(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)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(dòng)；原型葉片、V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片、W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)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(duì)比發(fā)現(xiàn)改型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)相比于原葉片噪聲源位置向葉尖方向移動(dòng)，W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片相對(duì)V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片噪聲源位置移動(dòng)距離更遠(yuǎn)；葉尖改型后結(jié)構(gòu)使得葉尖渦破碎成小渦[13]，導(dǎo)致改型葉尖結(jié)構(gòu)葉片相比于原葉片噪聲源區(qū)域縮小，W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片在低頻Ⅱ段出現(xiàn)噪聲源分塊現(xiàn)象。

圖10 原葉片近場(chǎng)噪聲云圖

圖11 V型葉片近場(chǎng)噪聲云圖

圖12 W型葉片近場(chǎng)噪聲云圖

4 結(jié)論

通過(guò)統(tǒng)計(jì)風(fēng)力機(jī)在額定工況下近場(chǎng)聲全息法和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法采集到的風(fēng)力機(jī)噪聲源信息，分析得出以下結(jié)論。

(1)原型葉片風(fēng)力機(jī)噪聲源最大聲壓級(jí)80 dB， V型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)噪聲源最大聲壓級(jí)76 dB，W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片風(fēng)力機(jī)噪聲源最大聲壓級(jí)為74 dB，W型葉尖結(jié)構(gòu)葉片具有良好的降噪效果。

(2)在額定工況下，風(fēng)力機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域噪聲源主要集中在葉片中部至葉尖區(qū)域，葉尖改型后風(fēng)力機(jī)噪聲源位置向葉尖方向移動(dòng)，其中由于W型葉尖結(jié)構(gòu)使得葉尖渦破碎成小渦，造成噪聲源明顯的分塊現(xiàn)象，使得W型葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的噪聲源向葉尖移動(dòng)最為明顯。