锯齿降噪结构在风力发电机组叶片上的应用

陈宝康，魏煜锋，张 敏

（明阳智慧能源集团股份公司 风能研究院，广东 中山 528437）

风力发电因其绿色清洁低碳、运行维护成本低等优点正逐渐成为各能源大国的主流过渡替代能源，伴随风电的大力发展，部分风电场在选址时风电机组的装机位置离居民区很近，导致机组运行时产生的噪声遭到居民投诉，类似案例近几年呈明显上升趋势，噪声扰民因此成为很多风电场业主亟待解决的问题之一。不同国家和地区对环境噪声排放都有明确要求，表1中列出了国内外居民区允许的环境噪声辐射值，可以看出国外在噪声标准上的要求均高于国内。已有研究表明，大型风力发电机组噪声辐射主要有：

（1）机械噪声：来源于传动链、发电机、偏航系统和冷却散热系统；

（2）叶片气动噪声：包括湍动来流噪声和翼型自噪声[1–4]。经现场调研，据业主及风场附近居民反馈，判断目前市场上的风电机组运行噪声中比较让人烦恼的主要是叶片气动噪声。

表1 国内外居民区环境噪声排放标准

本文拟将某3.0 MW风力发电机组作为试验测试平台，以锯齿结构尾缘的叶片翼型为研究对象，研究锯齿降噪结构在大型风力发电机组叶片上的应用。首先分析风力发电机组叶片锯齿降噪结构的研究现状，基于IEC61400-11[5]风力发电机组噪声测试标准实施现场噪声测试，最后对比研究加装锯齿结构前后噪声辐射值的变化规律。

1 锯齿降噪结构研究现状

近年来，诸多学者对仿生学翼型尾缘进行了研究，发现猫头鹰翅膀后部的柔软羽毛能够增加流体的可穿透性，从而降低其在捕猎飞行时产生的声音，研究也证实了锯齿形尾缘能够降低翼型的尾缘宽带噪声。大型风力发电机组叶片气动噪声主要由叶片后缘区域的涡流产生，这类噪声在频域上呈现宽频的特点。叶片气动噪声的降噪原理是将尾缘边界层处较大的涡流被打散成较小的涡流。许影博等[6]针对锯齿形翼型尾缘噪声控制这一课题，进行了平板单元翼型在全消声风洞中的实验研究，通过在翼型尾缘附加锯齿的方法降低中低频段的远场气动噪声，且基本不影响翼型的气动性能。贾少红[7]采用Howe的理论公式计算了锯齿尾缘的降噪效果，通过加装尾缘锯齿可以降低NACA 63421翼型的湍流边界层尾缘噪声，辐射噪声声压级计算公式为

式中：ε=1.33，Uc=0.7U，U为主流的速度，2h为锯齿高，λ为锯齿宽，δ为尾缘边界层厚度。

国外的Polytech，GE，Vestas，Siemens等公司对风力发电机组叶片降噪技术均有较为深入的研究，但未见有关于锯齿结构整体现场应用的研究。图1中，(a）图所示是Polytech公司在2016年德国汉堡国际风能展上展出的叶片降噪结构模型，针对不同型号规格的叶片有不同尺寸的降噪结构可供选择；(b）图所示是GE公司设计的一种后缘安装了锯齿结构的风电机组叶片，锯齿结构通过螺栓固定在叶片后缘合模处伸出的一截腹板上。

图2中，(a）图所示是明阳智慧能源集团股份公司（下称“明阳智能”）研制的大型风力发电机组叶片降噪结构，扁平形锯齿降噪结构单元均匀分布于叶片展向75%～95%位置对应的后缘上；(b）图所示是该锯齿降噪结构在叶片上的整体安装效果图，现场安装时使用生产叶片专用的胶水进行锯齿结构的粘接。文中使用的锯齿结构其尺寸参数已经过理论仿真计算确认合理性，且该结构已申请专利成果。

2 噪声测试系统及测试流程

测试使用的噪声测试系统由上海其高科技公司基于Lab View平台开发的SignalPad软件和数据采集硬件组成，其中数据采集硬件包括：

（1）噪声采集模块，主要有NI9234、BSWA公司的MPA201型传声器和CA114-94型声学校准器，表2中给出了传声器的部分性能参数；

（2）气象采集模块，包括NI9205、风速风向传感器、大气压力和温度传感器；

（3）风机主控信号采集模块，主要采集风机主控输出的运行相关参数，包括功率、风轮转速、机舱风速和桨距角。现场测试所选择的某3.0 MW风力发电机组基本参数如表3所示，叶片相关参数如表4所示。

图1 国外公司的锯齿结构

图2 明阳智能的锯齿结构

表2 传声器参数表

表3 风力发电机组基本参数

表4 试验叶片参数表

测试场地位于内蒙古自治区某风电场，该地区属于荒漠草原，草原植被、建筑物及树木稀少，较为空旷。根据IEC61400-11标准的规定，选择被测机组位于风电场的主风向上方的边缘区域，噪声测点位于被测机组的下风向135 m远处，满足测点与机组距离R0=H+D/2（H为轮毂高度，D为风轮直径）的要求。噪声测试现场如图3所示。

图3 噪声测试现场

将现场测试分为两个阶段进行，第1阶段：被测机组处于正常状态，即结构上和主控程序的控制策略均不作任何修改和变动；第2阶段：与第1阶段唯一的区别在于被测机组叶片上加装了锯齿降噪结构[9]。锯齿结构在叶片上的整体安装效果如图2中的(b)图所示，安装位置位于距离叶根75%～95%的叶片后缘处，每个单元锯齿结构的长度约0.5 m，每根叶片上的安装长度约12 m，每根叶片安装24个单元锯齿结构。

3 测试数据分析

现场进行噪声测试时，被测机组处于正常运行状态，测试所得数据中包含了机组运行时的所有声音信号，这里假设采集到的数据中叶片气动噪声占主要成分，后续分析均基于这一假设条件。数据对比分析时，选择相同风速区间的数据进行对比，尽量避免其他因素的干扰，对比数据的不同之处仅在于叶片上是否安装锯齿降噪结构，故可以认为噪声辐射值的变化效果是由锯齿降噪结构产生。

测试期间共采集了约3500个10 s数据文件，经过统计计算得到各规格化风速下的平均A计权声压级，即测点噪声。如表5所示，表中节选列出了叶片在加装锯齿结构前后，4 m/s～8 m/s风速区间的测点噪声。其中ΔL(A)为对应风速下叶片无锯齿结构时的测点噪声值减去有锯齿结构时的测点噪声值。由表可知，在5 m/s左右的风速区间内，锯齿降噪结构的降噪效果最好，平均降噪幅度达到5.9 dB；在5 m/s～8 m/s的风速范围内，随着风速的增大，锯齿降噪结构的降噪效果逐渐减弱。对风力发电机组叶片气动噪声的控制主要针对额定风速以下的风速区间，当风速达到额定风速以后，叶片的自动变桨策略即可实现噪声不再增加。

表5 测点噪声值统计表

进一步计算得到原始声压数据的等效连续A计权声压级1/3倍频程频谱，分析20 Hz～10 kHz频率范围内的28个频带的能量分布情况，可以从频域角度对比加装锯齿降噪结构前后的降噪效果。

如图4所示是1/3倍频程频谱对应的Delta-Lv瀑布图，其中，Delta-Lv是加装锯齿结构前后28个频带上A计权声压级的差值。若Delta-Lv＞0，表示叶片在加装锯齿结构后测试得到的该频带噪声值有所减弱；若Delta-Lv≤0，则说明该频带的噪声值没有减小。

从图4中可以看出，在4 m/s～8 m/s的低风速区间内，28个频带均有一定的降噪效果，降噪幅度普遍在2 dB～4 dB左右，局部降噪效果达到6 dB～8 dB；在8 m/s～12 m/s的高风速区间内，只在200 Hz以下的低频带降噪效果比较明显，其中20 Hz～80 Hz的频带内降噪幅度达到4 dB～6 dB，而在中高频率部分则基本没有降噪效果。这说明锯齿降噪结构可明显减弱风力发电机组在高风速区间运行时的低频率段叶片气动噪声。

图4 Delta-Lv瀑布图

4 结语

（1）现场实测数据分析结果验证了锯齿结构尾缘叶片气动降噪的原理，通过打散叶片后缘边界层的大涡能够达到降低叶片气动噪声的效果。

（2）锯齿形降噪结构在大型风力发电机组机型上的现场实际应用取得初步成效，对比安装降噪结构前后的噪声值，在5 m/s～6 m/s的风速段降噪明显；进一步频谱分析表明，在下风向水平距离机组135 m远测点处的大部分频段噪声值可降低2 dB～8 dB。考虑到目前国内大部分风电场的年平均风速基本小于8 m/s，故对于有降噪需求的风电场而言，在风机叶片上加装降噪结构不失为一项有效的技术手段，既可以在一定程度上缓解噪声扰民的问题，又避免了因投诉停机甚至拆除风机而产生的经济损失。

（3）本文的研究结论可为优化现有机型，研制低噪声辐射的大型风力发电机组提供技术支持；同时提升产品的国际市场竞争力，帮助国产优质低噪机型进一步拓展海外市场；因此这项技术具有很大的推广价值和应用前景。

[1]仇丰，廖琦琛，丁明明，等.风电场噪声预测模型[J].噪声与振动控制，2012，32(5)：118-122.

[2]彭若龙，夏博雯，陆金红.兆瓦级风电直驱型发电机噪声控制[J]. 噪声与振动控制，2015，35(4)：98-100.

[3]孙磊，秦树人，柏林，等.基于IEC标准的风力发电机组声发射评估方法[J].中国测试技术，2008，34(1)：5-9.

[4]刘雄，罗文博.风力机翼型气动噪声优化设计研究[J].机械工程学报，2011，47(14)：134-139.

[5]IEC 61400-11.Wind turbine-Part 11:Acoustics noise measurement techniques[S].2012.

[6]许影博，李晓东.锯齿型翼型尾缘噪声控制实验研究[J].空气动力学学报，2012，30(1)：120-124.

[7]贾少红.风电叶片气动噪声研究[D].北京：中国科学院大学，2014.

[8]LIHUA LIU,XUANZHOU.Noise reducer for rotor blade in wind turbine[P].US 2013/0272892A1,Oct.17,2013.

[9]郭峰，李军向.一种风力发电机叶片用的降噪结构[P].CN.ZL201620945792.4，2017-03-15.