锯齿尾缘在风电机组降噪工程上的应用

徐玉龙, 袁晓东, 李必伟, 赵 耀, 纪胜强

(1.中国大唐集团安徽分公司, 安徽 合肥 230088；2.中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院, 安徽 合肥 230088)

0 引言

近年来，我国能源结构调整和电力可持续发展战略持续推进，伴随双碳目标的提出，以风力发电和太阳能发电为主的新能源发电得到了迅速的发展，截止2020年，我国风电装机容量已达到28 165万千瓦，占总装机容量的12.8%，并网风电4 665亿千瓦时，占总发电量的6.1%，装机容量和发电量呈逐年上升趋势[1]。

尽管风电机组不会带来常见的气、水和固态污染物，但仍会产生以噪声为主的物理性污染。伴随着风电机组的快速发展，风电机组的噪声问题日益凸显，噪声扰民成为很多风电场亟待解决的问题之一。

1 降噪研究

风电机组的噪声主要分为机械噪声和气动噪声。其中机械噪声来源于传动链、发电机、偏航系统和冷却散热系统；气动噪声主要来源为翼型自噪声，叶片与紊流来流相互作用后，引起气流波动，进而产生噪声，叶片气动噪声与叶尖速度的5次方成正比[2]。研究表明，风电机组产生的噪声中让人感到烦躁的主要是气动噪声[3]。

针对气动噪声的降噪研究，国内外学者相继提出了多种降噪技术[4-8]，其中加装锯齿尾缘是一种行之有效且易于实施的技术。加装锯齿尾缘降噪的原理是锯齿尾缘改变了叶片尾缘处的流场结构，破坏了尾缘后面的涡流，将尾缘边界层处较大的涡流被打散成较小的涡流，实现降低噪声的目的。

M.S.Howe[9]研究了锯齿高宽比对降噪效果的影响，结果表明，锯齿的高宽比越小，降噪效果越好。S.Oerlemans等[10]研究了多种降噪措施对风电机组的降噪效果，结果表明加装锯齿尾缘具有更好的降噪效果。M.Gruber等[11]对加装锯齿尾缘的翼型进行了实验研究，结果表明加装锯齿尾缘对中低频段噪声具有更好的降噪效果。许影博等人[12]利用风洞试验研究了锯齿结构对风机噪声的降噪效果，结果表明，锯齿尾缘是一种可行的降噪方案，尤其对中低频段的远场气动噪声有比较明显的降低效果；而且降噪效果与锯齿的齿数和齿间倒角有关。黄乾[13]通过数值模拟研究了锯齿尾缘对翼型流场及非稳态特征的影响，认为锯齿尾缘改变了翼型尾缘附近流动结构，具有抑制翼型音调噪声的潜力。陈宝康等[3]研究了锯齿尾缘在同风速、不同频率下的降噪效果，结果表明，锯齿尾缘在风速为5 m/s时具有最好的降噪效果，对低频噪声的降噪效果比较明显。刘伟江等人[14]利用风洞试验研究了不同锯齿的降噪效果，结果表明锯齿可明显降低低频段噪声，但一定程度提升了高频段噪声。汪瑞欣等人[15]采用脱体涡模拟与声类比的方法，研究锯齿尾缘结构对风机气动噪声的影响，结果表明锯齿高度对降噪效果具有一定的影响。

2 实验方案

本文以某风电场加装锯齿尾缘的风机为研究对象，开展锯齿尾缘在大型风电机组降噪工程中的应用效果研究。

2.1 风机参数

本文的研究对象为某风电场2.0 MW风电机组，其主要参数见表1。

表1 风机参数

2.2 改造方案

本次改造每个叶片尾缘上增加4种不同的锯齿，如图1所示，锯齿高度分别为80 mm、100 mm、120 mm、160 mm，每组安装长度分别为3 120 mm、5 000 mm、6 000 mm、5 760 mm，安装起始位置见表2所示，安装总长度为19 880 mm，叶片总长度56.5 m，锯齿结构约占全叶片长度的35.2%。

表2 锯齿安装信息 单位:mm

图1 锯齿安装示意图

2.3 测试方法

本文风机噪声的测试方法按照GB/T 22516《风力发电机组噪声测量方法》的相关要求开展。测点位于被测风机下风向距离机组R0=H+D/2≈150 m处(H为轮毂高度，D为风轮直径)，测点位置示意图见图2、图3。

图2 测点位置示意图

噪声测试分为改造前和改造后两个阶段开展，改造前为机组未安装锯齿尾缘运行期间，分别测试机组停运期间的背景噪声和机组正常运行期间的运行噪声，同时测量风速、频谱等数据。改造后为机组加装锯齿尾缘后运行期间，测试内容与改造前相同。

3 结果讨论

测试期间机组处于停机或正常运行状态，测得数据为现场实际采集到的所有声音信号，在两次运行噪声测试期间，风机运行工况基本一致，因此风机冷却系统、偏航系统带来的机械噪声基本相同，可以认为机械噪声对改造前后的测试结果不具有明显影响，本文不再考虑风机机械噪声带来的影响。此外，两次测试期间的环境条件(温度、气压、湿度等)基本一致，可以排除环境条件对测试结果的影响。

3.1 降噪水平

通过对改造前后风机运行噪声的测试，并对测试数据进行统计计算，得到不同风速下的平均A计权声压级。所测噪声值均为风机下风向150 m处测点测得。表3是测试数据的汇总表，其中改造前(后)噪声为机组正常运行状态下测得，降噪效果为改造前后的噪声的差值。根据表3的数据绘制图4。

表3 改造前后噪声水平

图4 不同风速下改造效果

通过表3和图4可以看出，在测定风速条件下，加装锯齿结构能够有效降低风电机组的噪声水平，降噪效果在1.9～4.7 dB(A)之间，平均降噪3.1 dB(A)。

3.2 频谱分析

为研究此次改造中安装的锯齿尾缘对风机叶片噪声的降噪特性，选取8 m/s风速下改造前后风机噪声倍频程频谱数据为研究对象进行分析，结果见图5。图中柱状图为改造前后该频率的噪声值，线条图为改造前噪声值与改造后噪声值的差值。

从图5中可以看出，在16～16 000 Hz共11个频带内，该锯齿结构对风机噪声的降噪效果存在一定的差异，在16～4 000 Hz频带内(中低频段)均具有降噪效果，在8 000 Hz以上(高频段)噪声略有增加。其中在125～2 000 Hz(中频段)具有明显降噪结果，最佳降噪效果为5.5 dB(A)，可见，该锯齿结果对风机噪声的降噪效果主要体现在中频段。

图5 改造前后噪声频谱图

4 结论

通过本次对风机改造前后的噪声测试，并对噪声频谱进行分析，得出以下结论：

本次改造选用的锯齿结构对风机叶片的气动噪声具有明显的降噪效果，在5～8.5 m/s风速区间内的降噪效果在1.9～4.7 dB(A)之间，平均降噪3.1 dB(A)。

该锯齿结构在8 m/s风速下对风机叶片气动噪声的降噪主要集中在125～2 000 Hz，最高降噪效果达5.5 dB(A)。