文／李海濤 張錦南 郭輝 趙大文

風電機組葉片降噪研究﹡

文／李海濤 張錦南 郭輝 趙大文

風能作為解決常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化問題的一種清潔可再生能源，已成為各國能源工業(yè)關(guān)注和發(fā)展的熱點。風能的利用能減少化石能源的消耗，間接減輕了大氣污染和水污染，但處理不當則會增加噪聲污染。隨著我國風電裝機容量和國產(chǎn)化程度的不斷擴大，風電機組的噪聲問題逐漸顯現(xiàn)出來，干擾人們的工作和生活。因此，風電機組的噪聲控制非常必要，如果不認真研究解決，可能會成為制約我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個障礙。本文首先對風電機組葉片降噪相關(guān)的國內(nèi)外專利和研究標準進行簡單分析，然后對風電機組的重要部件葉片進行噪聲機理和控制技術(shù)分析，并從葉片設(shè)計方面闡述若干種可行的降噪措施和方法。

葉片降噪專利簡析和相關(guān)標準

在風電機組噪聲研究領(lǐng)域，國外起步較早。目前國外幾大風電巨頭已申報了大量專利。表1列舉了最近幾年關(guān)于葉片降噪的部分美國專利。從表中可以看出專利申請人涵蓋了全球幾大風電巨頭。專利涉及的發(fā)明內(nèi)容多以通過附加的組件改變?nèi)~片渦流，進而達到降噪的目的。

表2匯總了國內(nèi)申報的大型機組葉片降噪發(fā)明專利（由于檢索的局限性，有可能未能涵蓋全部專利）?？梢钥闯觯@些專利申請時間均較晚，除一項已獲授權(quán)外，其余均未授權(quán)。從專利申請人看，尚無國內(nèi)風電龍頭的身影。8項專利中有7項與后緣鋸齒有關(guān)，顯示這一領(lǐng)域的研究比較深入，業(yè)內(nèi)對其降噪效果也比較樂觀。表3列出了研究風電機組噪聲的常用標準，供參考。

噪聲分析

風電機組在工作過程中受到風及機械部件激勵作用（機艙內(nèi)部的電機、齒輪箱、軸承等主要機械部件在運轉(zhuǎn)過程中相互碰撞摩擦產(chǎn)生振動）會產(chǎn)生較大的噪聲。風電葉片的噪聲源主要為風輪葉片旋轉(zhuǎn)時引起葉片結(jié)構(gòu)振動噪聲和空氣動力噪聲。

表1 涉及葉片降噪的部分美國專利

一、 結(jié)構(gòu)振動噪聲

葉片結(jié)構(gòu)振動噪聲是葉片與空氣產(chǎn)生摩擦或沖擊及旋轉(zhuǎn)過程中作用在葉片上的重力等因素，引起葉片在擺振和揮舞方向發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)及彎扭組合振動的噪音。

二、空氣動力噪聲

葉片空氣動力噪聲是由于氣體非穩(wěn)定流動，即氣流的擾動，氣體與氣體及氣體與物體相互作用而產(chǎn)生的噪聲，按產(chǎn)生機理可分為旋轉(zhuǎn)噪聲（氣壓脈動）和渦流噪聲（紊流噪聲）。

（1）旋轉(zhuǎn)噪聲是葉片旋轉(zhuǎn)時不斷擊打空氣，引起周圍氣體的壓力脈動造成氣流很大的不均勻性，從而向周圍輻射噪聲。

（2）渦流噪聲又稱為紊流噪聲。它主要是氣流流經(jīng)葉片界面產(chǎn)生分裂時，形成附面層及漩渦分裂脫離從而引起的一種非穩(wěn)定流動噪聲。

表3 風電機組噪聲的相關(guān)標準

葉片降噪技術(shù)

工程噪聲的控制一般從三個角度考慮：一是從減少噪聲聲源著手；二是從噪聲的傳播途徑著手，進行隔聲處理和吸聲處理降低噪聲；三是從噪聲接收者著手，對其進行保護。

表2 國內(nèi)葉片降噪的發(fā)明專利

葉片振動噪聲和空氣動力噪聲的產(chǎn)生與風輪葉片相關(guān)，隨著風電行業(yè)的發(fā)展和大型兆瓦級葉片的應(yīng)用，這部分噪音變成一個日益重要的CTQ（關(guān)鍵質(zhì)量特性），制約著葉片設(shè)計的效率和產(chǎn)量。因此，從葉片方面想辦法降噪有很大的研究和應(yīng)用前景，主要從葉片的外形、翼型、結(jié)構(gòu)及材料等方面進行研究和設(shè)計可行的措施來降低噪聲。

一、改變?nèi)~片表面渦流降噪

在葉片表面和邊緣設(shè)置凹凸、條紋、鱗片等非平滑的形態(tài)，這些結(jié)構(gòu)通常被稱為“渦流發(fā)生器”（vortex generator），如圖1 所示。研究表明，葉片表面和邊緣的非光滑形態(tài)仿生設(shè)計，減少翼型表面紊流附面層壓力脈動及葉片前緣對空氣的沖擊噪聲。同時原葉片表面產(chǎn)生的大渦流轉(zhuǎn)變?yōu)闊o數(shù)微小湍流并使附面層渦流群趨向有序化，延緩翼型后部渦流分離脫落。這將導(dǎo)致葉片產(chǎn)生更大的升力，以及微小湍流產(chǎn)生的噪聲能夠快速衰減，有效降低氣流流經(jīng)前后翼型表面時翼型間的擾流作用,減小渦流脈動噪聲和尾緣渦流脫離噪聲。

圖1顯示的是葉片表面粘貼的凹凸不平的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可粘貼在葉片的吸力面和壓力面。圖2顯示的是三角形的渦流發(fā)生器，該渦流發(fā)生器的大小、形狀和安裝角度在不同的區(qū)域可以不一致。這種渦流發(fā)生器一般設(shè)置在葉片的壓力面及葉片根部和后緣。

二、改變?nèi)~片后緣渦流降噪

翼型湍流邊界層與尾緣相互作用產(chǎn)生的尾緣噪聲是翼型自噪聲的最主要分量，多年來研究者們已經(jīng)在理論、數(shù)值和實驗方面開展了多方面研究，但有關(guān)翼型尾緣噪聲的產(chǎn)生機理和抑制方法仍有待深化與發(fā)展。尾緣齒形結(jié)構(gòu)的氣流噪聲控制機理研究表明，葉片尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以改變各截面尾跡渦的脫落位置，從而增大了渦心之間的距離，抑制了脫落渦對尾跡流動的擾動，進而減小了葉片表面的非定常壓力脈動和尾跡渦引起的氣動噪聲。如圖3－5，對葉片后緣全部或靠近葉尖部分進行鋸齒形設(shè)計，采用切割葉片后緣或?qū)缶壐郊愉忼X是一種可行的降噪方案，尤其對中低頻段的遠場氣動噪聲有比較明顯的降低效果；另外附加鋸齒對翼型壁面動態(tài)載荷的影響較小，基本不影響翼型的氣動性能。

三、改變?nèi)~尖渦流降噪

葉片旋轉(zhuǎn)運動時，由于葉尖壓力面和吸力面的壓力差，導(dǎo)致壓力面氣流繞過葉尖端面流入吸力面，既破壞了葉尖二維流動情況，同時會產(chǎn)生葉尖渦。這種情況廣泛存在于風電機組葉片和飛機機翼工作中，通過對葉尖渦強度和控制方法的研究表明，葉尖渦是風電機組空氣動力噪聲的主要來源之一，如圖6－8，在葉片尖部安裝“小翼”（winglets）和襟翼（flaps或gurney flaps）是比較可行的降噪方法。葉尖“小翼”能夠抑制擾流和旋渦的產(chǎn)生，襟翼通過優(yōu)化形狀和安裝角度可以來捕捉和引導(dǎo)渦旋氣流，削弱其漩渦強度，提高葉片氣動性能，降低運行噪聲。

圖1 葉片表面凹凸設(shè)計 圖2 三角形渦流發(fā)生器

圖3 葉片后緣鋸齒設(shè)計

圖4 西門子Dino-Tails?鋸齒狀后緣

圖5 鋸齒形后緣安裝在葉片上的情形

四、 阻尼減震降噪

阻尼減振降噪技術(shù)是利用阻尼材料的特性以及阻尼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，耗散結(jié)構(gòu)件的振動能量，來達到減振降噪的目的。阻尼減振技術(shù)近年來在新材料的研制以及應(yīng)用技術(shù)方面得到了迅速的發(fā)展，尤其在航空航天、汽車家電、儀器儀表、建筑業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在的葉片大多采用空腹薄壁結(jié)構(gòu)，可以在振動比較厲害的葉片中后端到葉尖部分的殼體內(nèi)部進行部分和全部的自由阻尼處理，比如填充貼附阻尼材料，通過振動波與阻尼材料或阻尼結(jié)構(gòu)的相互作用消耗能量，使葉片振動衰減，降低噪聲。

五、改變?nèi)~片外形弦長設(shè)計降噪

在一款葉片設(shè)計中，在不影響其他性能的前提下，可適當降低葉根段的弦長。另一方面，風輪產(chǎn)生的噪音往往隨葉尖弦的增加而提高，為降低噪音，也可適度降低葉尖弦長。為了保證風輪的功率不下降，適度加大葉片從中部到中后部區(qū)域，主要是0.5到0.8的葉片長度的弦長。

六、 采用先進翼型葉片降噪

現(xiàn)代風電機組葉片采用的大多是由美國宇航局的NACA系列翼型族。針對葉片展向各處對翼型設(shè)計的不同要求，基于翼型氣動性能及噪聲預(yù)測理論,以多攻角范圍內(nèi)翼型最大風能利用系數(shù)為設(shè)計目標，各國相繼開發(fā)葉片專用翼型。比如，荷蘭的Du系列翼型，丹麥的RisΦ－A1、RisΦ－P、RisΦ－B1翼型，瑞典航空研究院FFAW1、W2、W3系列及美國新能源實驗室NREL S系列翼型等。這些專用翼型的應(yīng)用都會大大的改善風電機組的效率和降低噪聲。

七、 限制葉尖線速度降噪

一般來說，葉片氣動噪聲與葉尖線速度的5次方成正比。在葉片設(shè)計時，需權(quán)衡葉片長度與額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系。對于成熟型號的葉片，必要時也可以通過降低額定轉(zhuǎn)速來達到降噪的目的。不過一般會損失一定的發(fā)電量。目前已有部分主機廠能提供降低轉(zhuǎn)速來降低噪聲的運行模式供客戶選擇。

圖6 安裝在葉尖的小翼 圖7 小翼的四種樣式

圖8 安裝在葉片上的襟翼

結(jié)語

葉片降噪設(shè)計對降低風電機組噪聲污染、提高風電機組氣動性能、延長使用壽命有重要意義。處理葉片結(jié)構(gòu)振動噪聲和空氣動力噪聲，可通過對風電機組的頻率和轉(zhuǎn)速進行合理調(diào)節(jié)，改用先進的翼型和外形優(yōu)化設(shè)計，在葉片上使用附加組件，如安裝葉尖小翼、擾流器或后緣鋸齒等改善氣動效果，減低噪聲的產(chǎn)生。另外，阻尼減振降噪控制和噪聲傳播中的隔聲降噪控制可作為風電機組噪聲治理的重要輔助手段，增強降噪效果。

(作者單位：李海濤、張錦南、郭輝：上海玻璃鋼研究院有限公司；趙大文：上海電氣風能有限公司)

上海市科委《風電葉片降噪技術(shù)、耐磨蝕涂層技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)》（課題編號：13DZ0511300）