大型风力机的噪声源产生机制实验研究

来源：风电运维（ID：eastwp2），作者：王国章等。

随着化石能源的大规模开采和应用，其燃烧产生的CO2 、硫化物、氮化物的急剧增加导致了全球环境的恶化，开发可再生清洁能源成为各国的未来能源目标。风能是一种清洁的可再生能源，没有化石能源（如煤电、油电）会造成环境污染的问题。平均每装一台单机容量为1MW的风能发电机，每年可减排2000t二氧化碳相当于种植2.59平方千米的树木、10t SO2及6t NO2，当前风电技术日趋成熟产品质量逐渐可靠，可用率已达95%已是一种安全发展最快的新型能源。我国东南沿海及其附近岛屿、新疆北部、内蒙古、甘肃北部是中国风能资源丰富的地区，有效风能密度为200-300W/m² 。全年风速不小于3m/s的时间总数超过5000h。

在这些区域已建立了许多大型风电场且风电场距离居民区也越来越近，大型风力机由于尺寸巨大，其产生的噪声问题日益凸显，尤其是在夜晚风力较大，且周围环境背景噪声较小时尤为明显，严重影响到居民的正常休息。目前，国内外风力机产生的噪声已引起了相关环保组织的关注，并陆续收到来自风电场附近居民的投诉。风力机的叶片噪声产生机理还不明确，噪声的精确预测也较难，特别对于噪声源的主要位置和产生机制尚不清楚，这对于如何抑制风力机的噪声，降低风力机主要噪声源的噪声强度有很大挑战。因此，开展大型风力机的噪声源产生机制研究具有重要的意义。

• 数值仿真分析法：主要研究对象是风力机的气动噪声，通过对风力机叶片进行建模，引入声源模型如FW-H方程，通过仿真模拟来获取气流与叶片间产生的气动噪声。气动噪声的大小与风速有关，随着风速增大而增强，对水平轴风力机叶片辐射噪声特性进行模拟，获得了叶片产生噪声的主要位置和强度。如图1所示，由图可看出，叶片的尖端和根部的压力较大，尖端压力变化剧烈，噪声较大。

• 实验测量法：对小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射进行实验研究发现，风轮旋转过程中，风力机叶尖辐射噪声频谱是由旋转风轮的基频及其谐波所构成的离散噪声叠加。在宽频噪声上组成的Marcus等，通过试验研究了轴流式风力机叶片和塔架的干涉气动噪声。发现叶片与塔架的干涉噪声有脉冲特点，且噪声与叶片的旋转速度及塔架的阻力系数有关。

本文通过实验研究的方法获得了某型风力机的噪声大小和指向分布规律，并对噪声的产生来源和频谱特性进行了分析，为风力机的优化设计提供了技术基础。

式中，SPL为声压级，P 为声功率，P0=2×10^-5Pa为基准声功率。

自由声场中的风力机测量声压级采用

式中，r 为风轮中心到测点传声器的距离。

实验正式开始前，在风机刹车不转动的状态下，进行外场实验的背景噪声采集。采集完后，启动风机于某个设计转速或正常工作转速（与风速密切相关），进行风力机外场气动噪声的采集和测量。

图6、7为0°方向的噪声频谱分析结果。由图可知，风力机产生的噪声频谱是一个宽频范围，随着频率的增加声压级快速减小，而在低频范围内存在几个特定的高峰值，表明有几个主要的噪声源，这是由风轮后面的动力和偏航系统产生的噪声。

图8-11为在90°和270°方向的频谱分析结果。由图可看出在90°和270°方向，噪声频谱同样随着频率的增加，声压级逐步降低；在90°方向存在几个峰值纯音基频，峰值频率主要在低频范围，且伴随有基频的多个倍频出现。这是叶片尾端风剪切效应和尾流效应形成的离散噪声。

由图11可看出，没有单一的峰值频率呈现宽频特性，这表明在这个方位测量获得的主要是叶片自噪声占主体，叶片自噪声包括边界层脱落涡噪声、尾缘噪声等，属于一种宽频噪声源。

在3个主要噪声方位上0°和90°方向，存在峰值基频和倍频。这些纯音是主要的噪声源，来源于风轮后面的机械噪声和叶片尖端气动噪声，且它们属于低频噪声范围，穿透能力强，传播距离远，是在设计和工程实际中需要进行降噪的控制点。控制方法可采取优化齿轮轴承传动部件、高阻尼材料和隔音外罩降低机械噪声，对叶片外型进行优化设计、适当降低风轮转速等降低气动噪声。此外，大型风力机发电场的选址上，应位于居民区的下风方向，这样能减弱噪声对居民生活的影响。