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        風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時域分析方法研究

        2015-03-11 07:46:58周鵬展廖力達(dá)
        河北科技大學(xué)學(xué)報 2015年2期
        關(guān)鍵詞:接收點風(fēng)力機(jī)時域

        趙 華,周鵬展,張 亢,廖力達(dá)

        (長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,湖南長沙 410114)

        為了保障國家能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,近年來中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,到2013年底,風(fēng)電已經(jīng)成為中國第三大能源,風(fēng)電新增裝機(jī)容量為16 088.7 MW,同比增長24.1%;累計裝機(jī)容量為91 412.9 MW,同比增長21.4%,兩項數(shù)據(jù)均居世界第一[1]。中國風(fēng)資源豐富,主要集中在三北(東北、華北、西北)以及東南沿海及附近島嶼,而電力需求主要集中在東南沿海及中部人口密集地區(qū),受電網(wǎng)“消納”能力的限制,目前中國風(fēng)電應(yīng)用正在向沿海和中部風(fēng)資源相對豐富、經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)擴(kuò)展,但由于沿海和中部地區(qū)人口比較稠密,風(fēng)力機(jī)在運行時產(chǎn)生的氣動噪聲會對風(fēng)電場附近居民的生活造成影響[2],而中國在2008年頒布的《風(fēng)電場噪聲限值及測量方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,居民生活區(qū)的噪聲不得超過60 dB,因此風(fēng)力機(jī)葉片的氣動噪聲問題開始引起研究人員的關(guān)注。

        現(xiàn)階段對風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的分析主要有兩類方法,一類是應(yīng)用CFD軟件對其氣動噪聲進(jìn)行計算[3-4],且費時費力[5-6]。另一類是基于大量實驗數(shù)據(jù),擬合得到氣動噪聲分析模型,其通用性和拓展性不佳[7],兩者都難以適應(yīng)風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲隨風(fēng)速變化的動態(tài)分析需求[8-9]。

        本文基于傳統(tǒng)氣動聲學(xué)理論[10],考慮風(fēng)力機(jī)運行狀態(tài)、來流風(fēng)速和接收點位置等因素的影響,建立風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的修正模型,運用時域分析方法對一種2 MW的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲進(jìn)行數(shù)值計算,并通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗驗證,為開發(fā)低噪聲風(fēng)力機(jī)葉片提供理論依據(jù)。

        1 氣動噪聲形成機(jī)理

        風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的產(chǎn)生是由于空氣在風(fēng)力機(jī)葉片周圍的高速流動引起的[11],其流動如圖1所示,其氣動噪聲的大小與風(fēng)力機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速、入流速度、位置等因素有關(guān),風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)過程中葉片厚度變化對葉片表面氣流的影響和運動速度的變化,導(dǎo)致厚度噪聲的產(chǎn)生;風(fēng)力機(jī)葉片載荷的變化,導(dǎo)致載荷噪聲的產(chǎn)生。

        圖1 風(fēng)力機(jī)葉片氣流流動示意圖Fig.1 Schematic of the flow around the wind turbine blades

        2 氣動噪聲時域分析方法

        2.1 風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲修正模型

        本文基于傳統(tǒng)氣動聲學(xué)理論[12],在關(guān)于面聲源的時域解[13]的基礎(chǔ)上,考慮風(fēng)力機(jī)葉片的運行狀態(tài)、來流風(fēng)速以及接收點位置等因素的影響,將風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲分為載荷噪聲[14-15]、厚度噪聲[16-17]和擾動噪聲3種進(jìn)行分析,建立風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的修正模型。

        1)風(fēng)力機(jī)葉片載荷噪聲的計算公式

        式中:l˙i為相對于時間 τ的載荷導(dǎo)數(shù),下標(biāo)i表示沿xi軸方向的分量為f=0上的當(dāng)?shù)厮俣?Mai=Vi/c0,M˙ai為相對于時間τ的Mai導(dǎo)數(shù);=(xi-yi)/r為單位輻射矢徑;ds為f=0面上的面積元素為接收點距離聲源的距離;下角標(biāo)ret表示方括號中所有對應(yīng)于延遲時間的參量都取它們各自在其發(fā)射時刻τe的值;li為葉片表面對當(dāng)?shù)亓黧w的法向作用力與xi軸方向上的分量;lr為l在接收點方向上的投影。

        2)風(fēng)力機(jī)葉片厚度噪聲的計算公式

        式中:V˙n=?Vn/?τ,Vn=-?f/?τ為葉片表面的法向速度。

        3)風(fēng)力機(jī)葉片擾動噪聲的計算公式

        根據(jù)風(fēng)力機(jī)的運行狀態(tài),考慮來流風(fēng)速對風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲計算結(jié)果的影響,設(shè)定擾動噪聲譜級與風(fēng)速的擬合關(guān)系為

        式中:參數(shù)v為當(dāng)?shù)仫L(fēng)速,單位m/s;參數(shù)p'為擾動噪聲,單位dB;參數(shù)a,b為修正系數(shù)。

        本文通過實際測量湖南風(fēng)電場某2 MW風(fēng)力機(jī)來流風(fēng)速和氣動噪聲數(shù)據(jù),根據(jù)最小方差準(zhǔn)則,經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算,確定取a=1.03,b=21.8,則風(fēng)力機(jī)葉片擾動噪聲的計算公式可寫為

        綜上所述,本文基于傳統(tǒng)氣動聲學(xué)理論建立的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲修正模型為

        2.2 風(fēng)力機(jī)葉片氣動載荷計算方法

        風(fēng)力機(jī)葉片上的氣動力載荷主要分為擺振載荷Mb與揮舞載荷Mh[18-19],基于動量葉素理論,把風(fēng)力機(jī)葉片沿展向分成20個葉素,設(shè)第i個葉素所對應(yīng)的擺振載荷和揮舞載荷分別為Mbi和Mhi,將各葉素上的對應(yīng)載荷進(jìn)行累加,得到整個風(fēng)力機(jī)葉片的擺振載荷Mb與揮舞載荷Mh分別為

        2.3 坐標(biāo)變換

        時域分析法預(yù)測風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲[13]的計算公式中,被積函數(shù)是延遲時間和空間位置的函數(shù),需要用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換確定被積函數(shù)中聲源位置相對于固定坐標(biāo)下接收點的位置。

        固定坐標(biāo)系O1A1B1C1固定在未擾動流體中,其原點O1位于風(fēng)力機(jī)葉片的輪轂中心,A1軸與風(fēng)力機(jī)塔筒平行,向下為正,C1與地面平行,逆風(fēng)向為正,B1軸方向位于A1軸右側(cè),與A1軸和C1軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

        旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系O1A2B2C2的C2軸與固定坐標(biāo)系中C1軸重合,A2軸和B2軸位于風(fēng)力機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi),且B2軸為沿風(fēng)力機(jī)葉片變槳軸線在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的投影方向,θ為風(fēng)力機(jī)葉片方位角。固定坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

        式中:(i1,j1,k1)表示空間某點位于固定坐標(biāo)系中的位置;(i2,j2,k2)表示空間某點位于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的位置。

        隨葉坐標(biāo)系O1A3B3C3的B3軸為沿風(fēng)力機(jī)葉片變槳軸方向,與B2軸重合,ψ為槳距角,如圖2所示。隨葉坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

        式中:(i3,j3,k3)表示空間某點位于隨葉坐標(biāo)系中的位置;(i2,j2,k2)表示空間某點位于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的位置。

        圖2 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和隨葉坐標(biāo)系Fig.2 Rotating coordinate system and leaf coordinate system

        2.4 延遲時間的求解

        延遲時間方程為

        延遲時間方程是用來確定葉片表面某點聲源在離接收點不同距離處發(fā)射聲波時刻的基本方程,延遲時間方程g=0表示一個半徑為r=c0(t-τ)的球面。風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的計算是在整個風(fēng)力機(jī)葉片表面進(jìn)行的,將風(fēng)力機(jī)葉片的表面劃分為若干個葉素,對于某一確定位置x和確定接收時刻t的接收點來說,風(fēng)力機(jī)葉片表面每一葉素上的聲源都對應(yīng)一個不同的延遲時間τ,對面積進(jìn)行積分,通過反復(fù)迭代計算得出延遲時間[4]。

        將位于隨葉坐標(biāo)系中風(fēng)力機(jī)葉片表面某點的坐標(biāo)(a',b',c')轉(zhuǎn)換為該點在固定坐標(biāo)系下的軌跡y(τ)。設(shè)固定坐標(biāo)系下接收點的位置矢量為x=(x1,x2,x3),則其延遲時間方程為

        3 數(shù)值仿真

        根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時域分析方法,對海拔高度在1 600~1 860 m之間的湖南風(fēng)電場的某2 MW風(fēng)力機(jī)葉片的氣動噪聲進(jìn)行數(shù)值仿真[20-22],計算所需的風(fēng)力機(jī)基本參數(shù)如表1所示,其控制方式為變槳控制。

        表1 風(fēng)力機(jī)基本參數(shù)表Tab.1 Basic parameters ofwind turbine

        運用風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時域分析方法,根據(jù)風(fēng)力機(jī)運行狀態(tài),計算得到風(fēng)力機(jī)葉片氣動載荷以及風(fēng)力機(jī)葉片的速度分布,根據(jù)接收點的位置,運用坐標(biāo)系變換關(guān)系,將固定坐標(biāo)系下的風(fēng)力機(jī)葉片速度分布轉(zhuǎn)換為隨葉坐標(biāo)系下的速度分布,并根據(jù)擾動噪聲計算公式,引入來流風(fēng)速對氣動噪聲的影響,通過風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的修正模型,計算得到風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的理論值。風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時域分析計算流程圖如圖3所示。

        基于Matlab軟件中的Simulink仿真模塊,運用時域分析方法,建立如式(1)—式(4)所示的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲修正模型,計算得到的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲仿真圖如圖4所示。

        圖3 風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時域分析流程圖Fig.3 Flow chart of time domain analysis of aerodynamic noises from wind turbine blades

        圖4 風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的時域計算仿真圖Fig.4 Simulation diagram of the time domain calculation of aerodynamic noises from wind turbine blades

        在對風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲進(jìn)行計算時,將風(fēng)力機(jī)葉片分為n個葉素,本文中取n=20,對各葉素相對于接收點距離10 m和各接收點時刻t=0 s所對應(yīng)的各發(fā)射時刻τ,利用PPtime函數(shù)進(jìn)行求解,在各葉素上聲源的發(fā)射時刻確定后,由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系ZBZH函數(shù)求出風(fēng)力機(jī)葉片各葉素在固定坐標(biāo)系下的幾何位置、運動狀態(tài),根據(jù)load函數(shù)計算得到風(fēng)力機(jī)葉片氣動載荷,確定風(fēng)力機(jī)葉片載荷噪聲和厚度噪聲計算公式中的被積函數(shù)值,根據(jù)來流風(fēng)速計算得到擾動噪聲,利用建立的修正模型求出各葉素上各聲源所對應(yīng)的聲場聲壓解。最后將其所有聲源的聲場解進(jìn)行疊加,就構(gòu)成了聲壓時間歷程中的一個點,再考慮各個接收點的時刻t,求出以時間為橫坐標(biāo),聲壓值為縱坐標(biāo)的波形圖。理論計算得到的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲A加權(quán)時間歷程圖如圖5所示。

        圖5為根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的修正模型,運用時域分析方法得到90 s內(nèi)風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的時間歷程圖。風(fēng)力機(jī)葉片在繞葉輪中心高速旋轉(zhuǎn)時,在運行過程中使得氣流發(fā)生劇烈的擾動,導(dǎo)致氣動噪聲的產(chǎn)生。風(fēng)力機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)平面的每個位置相對于距離塔筒中心10 m的正面接收點來說差別不大,正面接收點的聲壓值波動較小,其平均聲壓值約為57 dB(A);當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時,相對距離塔筒中心10 m的側(cè)面接收點而言,其位置差別較大,這時側(cè)面接收點的聲壓值波動也較大,但其平均聲壓值較小,大約為53 dB(A)。

        圖5 理論計算的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時間歷程圖Fig.5 Time sequence diagrams of theoretical calculations of wind turbine blades aerodynamic noise

        4 實驗結(jié)果分析

        采用HT-8352噪聲測量儀對該風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲進(jìn)行測量,測量點的布置如圖6所示,在距離風(fēng)力機(jī)塔筒地面中心位置R為10 m的正面和側(cè)面分別布置測試點MP1和MP2。測量時間間隔為1 s,并通過數(shù)據(jù)線導(dǎo)出到計算機(jī),對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

        在風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的測量過程中,通過風(fēng)電場集控室獲取90 s時間內(nèi)風(fēng)力機(jī)來流風(fēng)速及對應(yīng)風(fēng)速下輸出功率的具體數(shù)據(jù),并繪制成曲線如圖7所示。

        圖6 測量點布置示意圖Fig.6 Schematic diagram ofmeasuring point

        圖7 風(fēng)速與輸出功率隨時間的變化曲線圖Fig.7 Variation diagrams of wind speed and output power with time

        由于A加權(quán)聲壓級能較好地反映人對噪聲的主觀感覺,本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2888—2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測量方法》給出的處理方法,繪制A加權(quán)聲壓曲線。在圖7所示90 s內(nèi)的風(fēng)速下,對風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲進(jìn)行測量,得到的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時間歷程圖如圖8所示。

        距離風(fēng)力機(jī)塔筒地面中心10 m的正面接收點,在90 s內(nèi)接收到的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的平均噪聲水平為57 dB(A),距離風(fēng)力機(jī)塔筒地面中心10m的側(cè)面接收點,在90 s內(nèi)接收到的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的平均噪聲水平為53 dB(A),從圖8可見,其正面接收點的氣動噪聲的平均值比側(cè)面高,說明該風(fēng)場的風(fēng)力機(jī)氣動噪聲具有指向性。

        理論計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果的比較如圖9所示,實驗測試是利用HT-8352噪聲測量儀對風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲進(jìn)行測量,并記錄測量時間和接收點的位置,利用風(fēng)電場集控室的監(jiān)視結(jié)果獲取測量時間內(nèi)對應(yīng)的風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)輸出功率,理論計算結(jié)果運用時域分析方法,根據(jù)建立風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的修正模型,進(jìn)行自編寫程序計算得到實驗測量時間對應(yīng)風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲值。從圖9可見理論計算值與實驗測試值的平均值比較吻合,說明基于傳統(tǒng)氣動聲學(xué)理論,考慮風(fēng)力機(jī)運行狀態(tài)、來流風(fēng)速以及接收點位置的影響,建立的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲修正模型是正確的。但由于實際測試受外界環(huán)境的植被吸收、地面反射等因素的影響,以及測量設(shè)備、測量方法等原因使得實際測試結(jié)果與理論計算結(jié)果之間會存在一定的局部偏差。

        圖8 實測風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時間歷程圖Fig.8 Time sequence diagrams ofmeasured wind turbine blades aerodynamic noise

        圖9 理論與實測風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲時間歷程對比圖Fig.9 Time sequence diagrams of theoretical calculations and measured wind turbine blades aerodynamic noise

        5 結(jié)論

        以湖南風(fēng)電場某2 MW風(fēng)力機(jī)葉片為研究對象,建立其氣動噪聲修正模型,運用時域分析方法對風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲進(jìn)行數(shù)值計算,并通過與實驗測試結(jié)果對比,得到了以下結(jié)論。

        1)在傳統(tǒng)氣動聲學(xué)理論基礎(chǔ)上,考慮風(fēng)力機(jī)運行狀態(tài)、來流風(fēng)速以及接收點位置等因素的影響,建立了風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的修正模型。

        2)根據(jù)最小方差準(zhǔn)則,通過對湖南風(fēng)電場某2 MW風(fēng)力機(jī)的大量氣動噪聲實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,確定其氣動噪聲修正模型中擾動噪聲的計算公式為10 lg(v)=1.03*p'+21.8。

        3)基于Matlab軟件的Simulink模塊,運用時域分析方法,通過自編程序計算得到的距離風(fēng)力機(jī)塔筒地面中心10 m的正面接收點的氣動噪聲的平均聲壓值為57 dB(A),其側(cè)面接收點的氣動噪聲的平均聲壓值為53 dB(A),說明該風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲具有指向性。

        4)現(xiàn)場實驗測試表明,測得的氣動噪聲平均值與計算結(jié)果吻合,證明本文建立的風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲修正模型是正確的。

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