曾明伍 朱衛(wèi)軍 孫振業(yè) 鄭大周 李松林

0 引言

我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)保持高速發(fā)展，2018年新增風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量高達(dá)2059×104kW，累計并網(wǎng)裝機(jī)容量1.84×108kW，全年風(fēng)電發(fā)電量3660×108kW·h[1]。隨著人們在低風(fēng)速區(qū)大規(guī)模開發(fā)建設(shè)風(fēng)電場，風(fēng)力機(jī)越來越靠近城鎮(zhèn)、港口等人口密集地區(qū)，甚至分散式布置于人口密集區(qū)，風(fēng)力機(jī)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲與人類日常生活的矛盾日益顯現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的噪聲會刺激人耳的前庭系統(tǒng)，引起耳鳴、睡眠障礙等癥狀，這種現(xiàn)象被稱之為“風(fēng)電場綜合癥”[2]。因此，控制并降低風(fēng)電機(jī)組的噪聲非常必要，如果不采取措施積極對待，則會阻礙風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的噪聲主要包括機(jī)械噪聲和氣動噪聲[3]，機(jī)械噪聲主要是由機(jī)艙內(nèi)機(jī)械設(shè)備的振動產(chǎn)生，可以通過提高加工工藝、安裝精度等方法加以控制；氣動噪聲由氣流與葉片相互作用產(chǎn)生，包含低頻噪聲、湍流入流噪聲、翼型自噪聲[4]。國內(nèi)外一些學(xué)者利用風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬對風(fēng)力機(jī)氣動噪聲展開研究，Shen等[5]將可壓縮納維-斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程分離成不可壓縮流動方程和無黏聲學(xué)方程，提高了仿真效率。Zhu 等[6]采用大渦模擬(Large eddy stimulation, LES)和FW-H聲比擬方法對帶尾緣鋸齒的翼型段進(jìn)行氣動及氣動聲學(xué)仿真，調(diào)研了不同功角、鋸齒長度、尾緣鋸齒安裝角、尾緣鋸齒波長比的翼型的噪聲水平，發(fā)現(xiàn)較小的尾緣鋸齒波長比、負(fù)值的尾緣鋸齒安裝角降噪能力更強(qiáng)。任旺等[7]采用LES方法計算DU91-W2-250 翼型的流場，利用FW-H方法求解遠(yuǎn)場噪聲分布，研究了3 種翼型尾緣厚度(相對于弦長分別為0%、1.2%、2%)對噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)2%和0%尾緣厚度均降低了聲壓級，尤其是在1500 Hz以上的高頻部分。相較于原始翼型，在監(jiān)測點R1處，2%尾緣厚度噪聲下降8 dB，0%尾緣厚度下降約10 dB；在監(jiān)測點R2處，2% 尾緣厚度下降7.5 dB，0%尾緣厚度下降約9.3 dB。該文指明翼型的噪聲聲壓級水平和尾緣渦量的脫落密度、渦核能量密度密切相關(guān)，2%和0%尾緣厚度使得尾緣部分的表面脈動壓力頻率下降，導(dǎo)致了較低的噪聲水平。郭茂豐等[8]考慮風(fēng)力機(jī)葉片與空氣的流固耦合作用，基于ANSYS workbench工作平臺，采用雙向流固耦合方法，預(yù)測風(fēng)力機(jī)的氣動噪聲，并與額定工況下的實驗數(shù)據(jù)對比。

本文選取基于NACA、DU 翼型的某風(fēng)力機(jī)葉片作為研究對象，針對翼型族、葉片幾何參數(shù)、整機(jī)參數(shù)、來流情況等因素，采用揚州大學(xué)開發(fā)的風(fēng)力機(jī)翼型及風(fēng)輪氣動噪聲計算軟件計算噪聲水平，該軟件采用修正BPM 模型分別計算翼型、葉片的氣動噪聲，對水平軸風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的影響參數(shù)展開研究。

1 風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲預(yù)測模型

根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲產(chǎn)生機(jī)理，低頻噪聲是由于塔影效應(yīng)、風(fēng)剪切效應(yīng)和尾流效應(yīng)等引起的來流速度的變化，使葉片與周期性來流相互作用產(chǎn)生壓力脈動，形成周期性的、頻率為葉片通過頻率整數(shù)倍的離散噪聲，人耳對低頻噪聲不敏感。來流湍流噪聲是一種寬帶噪聲，它是由于葉片與來流湍流相互作用產(chǎn)生渦旋而引起的，來流湍流噪聲與葉片轉(zhuǎn)速、翼型剖面和湍流強(qiáng)度有關(guān)[9]。翼型自身噪聲主要是寬帶噪聲及聲調(diào)噪聲，包括尾緣噪聲、失速噪聲、鈍尾緣噪聲、葉尖噪聲、層流渦噪聲，主要由翼型邊界層和翼型本身作用產(chǎn)生，主要包括[10]：

(1)尾緣噪聲：由湍流邊界層與葉片尾緣相互作用形成，其頻率范圍在750～2000 Hz，是風(fēng)力機(jī)葉片主要的高頻噪聲。

(2)失速或分離噪聲：當(dāng)攻角較大時邊界層會發(fā)生分離，吸力面的湍流渦變大，當(dāng)湍流渦變成尾跡時產(chǎn)生分離流噪聲。隨著攻角增大到一定程度時，邊界層發(fā)生大規(guī)模分離，翼型完全失速，湍流渦的尺度變得非常大，產(chǎn)生失速噪聲。

(3)鈍尾緣噪聲：當(dāng)尾緣厚度增大到一定程度時，葉片尾緣會脫落出渦，產(chǎn)生卡門渦街，從而在葉片尾緣上下表面產(chǎn)生周期振蕩載荷，形成離散的鈍尾緣噪聲，該噪聲頻率依賴于葉片尾緣形狀、厚度和雷諾數(shù)，可以通過合理設(shè)計尾緣形狀及厚度來降低。

(4)葉尖噪聲：由于三維流動效應(yīng)，在葉尖會形成葉尖渦，葉尖渦與葉尖相互作用產(chǎn)生葉尖渦噪聲，其產(chǎn)生機(jī)理類似于尾緣噪聲。葉尖渦噪聲與葉尖的幾何形狀有很大的關(guān)系，如果葉尖呈方形且比較厚，則通常噪聲會比較大。

(5)層流渦噪聲：層流渦噪聲是由葉片表面的縫隙和空穴引起的層流渦形成的噪聲，是一種聲調(diào)噪聲。當(dāng)層流邊界層的大部分至少存在于翼型的一個面時，就會產(chǎn)生渦脫噪聲，渦脫噪聲主要是由尾緣的渦脫落以及起源于尾緣上游層流邊界層的不穩(wěn)定波動循環(huán)流動引起的。層流渦噪聲是一種離散噪聲，對大型風(fēng)力機(jī)來說可以忽略。

美國可再生能源實驗室的Brooks、Pope 和Marcolini 提出了用于風(fēng)力機(jī)翼型的半經(jīng)驗噪聲預(yù)測模型[11]， 該模型(簡稱為BPM 模型)對NACA0012 翼型(弦長不同)進(jìn)行大量的氣動和聲學(xué)測量，包含5 種風(fēng)力機(jī)葉片翼型自噪聲半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚12]。在無大分離流動時，該模型的計算速度和精度基本可以滿足工程需要，但是由于受翼型幾何參數(shù)、來流情況的影響，采用同一公式計算不同翼型的邊界層參數(shù)會出現(xiàn)一定偏差?；谠撃Ｐ停琇owson[13]改進(jìn)了邊界層參數(shù)計算，Moriarty等[14]也對半經(jīng)驗預(yù)測方法進(jìn)行了改進(jìn)。Zhu 等[15]和Leloudas 等[16]基于半經(jīng)驗預(yù)測模型，采用了帶有新葉尖修正的葉素動量理論(Blade element momentum, BEM)模型，考慮了風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、湍流強(qiáng)度和湍流長度尺度對不同葉片截面的影響，建立了風(fēng)力機(jī)翼型及葉片氣動噪聲預(yù)測模型，并與Bonus 300 kW 實驗風(fēng)機(jī)進(jìn)行對比，驗證了模型對風(fēng)力機(jī)噪聲源的仿真能力。除此以外，柏寶紅等[17]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)BPM 半經(jīng)驗預(yù)測公式高估了壓力面聲源，進(jìn)而將壓力面與吸力面的聲源噪聲輻射的幅值比與邊界層位移厚度的關(guān)系做了修改，由原來的一次方關(guān)系改進(jìn)為二次方，采用改進(jìn)后的公式對NACA0012 及較厚的風(fēng)力機(jī)專用翼型DU-96-W-180進(jìn)行仿真，結(jié)果表明進(jìn)后的模型具有較高精度。

將葉片離散為有限個葉素，對每個葉素采用修正BPM 模型計算翼型自噪聲，該模型可適用于不同翼型、不同工況，更適用于風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲預(yù)測工程領(lǐng)域。將所有葉素進(jìn)行噪聲疊加，得到葉片總氣動噪聲源，見式(1)和式(2)：

其中：LiTotal為第i個葉素的噪聲源；SPLj為不同類型的噪聲源；KA為A 加權(quán)值；LTotal為葉片的總噪聲源，由所有葉素的噪聲源疊加得到[15]。

風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲不同于風(fēng)洞中相對理想狀況下的翼型氣動噪聲，實際運行中受到湍流來流作用和風(fēng)切作用，因此必須將BEM 方法與翼型噪聲機(jī)理單向耦合。除翼型自噪聲以外，在湍流來流作用下還會產(chǎn)生湍流來流噪聲，見式(3)，各參數(shù)請參考文獻(xiàn)[15]。

圖1表示三葉片風(fēng)力機(jī)采用BEM 求解每個葉素的相對來流速度與入流攻角，每個位置對應(yīng)不同的流速、馬赫數(shù)、攻角、邊界層厚度、扭角、弦長等翼型參數(shù)，是翼型自噪聲計算的必要輸入?yún)?shù)[18]。輸入弦長、扭角、相對厚度、尾緣鈍度等葉片幾何外形參數(shù)，以及來流風(fēng)速、來流風(fēng)向、來流的湍流度大小、偏航、仰角等整機(jī)參數(shù)，計算風(fēng)力機(jī)葉片總氣動噪聲源。風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲傳播受多種影響因素，包括聲波擴(kuò)展、傳播距離、大氣吸收、溫度、地形等因素，噪聲衰減公式如下：

圖1 翼型噪聲機(jī)理與BEM 結(jié)合示意圖[18]Fig.1 Schematic diagram of combination of airfoil aerodynamic noise mechanism and BEM theory[18]

其中：SPL，聲壓級，dB；PWL，噪聲源聲功率級，dB；LDI，噪聲直接傳播，dB；LCA，噪聲對流放大，dB；Lspread，噪聲幾何擴(kuò)散衰減，dB；Latt，空氣衰減影響，dB；Lmetro，折射和地面影響，dB。

2 氣動噪聲的影響參數(shù)

本文選取某5 MW 海上風(fēng)電機(jī)組作為參考模型，葉片基于NACA、DU 等翼型，葉尖區(qū)域采用DU21、CQUS180、NACA等翼型，其余區(qū)域采用DU系列翼型。風(fēng)速為10 m/s，空氣密度為1.225 kg/m3，黏性系數(shù)為0.000015 Pa·S，湍流尺度100 m，湍流強(qiáng)度0.05，觀察者在與風(fēng)力機(jī)下游位置對齊水平距離300 m 處。風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速取12.8 r/min，風(fēng)切變指數(shù)取0.15，仰角、偏航角和錐角均為0?，塔筒頂部直徑2 m，底部直徑3 m，塔筒高度88 m。本文采用揚州大學(xué)開發(fā)的風(fēng)力機(jī)翼型及風(fēng)輪氣動噪聲計算軟件計算噪聲水平，下文的翼型噪聲計算結(jié)果考慮了尾緣噪聲、分離噪聲、鈍尾緣噪聲，不考慮湍流入流噪聲、葉尖噪聲和層流渦噪聲；下文的葉片噪聲計算結(jié)果考慮了尾緣噪聲、分離噪聲、鈍尾緣噪聲、葉尖噪聲、湍流入流噪聲和層流渦噪聲。

2.1 翼型族的影響

翼型自噪聲是風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲的最主要組成部分，因此翼型族的選取不僅決定了葉片氣動性能的好壞，也影響氣動噪聲。翼型的幾何參數(shù)主要包括尾緣厚度、相對厚度、最大彎度、前緣半徑、尾緣角度等，本文主要研究不同尾緣厚度的翼型族對葉片氣動噪聲的影響。

目前風(fēng)力機(jī)葉片一般基于NACA、DU 翼型設(shè)計，葉尖區(qū)域采用DU或NACA薄翼型，葉根區(qū)域采用基于DU 翼型改進(jìn)的鈍尾緣翼型。本文選擇4 種尾緣厚度的翼型族設(shè)計葉片氣動外形，分別計算葉片氣動噪聲，計算結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，尖尾緣葉片比鈍尾緣葉片產(chǎn)生的聲壓級要低，隨著葉片尾緣厚度的增加，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的氣動噪聲增大。但當(dāng)尾緣厚度超過一定值后，氣動噪聲出現(xiàn)減小趨勢，但始終大于尖尾緣葉片產(chǎn)生的噪聲，與文獻(xiàn)[7]的結(jié)論相符。這可能是由于尾緣厚度增加的修型，導(dǎo)致尾緣部分的表面脈動壓力頻率下降，當(dāng)然還需要做進(jìn)一步的驗證，不屬于本文的主要研究范疇?；趨⒖既~片的翼型分布，依次替換部分翼型，研究不同翼型選取對葉片氣動噪聲的影響，計算結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，葉尖區(qū)域的噪聲是葉片氣動噪聲的主要部分，葉根區(qū)域翼型的選取對葉片氣動噪聲的影響較小。

表1 不同尾緣厚度分布下葉片的氣動噪聲對比Table 1 Comparison of aerodynamic noise of blades with different trailing edge thickness

表2 采用不同翼型族葉片的氣動噪聲對比Table 2 Comparison of aerodynamic noise of blades with different airfoil families

2.2 弦長的影響

由于葉片氣動噪聲由葉素噪聲合成得到，因此弦長對葉片氣動噪聲的影響最終體現(xiàn)為弦長對翼型噪聲的影響。本文選取DU30 作為參考翼型，研究不同弦長對翼型噪聲的影響，固定攻角為5?，入流合成速度分別取80 m/s 和40 m/s，尾緣厚度默認(rèn)值為0.001 m。翼型DU30 截面段的弦長分別取0.25 m、0.5 m、1 m、1.5 m、5 m 五種不同數(shù)值，計算結(jié)果見表3和圖2～圖6。

表3 不同弦長下DU30 翼型的氣動噪聲對比Table 3 Comparison of aerodynamic noise of DU30 airfoil with different chord length

從噪聲頻譜圖可以看出，在不同入流速度下，翼型吸力面、壓力面尾緣噪聲和邊界層分離噪聲隨著弦長增加依次向低頻段方向移動，即低頻段噪聲增加，高頻段噪聲減小，總聲壓級最大值由頻率高向頻率低移動。80 m/s 流速下的翼型的聲壓級比40 m/s 流速下的翼型的聲壓級高一個量級，0.25 m弦長的翼型在40 m/s 風(fēng)速下和0.5 m 弦長的翼型在80 m/s 風(fēng)速下的最大聲壓級所在頻譜線的位置相同，0.5 m 弦長的翼型在40 m/s 風(fēng)速下和1 m 弦長的翼型在80 m/s風(fēng)速下也有相同規(guī)律，即風(fēng)速變大，弦長變大，最高頻位置不變。結(jié)果表明，在不同入流速度下，翼型的噪聲隨著弦長的增加而增加，且入流速度越大，噪聲越大。

圖2 弦長為0.25 m 的翼型DU30 在不同入流速度時的聲壓級Fig.2 Sound pressure level for DU30 airfoil with chord length 0.25 m at different wind velocity

圖3 弦長為0.5 m 的翼型DU30 在不同入流速度時的聲壓級Fig.3 Sound pressure level for DU30 airfoil with chord length 0.5 m at different wind velocity

圖4 弦長為1 m 的翼型DU30 在不同入流速度時的聲壓級Fig.4 Sound pressure level for DU30 airfoil with chord length 1 m at different wind velocity

圖5 弦長為1.5 m 的翼型DU30 在不同入流速度時的聲壓級Fig.5 Sound pressure level for DU30 airfoil with chord length 1.5 m at different wind velocity

圖6 弦長為2 m 的翼型DU30 在不同入流速度時的聲壓級Fig.6 Sound pressure level for DU30 airfoil with chord length 2 m at different wind velocity

2.3 風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、槳距角的影響

設(shè)定某5 MW海上風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速3～25 m/s范圍內(nèi)運行，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的增加而增大，當(dāng)風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時達(dá)到額定功率。繼續(xù)增大風(fēng)速，轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)槳距角，使輸出功率維持在額定功率附近不變，計算結(jié)果見表4。

表4 不同工況下機(jī)組氣動噪聲對比Table 4 Comparison of aerodynamic noise for different operating condition

結(jié)果顯示在風(fēng)速從3～25 m/s 范圍內(nèi)風(fēng)力機(jī)正常運行過程中，風(fēng)速增加，轉(zhuǎn)速增加，此時風(fēng)力機(jī)噪聲變大。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近時，產(chǎn)生的噪聲最大，風(fēng)速繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)速保持不變，槳距角增大，風(fēng)力機(jī)噪聲減小。因此，為了降低風(fēng)力機(jī)的噪聲水平，需要對風(fēng)力機(jī)的變槳控制策略做精心設(shè)計，例如針對特定機(jī)位采取提前變槳措施。

2.4 風(fēng)切變指數(shù)的影響

風(fēng)切變指數(shù)的大小反映風(fēng)速隨高度增加得快慢，一般風(fēng)切變指數(shù)在0.1～0.25 之間，本文改變風(fēng)切變指數(shù)，觀察氣動噪聲變化規(guī)律。計算結(jié)果見表5。結(jié)果顯示，隨著風(fēng)切變指數(shù)的增加，噪聲源的聲壓級總體呈上升趨勢，不過變化范圍較小，總體來講風(fēng)切變指數(shù)對風(fēng)力機(jī)氣動噪聲影響不大。

2.5 來流風(fēng)向的影響

風(fēng)力機(jī)在運行過程中，當(dāng)風(fēng)向的位置改變時，為了捕獲最大的風(fēng)能，需要風(fēng)力機(jī)快速地捕捉風(fēng)向而進(jìn)行偏航動作。本文假設(shè)當(dāng)觀察者在風(fēng)力機(jī)正前方時，風(fēng)力機(jī)以順時針方向旋轉(zhuǎn)，若風(fēng)從右側(cè)吹向風(fēng)力機(jī)，則風(fēng)向為正值，若風(fēng)從左側(cè)吹向風(fēng)力機(jī)，則風(fēng)向為負(fù)值，反之亦然，分別計算不同風(fēng)向下風(fēng)力機(jī)的氣動噪聲，計算結(jié)果見表6。結(jié)果顯示，當(dāng)風(fēng)向從正對風(fēng)力機(jī)到向兩邊移動時，噪聲逐漸減小。在風(fēng)向-20?～20?范圍內(nèi)，右側(cè)風(fēng)產(chǎn)生的噪聲更大，其余風(fēng)向范圍內(nèi)左側(cè)風(fēng)產(chǎn)生的噪聲更大。

2.6 仰角的影響

為了避免風(fēng)輪和塔架的碰撞，風(fēng)電機(jī)組主軸具有一定仰角。本文假定機(jī)組主軸向上突出時，角度為正，反之為負(fù)，默認(rèn)一只葉片方位角為0?豎直向上時，其余兩只葉片相隔120?擺放。由于受風(fēng)剪切影響，1 號葉片的聲壓級較其他兩只更大，但不同的仰角會對風(fēng)力機(jī)的總氣動噪聲產(chǎn)生影響，計算結(jié)果見表7。結(jié)果顯示，風(fēng)力機(jī)仰角增大，1號葉片離觀察者距離減小，使得觀察者位置的氣動噪聲越大，但增長速度漸緩。

表5 不同風(fēng)切變指數(shù)下機(jī)組氣動噪聲對比Table 5 Comparison of aerodynamic noise for different wind shear

表6 不同風(fēng)向下機(jī)組氣動噪聲對比Table 6 Comparison of aerodynamic noise for different wind direction

表7 不同仰角下機(jī)組氣動噪聲對比Table 7 Comparison of aerodynamic noise for different tilt angle of wind turbine

3 結(jié)論

本文以基于NACA、DU 翼型的某風(fēng)力機(jī)葉片為研究對象，采用XFOIL 和修正的BPM 半經(jīng)驗?zāi)Ｐ头治鲲L(fēng)力機(jī)葉片的氣動噪聲特性，得出以下結(jié)論：

(1)翼型族的選取對風(fēng)力機(jī)葉片氣動噪聲有較大影響，尖尾緣葉片比鈍尾緣葉片產(chǎn)生的氣動噪聲小。隨著葉片尾緣厚度增加，風(fēng)力機(jī)的氣動噪聲增大。但當(dāng)尾緣厚度超過一定值后，氣動噪聲出現(xiàn)減小趨勢，但始終大于尖尾緣葉片產(chǎn)生的噪聲。葉尖區(qū)域產(chǎn)生的噪聲是整個葉片氣動噪聲的主要部分，葉根區(qū)域翼型的選取對葉片氣動噪聲的影響較小，因此葉片氣動外形設(shè)計過程中，必須合理選擇翼型族，才能有效控制葉片氣動噪聲。

(2)在不同入流速度下，葉片氣動噪聲隨著弦長的增加而增加，入流速度越大噪聲越大。

(3)風(fēng)力機(jī)氣動噪聲隨風(fēng)速、轉(zhuǎn)速增加而變大，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近時氣動噪聲最大，隨著葉片槳距角增大，風(fēng)力機(jī)氣動噪聲減小。因此為了降低風(fēng)力機(jī)噪聲水平，必要時針對特定機(jī)位可采取提前變槳控制策略。

(4)風(fēng)切變指數(shù)增大，風(fēng)力機(jī)噪聲源的聲壓級總體呈上升趨勢。當(dāng)風(fēng)向從正對風(fēng)力機(jī)向兩邊移動時，氣動噪聲逐漸減小。在風(fēng)向-20?～20?范圍內(nèi)，右側(cè)風(fēng)產(chǎn)生的噪聲更大，其余風(fēng)向范圍內(nèi)左側(cè)風(fēng)產(chǎn)生的噪聲更大。風(fēng)力機(jī)仰角越大，觀察者位置氣動噪聲越大，但增長速度逐步變緩。