水平轴风力发电机气动分析与噪声控制

龚希武，张艳，袁一博

（浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江舟山316000）

水平轴风力发电机气动分析与噪声控制

龚希武，张艳，袁一博

（浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江舟山316000）

本文对水平轴式风力发电机进行了翼型参数的介绍和气动分析，分析了风力发电机的噪声来源，并着重对水平轴风力发电机的噪声控制方法进行了阐述.为风力机叶片的设计及风力机噪声控制提供技术指导.

风力发电机；翼型；气动分析；噪声控制

能源是现代社会和经济发展的基础.在常规能源日益匮乏和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为最有开发利用前景和技术最成熟的可再生能源之一，已成为了全球能源工业关注的热点.近几年，全球新增风电装机容量的年增长率一直保持在25%左右，我国近三年的风电装机容量更是达到100%以上的增长速度.

风力发电机组是通过风机叶轮转动将风能转换为机械能.因此，了解风机叶轮的气动特性，并进而设计合理翼型，对于提高风能利用系数和风能利用经济性具有促进作用.同时，随着风力发电规模的不断扩大，风力发电所引起的各种噪声问题逐渐显现出来.风力发电场附近的居民对风力发电机组产生大噪声烦扰的投诉、申告也越来越多，甚至威胁到风电场的正常运营.对于陆上风电来说，降低风力发电机的噪声是保证风电项目正常实施的前提条件，也是进行风电场选址及风力发电场环境影响评价的重要影响因素，这对于风电产业健康、可持续发展具有十分重要的意义.

1 风力机组成及气动特性

1.1 风力机分类

依据风机叶轮的结构及其在气流中的位置，风力机可分为两大类:水平轴风力机和垂直轴风力机.水平轴风力机叶轮旋转平面与风向垂直，叶轮围绕一个水平轴旋转；垂直轴风力机叶轮围绕一个垂直轴旋转.

风力发电机组主要是由叶轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成.对于水平轴风力机来说，当叶轮旋转时，其叶尖速比一般可以达到5～7，在这样的高速下，叶片切割空气气流将会产生很大的气动噪声.据研究，叶片产生的气动噪声近似地与叶尖速度的五次方成正比.而对于垂直轴风力发电机，

其叶尖速比一般为1.5～2，这样运行状况下的气动噪声很小[1-2].因此，本文主要针对水平轴风力发电机的气动噪声进行讨论.

1.2 水平轴风力机叶片的翼型参数及气动分析

水平轴风力机叶片的翼型如图1所示.叶片沿展向某一位置的截面翼型可以不一样，中弧线上的点到翼型上表面和下表面具有相等距离，弦线是前缘与后缘的连线，垂直于弦线方向上的叶片上下表面间的距离称为厚度，中弧线垂直于弦线的最大距离称为弯度.叶片气动性能与截面翼型的几何参数密切相关.

图1 水平轴风力机叶片翼型的几何参数

空气流动时，风力机叶片将会受到空气的作用力，如图2所示.空气在流经叶片时，受叶片形状的影响与制约，气流在叶片上表面和下表面的气流速度并不相同，上表面气流速度要比下表面的气流速度更大，这将导致叶片上、下表面所受的空气动力也不相同，进而叶片上、下表面所受的空气压力也不同.下表面的压力要大于上表面的压力，这也是导致叶片旋转的直接推动力.

图2 叶片在空气中的气动受力

根据图2分析，叶片所受的空气合力F合可以按照直角坐标系分解为两个分力之和.一个分力与气流方向相同，称为阻力F阻.另一个分力垂直于气流方向，并推动叶片上升，使风力机有效工作，称为升力F升.根据空气动力学理论，阻力与升力与叶片在气流方向的投影面积S、气流密度ρ、来流速度V的平方成正比，计算公式如下：

其中，C为叶片总的气动力系数；Cx为阻力系数；Cy为升力系数.

升力F升是促使风机叶片转动、风力机正常工作的推动力.因此为了使风电机组提高效率、稳定工作，就需要使风力机叶片在来流作用下得到最大的升力和最小的阻力.近些年，叶片翼型的优化设计理论得到了迅速的发展，大大提高了风力机叶片的气动性能.

2 水平轴风力机噪声来源

水平轴风电机组在正常运行中，会产生较大的噪声，按不同声源可分为机械结构噪声和气动噪声.

2.1 机械结构噪声

机械结构噪声是由于机械部件的运动、相互作用并产生振动而形成的.其中齿轮箱是主要的噪声源.大型风力机的齿轮箱通过构件传播的噪声，可以比通过空气传播的噪声大，达到95dB(A)以上；啮合的齿轮对或齿轮组，由于互撞和摩擦激起齿轮体的振动，而通过固体结构辐射齿轮噪声；轴承内相对运动元件之间的摩擦和振动及转动部件的不平衡或相对运动元件之间的撞击引起振动辐射产生噪声；由转动轴等旋转机械部件产生周期作用力激发的噪声；不平衡的电磁力使电机产生电磁振动，并通过固体结构辐射电磁噪声；通风设备噪声散热器、通风机等辅助设备产生的噪声.

2.2 叶片气动噪声

叶片气动噪声是由叶片与空气来流之间相互作用产生，它的大小与风速有关，随风速增大而增强.叶片气动噪声按噪声生成的机理可以分为低频噪声、来流湍流噪声和翼型自身噪声三种.

2.2.1 低频噪声是由于塔影效应、风剪切效应和尾流效应带来流速的变化，使叶片与周期性来流相互作用产生的脉动，形成周期性的、频率为叶片通过频率的整数倍的离散噪声.

2.2.2 来流湍流噪声是一种宽带噪声，它是由于叶片与来流湍流相互作用产生涡旋而引起的，来流湍流噪声与叶片转速、翼型剖面和湍流强度有关.

2.2.3 翼型自身噪声是由叶片与稳态来流相互作用形成边界层与尾流，造成气流波动而产生.它主要是宽带噪声，并由空气动力本身造成，即使在稳态、无湍流扰动的情况下也会产生.翼型自身噪声有以下几种：湍流边界层尾缘噪声、层流边界层脱落涡噪声、分离流噪声、钝尾缘噪声和叶尖涡噪.

A.湍流边界层尾缘噪声在来流作用下，翼型表面发生从层流边界层到湍流边界层的转变，并存在湍流压力波动.边界层气流与翼型尾缘相互作用而产生噪声.

B.层流边界层脱落涡噪声翼型表面边界层为层流状态时，尾缘处产生的脱落涡作环形运动时所产生的噪声.

C.分离流噪声当来流攻角增加，边界层湍流会加剧并形成不稳定气流，在一定条件下将脱离边界层形成分离流而产生噪声.

D.钝尾缘噪声由于钝尾缘引起的脱落涡所产生的噪声.

E.叶尖涡噪声由叶片尖部的绕流与叶尖和尾缘相互作用所产生的噪声.

3 水平轴风力机的噪声控制方法

风力机噪声的传播是一个复杂的随时间和空间变化的过程，它取决于声源的型式，声波的扩展，大气的吸收，地面的吸收与反射，传播距离以及可能的声屏障影响.因此，对水平轴风力机噪声的控制方法需要根据噪声来源而采取对应的方法.

3.1 机械结构噪声控制

在风电机组设备的生产制造阶段，可以对风力发电设备的各个组成部分，分别进行频谱分析，由此了解掌握各部件产生噪声与系统产生噪声的相关度，对于相关度大的部分可优先采取对应处理措施.此外，运行过程中，对风电机组机械部件结构的噪声控制主要是减弱风力机、齿轮箱、发电机和液压系统等传动轴承机械部件所产生的振动，特别是来自齿轮箱的振动.避免或减少部件的撞击力、周期力和摩擦力，如可以采取提高加工工艺和安装精度，保持齿轮和轴承良好的润滑，以弹性连接代替刚性连接等措施.

另一方面，高阻尼材料能较好地吸收机械部件的振动能，以降低振动噪声.因此，在机组内部粘贴吸音材料（玻璃棉），进行隔音处理等，可以大大减小风力机的机械噪声.对风力发电机舱以及隔板等薄板振动件采用表面阻尼处理方法，达到衰减振动，降低结构辐射噪声，同时隔离机舱内部的噪声的目的.

3.2 叶片气动噪声控制

风电机组的气动噪声与风机叶片的几何参数（叶片宽度、叶片数、直径等）、运动参数（转速或叶尖线速度）以及气动参数（流量、压力等）均有关联.在诸多影响因素中，叶尖线速度的影响最大.为控制水平轴风力机组的噪声，应尽量降低风轮的额定转速，一般希望风力机叶片尖部的线速度控制在65m/s左右.

其次，选择合适的叶片型式,也是降低叶片气动噪声的方法.事实证明,绝大部分噪声来自线速度最高的部位——叶尖,因此,叶尖的形状很大程度决定了噪声的频率和强度.一般来说，不等宽的上窄下宽叶片，噪声频率较高，干扰大；等宽叶片，噪声频率低，干扰小；半圆形叶尖叶片，噪声最小.但是，不等宽叶片的低风速起动性能好，等宽叶片或叶尖呈方角叶片的风能利用面积大，这是在设计风机叶片叶型时应该权衡考虑的.

采用半经验公式的翼型自噪声预测模型和湍动来流噪声预测模型，对水平轴风力机气动噪声进行预测，从而对风力机叶片翼型进行优化设计，并将优化后的翼型运用到叶片设计中.这是近些年来风电学者比较推崇的研究方法[3].大量的研究结果表明：通过噪声预测并采用优化后叶片翼型所设计出来的叶片在保持气动性能的同时也体现了更优越的噪声性能.

最后，单从噪声衡量，海上风电不受噪声限制，可采用较高的叶尖速比，使机组转速适当提高10%～35%，增加了发电量，降低了转矩、减少了传动系统的重量和成本.同时，海上风况优于陆地，海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向，机组承受的疲劳负荷较低.海上风切变(即风速随高度的变化)小，因而塔架可以较低.海上风速通常比沿岸陆上高约25%，使用同样的风力发电机组，年发电量有同等比例的增加.不存在占地和环保方面的问题.因此，发展海上风电也是消除水平轴风力机噪声影响的一个有效方法.但海上风电的成本较高，风电机组防腐蚀要求更为严格，机组设备的制造技术要求更高.这需要在发展风电过程中综合考虑并选择.

4 结语

风能作为一种取之不尽、用之不竭的新能源具有良好的应用前景和开发潜力.为尽可能提高水平轴风力机的捕能效率，保证水平轴风力机可持续发展，必须在气动分析基础上对水平轴风力机的翼型进行优化设计.同时，为解决或减少目前风电机组噪声扰民的问题，需要改进机组设备结构，提高部件加工精度，采用阻尼材料降噪，从而减少振动沿结构的传递，降低机械结构噪声.另外，控制叶尖速度，选择优异翼型，发展海上风电等方法也是减少水平轴风力机气动噪声的主要途径.通过采取各种消声降噪方法，来降低风电噪声的危害，将使风能利用更加有益于人们的生产与生活.

〔1〕赵丹平.风力发电机组叶片模型气动载荷研究[D].内蒙古农业大学，2009.

〔2〕李应龙.水平轴风力机气动噪声预测的研究[D].上海交通大学，2010.

〔3〕司海青，王同光.风力机噪声的预测方法研究[J].空气动力学学报，2011，29(6)：801-804.

TM315

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1673-260X（2013）09-0039-03

浙江省科技厅重大科技专项与优先主题项目(2010C11008)，舟山市科技局项目(10243)，浙江海洋学院校级专项项目