劉 燕 薛 宇 岳巍澎

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 102206； 2.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102206)

噪聲可分為氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲[1,2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的噪聲屬于氣動(dòng)噪聲，是由葉片周圍的空氣流動(dòng)造成的。氣動(dòng)噪聲通常可分為低頻噪聲和調(diào)幅噪聲[3]。其中低頻噪聲人耳聽不見，身體卻能感覺到，會(huì)導(dǎo)致頭暈、惡心及眩暈等癥狀[4]。調(diào)幅噪聲處于人耳可聽到的頻率范圍內(nèi)，因而會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)或風(fēng)場(chǎng)周圍的居民睡眠困難。

現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-11[5]，用聲功率來進(jìn)行噪聲的量化分析，對(duì)具有很強(qiáng)時(shí)域特征的調(diào)幅噪聲不能很好地表征。調(diào)幅噪聲，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)特有的一種噪聲，又稱為嗖嗖噪聲，因其很強(qiáng)的時(shí)域特性，又在人耳可聽范圍之內(nèi)，致使風(fēng)電場(chǎng)周圍處在噪聲傳播范圍之內(nèi)的居民產(chǎn)生睡眠及相關(guān)精神健康等一系列問題[6]。目前，在國外它已也成為影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝的主要因素之一。因此，這種特殊風(fēng)場(chǎng)的氣動(dòng)噪聲問題亟待解決。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)幅噪聲因其時(shí)域特性，使得其測(cè)量、分析方法與常規(guī)噪聲不同，同時(shí)其包絡(luò)線是葉片通過頻率，所以它給人“低頻”噪聲的印象。因此，有必要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的氣動(dòng)噪聲構(gòu)建一套標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試流程和測(cè)試技術(shù)，以規(guī)范風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣動(dòng)噪聲的測(cè)量與記錄方法。Lundmark G提出了一種測(cè)量調(diào)幅噪聲的新方法[7]，筆者結(jié)合這種方法測(cè)量調(diào)幅噪聲，對(duì)結(jié)果分析，同時(shí)基于測(cè)量模型對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行聲學(xué)模擬，并與測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)對(duì)比分析。

1.1 測(cè)量位置

定義下風(fēng)向測(cè)量位置為標(biāo)準(zhǔn)位置，兩個(gè)調(diào)幅噪聲測(cè)量位置分別位于風(fēng)機(jī)前端的上風(fēng)向±45°處，如圖1所示。高頻麥克風(fēng)安裝于風(fēng)機(jī)上風(fēng)向45°(誤差不大于15°)，并距離風(fēng)機(jī)中心125m的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)量葉片的氣動(dòng)調(diào)幅噪聲。第三個(gè)測(cè)點(diǎn)是風(fēng)機(jī)下風(fēng)向125m處，用于測(cè)量風(fēng)機(jī)的聲功率。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲近場(chǎng)區(qū)測(cè)點(diǎn)分布

各測(cè)點(diǎn)至風(fēng)機(jī)中心的水平距離的計(jì)算公式為[5]：

(1)

式中D——葉輪直徑；

H——葉輪中心到地面的垂直距離。

1.2 測(cè)量方法

國外對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪氣動(dòng)聲學(xué)[8,9]、葉輪氣動(dòng)噪聲[10,11]、調(diào)幅噪聲[7,12]和轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲[13]進(jìn)行了相應(yīng)的理論和數(shù)值研究。Lundmark G[7]定義了衡量和量化調(diào)幅噪聲的方法，即以10min為測(cè)量區(qū)間，記錄大于5dB(A)的觀測(cè)振幅。振幅為50ms基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)最大幅值與平均最小值之差。

為了更有效地測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)幅噪聲，結(jié)合Lundmark G的分析方法，筆者提出了新的方法，測(cè)量和分離調(diào)幅噪聲，如圖2所示。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)幅噪聲測(cè)量和數(shù)據(jù)分析流程

風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)幅噪聲測(cè)量和數(shù)據(jù)分析方法分以下幾步：

a. 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)前端的上風(fēng)向±45°處測(cè)量并記錄風(fēng)力發(fā)電機(jī)的時(shí)域聲壓值；

b. 將測(cè)得的聲壓信號(hào)經(jīng)過高通濾波器處理得到調(diào)頻噪聲，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)頻譜分析選取合適的截止頻率，本風(fēng)力發(fā)電機(jī)高通濾波器的截止頻率為200Hz；

c. 將調(diào)頻噪聲信號(hào)通過dB計(jì)算獲得即時(shí)噪聲強(qiáng)度水平；

d. 通過FFT獲得調(diào)頻噪聲幅值和葉片通過頻率。

1.3 氣動(dòng)聲學(xué)模擬方法

現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在需要高效率的同時(shí)也應(yīng)降低噪聲。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的噪聲源與風(fēng)輪空氣動(dòng)力性能和葉片氣動(dòng)彈性變形具有強(qiáng)耦合關(guān)系。因此，需要研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，數(shù)值模擬能夠發(fā)揮作用，同時(shí)可以與翼型、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)洞數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比、驗(yàn)證。圖3為風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲模擬原理。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲模擬方法和流程

降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲最有效的方法是在設(shè)計(jì)階段就考慮降低噪聲。有必要整合風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬分析與噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開發(fā)氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)方法。開發(fā)的方法和工具同時(shí)可以用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模擬分析基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)場(chǎng)模型，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模擬、風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)模擬、翼型、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)場(chǎng)的聲學(xué)計(jì)算。計(jì)算得到的翼型、葉輪的時(shí)域和頻域噪聲信號(hào)，要與風(fēng)洞測(cè)試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證關(guān)聯(lián)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)模擬方法為：

a. 理論計(jì)算得到葉片截面的入流角，CFD計(jì)算得到翼型、葉片表面壓力和氣動(dòng)性能參數(shù)；

b. 使用FWH噪聲理論預(yù)測(cè)模型，基于CFD的計(jì)算結(jié)果對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲評(píng)估。

2 結(jié)果分析

基于上述測(cè)量和建模方法，筆者對(duì)2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)量分析。圖4a為實(shí)際測(cè)量的信號(hào)和濾波后的時(shí)域信號(hào)，圖4b為模擬信號(hào)和濾波后信號(hào)的對(duì)比，結(jié)果顯示模擬數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)之間有著非常良好的相關(guān)性。測(cè)量數(shù)據(jù)的振幅有波動(dòng)，可能是由非穩(wěn)態(tài)風(fēng)與大氣湍流效應(yīng)引起的。

圖4 測(cè)量數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)與濾波后數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5a為高通濾波后數(shù)據(jù)的時(shí)間頻率圖，從中可以清楚地看出低頻頻譜占主要部分。因此，圖5b中所示的dbC標(biāo)準(zhǔn)更適合于評(píng)估噪聲的調(diào)幅信號(hào)。

圖5 時(shí)間頻率圖

圖6中顯示了濾波后數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，可以看出主要的峰值特征和趨勢(shì)有很好的關(guān)聯(lián)，測(cè)量數(shù)據(jù)存在的波動(dòng)，是由于實(shí)際風(fēng)況下不穩(wěn)定的風(fēng)和湍流引起的。圖7為一組濾波后數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)頻譜圖。其中，模擬數(shù)據(jù)中高頻部分能量少，主要是由于在模擬計(jì)算中相對(duì)低的分辨率造成的。

近年來，海上風(fēng)力發(fā)電大幅增長(zhǎng)，由于海上噪聲傳播和熱反效應(yīng)的影響，噪聲傳播與陸地不同，為了更好地理解海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲與陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)的噪聲傳播差異，對(duì)海上5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)和陸上2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速8m/s的工況進(jìn)行研究。5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片直徑140m，轉(zhuǎn)速13r/min；2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片直徑100m，轉(zhuǎn)速15r/min。

圖6 濾波后數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)曲線

圖7 模擬數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)頻譜圖

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，此處不考慮塔影的影響，主要集中在低頻噪聲和調(diào)幅噪聲。測(cè)量位置為近場(chǎng)IEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量位置和10km遠(yuǎn)場(chǎng)位置。圖8為低頻噪聲和調(diào)幅噪聲在兩個(gè)測(cè)量位置的聲功率水平?？梢钥闯?，在近場(chǎng)位置，海上5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)幅值較高，而在遠(yuǎn)場(chǎng)位置，由于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)大都離岸邊距離大于10km，因此可以忽略噪聲的影響。

圖8 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)幅噪聲和低頻噪聲模擬結(jié)果

3 結(jié)束語

結(jié)合Lundmark G的噪聲數(shù)據(jù)分析方法，提出了一種氣動(dòng)噪聲(調(diào)幅噪聲)測(cè)量、分析和預(yù)測(cè)方法，即將測(cè)量噪聲信號(hào)高通濾波后求解瞬時(shí)dBC值，并進(jìn)行傅里葉變換求取調(diào)幅噪聲幅值和葉片通過頻率。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有很好的關(guān)聯(lián)。證明該模擬方法能夠很好地預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)幅噪聲?？梢圆捎迷摲椒A(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)幅噪聲，評(píng)估調(diào)幅噪聲對(duì)周邊社區(qū)的影響程度。為了便于氣動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的建立，后期還需要對(duì)不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其更多工況下的噪聲進(jìn)行分析，建立預(yù)測(cè)模型。

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