猫头鹰翅膀给风电机组降噪带来的启发

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猫头鹰翅膀给风电机组降噪带来的启发

文章出处：技术资讯网责任编辑admin 阅读量：发表时间：2020-09-14 11:26

近年来风电场开发逐步拓展到人口密度较大的区域，由于风电场靠近居民区，不可避免地会对当地居民产生噪声辐射影响。一面是绿色可再生能源的高速蓬勃发展，一面是噪声辐射影响，如何攻破噪音难题，实现风电产业的和谐发展，成为摆在风电整机厂商面前的难题。
风电机组噪音形成原因
风力发电机组噪声源有桨叶噪声及舱内噪声，舱内噪声包括齿轮箱噪声、发电机噪声、偏航系统噪声等（见图1）。由于齿轮箱、发电机等噪声源位于机舱罩内，机舱罩具很强的隔声吸声性能，而桨叶完全暴露在空气中，所以对风电场居民的噪声干扰，桨叶噪声占据主导。

图1 风电机组噪声源示意图

风轮在旋转过程中，桨叶与空气产生较大的相对速度，叶尖线速度约80m/s，空气从桨叶的前缘流向后缘，受桨叶弦长、桨矩角、相对风速、大气压等因素的影响，桨叶后缘附近产生不同尺度、不同强度的涡流（见图2），这是桨叶噪声的根本来源。不同尺度涡流的存在导致桨叶扫风噪声呈宽频特性，涡流的强度则决定了噪声的强度。

图2 桨叶尾流示意图

图3 桨叶扫风噪声1/3倍频谱

桨叶降噪技术研究与应用
仿真分析发现桨叶扫风噪声主要来源于桨叶尾缘，而模仿猫头鹰翅膀的锯齿尾缘可以有效的降低气动噪声，锯齿尾缘可产生反向涡流，改变桨叶后缘的尾迹涡的脱落位置及尺度，抑制脱落涡的扰动，进而减少桨叶后缘附近的非定常压力脉动和尾迹涡引起的气动噪声。

图4 锯齿结构风洞试验

图5为对某风电场的1.5MW机组进行了批量降噪优化，按照《IEC61400-11 Acoustic noise measurement techniques》进行了技改前后噪声测试。测试结果表明：降噪锯齿条可有效降低风力发电机组噪声，不同风速下的A计权声功率级降低1.7～3.2dB，同时噪声脉动 (AM) 降低约1dB (A)，极大地降低了风力发电机组对附近居民的噪声影响强度和烦恼程度。

图5 尾缘锯齿结构

图6 锯齿条降噪效果
可控噪声运行模式研究与应用
研究表明，桨叶旋转噪声与转速的5次方成正比，故降低风轮转速可有效降低风电机组噪声。通过研究和仿真，我们开发了可控噪声运行模式控制系统，每个运行模式设置一个额定转速，可根据不同时间、不同季节、不同地域的政策要求和噪声限值要求实现噪声的主动控制，同时优化桨矩角控制策略，最大限度降低发电功率的损失。