風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動噪聲測量分析方法

劉 燕 薛 宇 岳巍澎

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機(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)的噪聲屬于氣動噪聲，是由葉片周圍的空氣流動造成的。氣動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)，因而會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)或風(fēng)場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，對具有很強(qiáng)時域特征的調(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)的時域特性，又在人耳可聽范圍之內(nèi)，致使風(fēng)電場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)場的氣動噪聲問題亟待解決。

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

1.1 測量位置

定義下風(fēng)向測量位置為標(biāo)準(zhǔn)位置，兩個調(diào)幅噪聲測量位置分別位于風(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的兩個測點，用于測量葉片的氣動調(diào)幅噪聲。第三個測點是風(fēng)機(jī)下風(fēng)向125m處，用于測量風(fēng)機(jī)的聲功率。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動噪聲近場區(qū)測點分布

各測點至風(fēng)機(jī)中心的水平距離的計算公式為[5]：

(1)

式中D——葉輪直徑；

H——葉輪中心到地面的垂直距離。

1.2 測量方法

國外對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪氣動聲學(xué)[8,9]、葉輪氣動噪聲[10,11]、調(diào)幅噪聲[7,12]和轉(zhuǎn)動噪聲[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為測量區(qū)間，記錄大于5dB(A)的觀測振幅。振幅為50ms基準(zhǔn)時間內(nèi)最大幅值與平均最小值之差。

為了更有效地測量風(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)幅噪聲測量和數(shù)據(jù)分析流程

風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)幅噪聲測量和數(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°處測量并記錄風(fēng)力發(fā)電機(jī)的時域聲壓值；

b. 將測得的聲壓信號經(jīng)過高通濾波器處理得到調(diào)頻噪聲，對測量數(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)頻噪聲信號通過dB計算獲得即時噪聲強(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)輪空氣動力性能和葉片氣動彈性變形具有強(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)場測試數(shù)據(jù)對比、驗證。圖3為風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動噪聲模擬原理。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動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)模擬分析與噪聲實測數(shù)據(jù)，開發(fā)氣動噪聲預(yù)測方法。開發(fā)的方法和工具同時可以用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計。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)場模型，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模擬、風(fēng)場的流動模擬、翼型、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)場的聲學(xué)計算。計算得到的翼型、葉輪的時域和頻域噪聲信號，要與風(fēng)洞測試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)驗證關(guān)聯(lián)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動聲學(xué)模擬方法為：

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

b. 使用FWH噪聲理論預(yù)測模型，基于CFD的計算結(jié)果對風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)場噪聲評估。

2 結(jié)果分析

基于上述測量和建模方法，筆者對2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行測量分析。圖4a為實際測量的信號和濾波后的時域信號，圖4b為模擬信號和濾波后信號的對比，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。測量數(shù)據(jù)的振幅有波動，可能是由非穩(wěn)態(tài)風(fēng)與大氣湍流效應(yīng)引起的。

圖4 測量數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)與濾波后數(shù)據(jù)對比

圖5a為高通濾波后數(shù)據(jù)的時間頻率圖，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)更適合于評估噪聲的調(diào)幅信號。

圖5 時間頻率圖

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有很好的關(guān)聯(lián)，測量數(shù)據(jù)存在的波動，是由于實際風(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算中相對低的分辨率造成的。

近年來，海上風(fēng)力發(fā)電大幅增長，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

為了簡化計算，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。測量位置為近場IEC標(biāo)準(zhǔn)測量位置和10km遠(yuǎn)場位置。圖8為低頻噪聲和調(diào)幅噪聲在兩個測量位置的聲功率水平?？梢钥闯?，在近場位置，海上5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)幅值較高，而在遠(yuǎn)場位置，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，提出了一種氣動噪聲(調(diào)幅噪聲)測量、分析和預(yù)測方法，即將測量噪聲信號高通濾波后求解瞬時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。將實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比分析，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)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)幅噪聲?？梢圆捎迷摲椒A(yù)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)幅噪聲，評估調(diào)幅噪聲對周邊社區(qū)的影響程度。為了便于氣動噪聲標(biāo)準(zhǔn)的建立，后期還需要對不同類型的風(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)測模型。

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