徐玉龍, 袁曉東, 李必偉, 趙 耀, 紀勝強

(1.中國大唐集團安徽分公司, 安徽 合肥 230088；2.中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華東電力試驗研究院, 安徽 合肥 230088)

0 引言

近年來，我國能源結構調整和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略持續(xù)推進，伴隨雙碳目標的提出，以風力發(fā)電和太陽能發(fā)電為主的新能源發(fā)電得到了迅速的發(fā)展，截止2020年，我國風電裝機容量已達到28 165萬千瓦，占總裝機容量的12.8%，并網風電4 665億千瓦時，占總發(fā)電量的6.1%，裝機容量和發(fā)電量呈逐年上升趨勢[1]。

盡管風電機組不會帶來常見的氣、水和固態(tài)污染物，但仍會產生以噪聲為主的物理性污染。伴隨著風電機組的快速發(fā)展，風電機組的噪聲問題日益凸顯，噪聲擾民成為很多風電場亟待解決的問題之一。

1 降噪研究

風電機組的噪聲主要分為機械噪聲和氣動噪聲。其中機械噪聲來源于傳動鏈、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)和冷卻散熱系統(tǒng)；氣動噪聲主要來源為翼型自噪聲，葉片與紊流來流相互作用后，引起氣流波動，進而產生噪聲，葉片氣動噪聲與葉尖速度的5次方成正比[2]。研究表明，風電機組產生的噪聲中讓人感到煩躁的主要是氣動噪聲[3]。

針對氣動噪聲的降噪研究，國內外學者相繼提出了多種降噪技術[4-8]，其中加裝鋸齒尾緣是一種行之有效且易于實施的技術。加裝鋸齒尾緣降噪的原理是鋸齒尾緣改變了葉片尾緣處的流場結構，破壞了尾緣后面的渦流，將尾緣邊界層處較大的渦流被打散成較小的渦流，實現(xiàn)降低噪聲的目的。

M.S.Howe[9]研究了鋸齒高寬比對降噪效果的影響，結果表明，鋸齒的高寬比越小，降噪效果越好。S.Oerlemans等[10]研究了多種降噪措施對風電機組的降噪效果，結果表明加裝鋸齒尾緣具有更好的降噪效果。M.Gruber等[11]對加裝鋸齒尾緣的翼型進行了實驗研究，結果表明加裝鋸齒尾緣對中低頻段噪聲具有更好的降噪效果。許影博等人[12]利用風洞試驗研究了鋸齒結構對風機噪聲的降噪效果，結果表明，鋸齒尾緣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；而且降噪效果與鋸齒的齒數和齒間倒角有關。黃乾[13]通過數值模擬研究了鋸齒尾緣對翼型流場及非穩(wěn)態(tài)特征的影響，認為鋸齒尾緣改變了翼型尾緣附近流動結構，具有抑制翼型音調噪聲的潛力。陳寶康等[3]研究了鋸齒尾緣在同風速、不同頻率下的降噪效果，結果表明，鋸齒尾緣在風速為5 m/s時具有最好的降噪效果，對低頻噪聲的降噪效果比較明顯。劉偉江等人[14]利用風洞試驗研究了不同鋸齒的降噪效果，結果表明鋸齒可明顯降低低頻段噪聲，但一定程度提升了高頻段噪聲。汪瑞欣等人[15]采用脫體渦模擬與聲類比的方法，研究鋸齒尾緣結構對風機氣動噪聲的影響，結果表明鋸齒高度對降噪效果具有一定的影響。

2 實驗方案

本文以某風電場加裝鋸齒尾緣的風機為研究對象，開展鋸齒尾緣在大型風電機組降噪工程中的應用效果研究。

2.1 風機參數

本文的研究對象為某風電場2.0 MW風電機組，其主要參數見表1。

表1 風機參數

2.2 改造方案

本次改造每個葉片尾緣上增加4種不同的鋸齒，如圖1所示，鋸齒高度分別為80 mm、100 mm、120 mm、160 mm，每組安裝長度分別為3 120 mm、5 000 mm、6 000 mm、5 760 mm，安裝起始位置見表2所示，安裝總長度為19 880 mm，葉片總長度56.5 m，鋸齒結構約占全葉片長度的35.2%。

表2 鋸齒安裝信息 單位:mm

圖1 鋸齒安裝示意圖

2.3 測試方法

本文風機噪聲的測試方法按照GB/T 22516《風力發(fā)電機組噪聲測量方法》的相關要求開展。測點位于被測風機下風向距離機組R0=H+D/2≈150 m處(H為輪轂高度，D為風輪直徑)，測點位置示意圖見圖2、圖3。

圖2 測點位置示意圖

噪聲測試分為改造前和改造后兩個階段開展，改造前為機組未安裝鋸齒尾緣運行期間，分別測試機組停運期間的背景噪聲和機組正常運行期間的運行噪聲，同時測量風速、頻譜等數據。改造后為機組加裝鋸齒尾緣后運行期間，測試內容與改造前相同。

3 結果討論

測試期間機組處于停機或正常運行狀態(tài)，測得數據為現(xiàn)場實際采集到的所有聲音信號，在兩次運行噪聲測試期間，風機運行工況基本一致，因此風機冷卻系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)帶來的機械噪聲基本相同，可以認為機械噪聲對改造前后的測試結果不具有明顯影響，本文不再考慮風機機械噪聲帶來的影響。此外，兩次測試期間的環(huán)境條件(溫度、氣壓、濕度等)基本一致，可以排除環(huán)境條件對測試結果的影響。

3.1 降噪水平

通過對改造前后風機運行噪聲的測試，并對測試數據進行統(tǒng)計計算，得到不同風速下的平均A計權聲壓級。所測噪聲值均為風機下風向150 m處測點測得。表3是測試數據的匯總表，其中改造前(后)噪聲為機組正常運行狀態(tài)下測得，降噪效果為改造前后的噪聲的差值。根據表3的數據繪制圖4。

表3 改造前后噪聲水平

圖4 不同風速下改造效果

通過表3和圖4可以看出，在測定風速條件下，加裝鋸齒結構能夠有效降低風電機組的噪聲水平，降噪效果在1.9～4.7 dB(A)之間，平均降噪3.1 dB(A)。

3.2 頻譜分析

為研究此次改造中安裝的鋸齒尾緣對風機葉片噪聲的降噪特性，選取8 m/s風速下改造前后風機噪聲倍頻程頻譜數據為研究對象進行分析，結果見圖5。圖中柱狀圖為改造前后該頻率的噪聲值，線條圖為改造前噪聲值與改造后噪聲值的差值。

從圖5中可以看出，在16～16 000 Hz共11個頻帶內，該鋸齒結構對風機噪聲的降噪效果存在一定的差異，在16～4 000 Hz頻帶內(中低頻段)均具有降噪效果，在8 000 Hz以上(高頻段)噪聲略有增加。其中在125～2 000 Hz(中頻段)具有明顯降噪結果，最佳降噪效果為5.5 dB(A)，可見，該鋸齒結果對風機噪聲的降噪效果主要體現(xiàn)在中頻段。

圖5 改造前后噪聲頻譜圖

4 結論

通過本次對風機改造前后的噪聲測試，并對噪聲頻譜進行分析，得出以下結論：

本次改造選用的鋸齒結構對風機葉片的氣動噪聲具有明顯的降噪效果，在5～8.5 m/s風速區(qū)間內的降噪效果在1.9～4.7 dB(A)之間，平均降噪3.1 dB(A)。

該鋸齒結構在8 m/s風速下對風機葉片氣動噪聲的降噪主要集中在125～2 000 Hz，最高降噪效果達5.5 dB(A)。