第32卷第1期2010年2月
风力发电技术
沈 阳 工 业 大 学 学 报JournalofShenyangUniversityofTechnology
Vol132No11Feb12010
文章编号:1000-16(2010)01-0027-05
小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射测试与分析
汪建文,白 杨,高志鹰,东雪青,王晓迪,由志刚
1,2
1
1,2
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(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特010051;2.内蒙古自治区可再生能源重点实验室,呼和浩特010051)
摘 要:为解决小型风力机风轮叶尖近尾迹区域的噪声问题,利用BSWAVS302USB振动噪声采集分析系统,在风洞开口试验段对不同尖速比条件下的水平轴风力机风轮叶尖下游进行近尾迹声场声辐射测试,对叶尖下游的辐射噪声频谱和声压进行了分析.试验结果表明: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,其中叶片离散的旋转噪声在总噪声级中占主导地位.在叶尖翼型后缘下游存在叶尖涡和附着涡诱导效应区,对流场的扰动较大;在风轮叶尖区域叶片周围存在高压力脉动区域,声压级最强部分靠近叶尖下游区域.
关 键 词:水平轴风力机;叶片;叶尖;近尾迹;噪声;涡流;压力脉动;声压中图分类号:TK83 文献标志码:A
Measurementandanalysisonnoiseradiationinrotorblade-tipnear-wake
regionofsmallwindmill
WANGJian-wen,BAIYang,GAOZh-iying,DONGXue-qing,WANGXiao-di,YOUZh-igang
(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,
MongoliaAutonomousRegionKeyLaboratoryofRenewableEnergy,Hohhot010051,China)
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InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China;2.Inner
Abstract:Toresolvethenoiseprobleminrotorblade-tipnear-wakeregionofsmallwindmil,lthenoiseradiationofnear-wakeacousticfieldintherotorblade-tipdownstreamofwindmillwasmeasuredbasedonBSWAVS302USBnoisevibrationacquisitionandanalysissystemoverarangeoftipspeedratiosattheopenexperimentsegmentofwindtunne.lThenoisepressureandspectrumintheblade-tipdownstreamwereanalyzed.Theexperimentalresultsshowthatthenoiseradiationspectrumofrotorblade-tipiscomposedofthebroadbandnoisesuperposedbythediscretenoisefromfundamentalfrequencyanditsharmonicintherotatingprocessoftherotor.Thediscreterotationnoiseisdominantintotalnoiseleve.lThetipvortexandadhesionvortexappearintheblade-tipairfoiltrailing-edgedownstream,whichcanofferthegreaterdisturbanceontheflowfieldinrotorbladetip.Thehighpressurepulsationregionformsaroundtheblade,andthestrongestpartofsoundpressurelevelisnearthedownstreamregionofblade-tip.
Keywords:horizontalaxiswindturbine(HAWT);blade;blade-tip;near-wake;noise;vortex;pressurepulsa-tion;soundpressure
由于产生叶尖噪声的物理机制尚未完全清楚,因此叶尖噪声问题更加值得关注Bareis和Guidati
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大部分噪声主要是由叶片以外10%~20%的部分产生.NiiYoshinori(2001)等人实验研究结果表明,在风力机叶尖外部区域存在重要的噪声辐
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.Wagner,
(1996)研究结果表明,叶片的
收稿日期:2009-10-13.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50976047);内蒙古自治区高等学校科学研究资助项目(NJ09072).作者简介:汪建文(1958-),男,江苏金坛人,教授,博士生导师,主要从事风力机气动力学等方面的研究.
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射,并在此区域找到最高级的噪声源.ChuichiArakawa应用地球模拟器,针对两种叶尖形状,应用可压缩的大涡模拟方法,并结合FW-H声学方程对水平轴风力机的流场和声场进行模拟.计算结果表明,风力机辐射气动噪声主要是由尾涡脱落引发,尤其是叶尖涡.关于风轮气动噪声形成的主要原因及运行风轮叶尖辐射噪声在近尾迹流场中的传播数据,相关文献报道尚少.
由于建造声学风洞造价很高,国内尚无高质量的声学风洞,因此试验在内蒙古工业大学B1/K2低速风洞开口试验段完成,风洞闭口试验段湍流度小于01005.为了使定性分析的数据可靠,本试验中将风洞整流段产生的3kHz气动噪声滤除,并使传声器尽量接近辐射声源,得到了可靠的声压级和频谱图.本文通过对风轮近尾迹流场内噪声的传播进行噪声测试,旨在为风轮气动噪声预测模型的优化和降噪途径的探索提供研究方法和试验数据.
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20101dB/K;¼压力系数250Hz,20102dB/kPa.112 试验方案
为了准确地测试风力机的气动及噪声特性,
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避免大自然测试中的不稳定性影响,本试验在来流风速为8m/s的风洞开口试验段进行,在5个尖速比下,对风轮叶尖下游长130cm、宽90cm的网格区域共140个测点进行了噪声辐射传播测试.风轮1号叶片处于水平位置,取风轮1号叶片叶尖翼型的前缘点为o点.过o点垂直风洞来流平行地面的线为x轴,从中心向外为正向;过o点顺着风洞来流平行线为y轴,往下游方向取正向.在x轴正方向分别取6条测试线,负方向取3条测试线.沿x轴方向每条测试线间距为10cm,y轴方向上从o点开始选取间隔为10cm的14个测点,其布置如图1所示.
1 试验设备及方案
111 试验设备
试验设备包括:
1)吹气式B1/K2直流式低速风洞.利用全数字变频调速器调节驱动风扇的转速来调节风速,变频器的变频范围为0100~60100Hz.该风洞有闭口和开口2个试验段,闭口试验段为019m@019m,试验风速为0~60m/s;开口试验段直径为2104m,试验风速为0~18m/s.
2)实际户用型100W小型风力发电机.采用该设备进行风力机系统试验,叶片翼型为NACA4415,定桨距,风轮直径114m,叶片数为3,额定风速8m/s,额定尖速比K=5.
3)三相整流桥、EDA9033G智能三相电参数采集模块以及安装有基于LabWindows/CVI平台编写的风力机自动测试程序的电脑采集外特性测试系统.通过该系统监测功率的输出和转速的变化,在转速控制系统中,风轮转速通过电阻型负载调节.
4)精度为?0105m/s的Testo425型热线风速仪.该设备用于试验段风速监测.
5)HS6020型声校准器、MP201型传声器和BSWAVS302USB便携式双通道声学振动分析仪.利用该设备进行系统噪声测试.MP201型传声器主要性能指标为:¹开路灵敏度250Hz,50mV/Pa;º频率响应0102~20000Hz;»温度系数250Hz,[7]
图1 测点布置图
Fig11 Layoutofmeasuringpoints
2 测量结果分析
211 风轮辐射噪声频谱分析
采集未安装风力机时风洞开口试验段提供稳定8m/s风速时的噪声作为分析的背景声.由于风洞的来流会产生一个3kHz的谐波频率,具有很强的谐波属性,因此将频率的范围控制在0~2kHz.
风力机产生的噪声通常可分为旋转噪声和涡流噪声.
1)旋转噪声
旋转噪声与叶轮的转速和叶片数有关.特别在高速、低负荷情况下,这种噪声尤为突出.旋转噪声是由于叶片周围不对称结构与叶片旋转所形成的周向不均匀流场相互作用而产生的.
叶片均匀分布,叶轮旋转噪声的频率计算公式为第1期 汪建文,等:小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射测试与分析
f=nzi/60
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212 风轮辐射噪声声压分析
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式中:n)))叶轮每分钟转速;
z)))叶轮叶片数;i)))谐波序号,i=1,2,3,,.
离散噪声具有离散的频谱特性,基频(i=1时对应的频率)噪声最强,高次谐波依此递减.2)涡流噪声
涡流噪声是叶轮高速旋转时因气体边界层分离而产生的涡流所引起的噪声.由于涡流噪声频率取决于叶片与气体的相对速度,而叶片的圆周速度又取决于各点的圆半径,叶片各点速度连续变化,因此,离心风机产生的涡流噪声具有随机的特性,呈现为连续的宽带谱.
当尖速比K=415、x=0cm时,其叶片旋转声基频为24155Hz,实际采集第3测点风轮噪声频谱如图2所示.尖速比K=510、x=0cm时,计算得到叶片的旋转声基频为27128Hz,实际采集第4测点风轮噪声频谱如图3所示.从图2、3中看出噪声的能量集中在20~500Hz的低频段,500Hz后面的频段脉动趋于平稳.涡流噪声是由气流紊流层与叶片相互作用、叶片表面旋涡随机脱落和紊流附面层诱导非定常压力随机脉动而引起的,其频谱特性是随机连续的.
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不同尖速比下x轴上各测试线下声压曲线如图4所示,其中横坐标y为各测点与风轮旋转平面的距离,纵坐标为辐射噪声等效连续声压级SPL.图4中K=415,表示为在尖速比K=415下风轮辐射噪声声压级随距离y变化的曲线.风轮在x=50cm和x=60cm的测试线上,风轮的辐射声与背景声趋势相似.
在测试区域的各个测点上,对应的尖速比越高,风轮的辐射声越大.如图4d所示,尖速比K=615时风轮辐射噪声在整个测试范围内大于背景声,随尖速比减小,各个测点声压值都明显有所降低,这是由于风轮的叶尖线速度和气动载荷逐渐降低所致.
在测试区域垂直x轴的各条测试线上,风轮的辐射声压在y轴方向随着测点向风轮下游移动并逐渐衰减,在一定距离之后低于背景声,如图4d所示.在距离风轮更远的下游又高于背景声压,如图4a、b中K=415所示.同时随着尖速比的增大,辐射声与背景声的相交点越远,如图4d中0cm声压数据曲线.由于传声器通过检测压力脉动计算声压级,因此叶尖区域压力脉动在向下游传播的过程中先迅速降低,在一定距离后低于风洞来流的压力脉动,并在更远的下游又高于风洞来流的压力脉动.
如图4所示,在y轴方向上随测点远离风轮的旋转面,衰减的幅度减小,距风轮旋转面40~50cm以后趋于平缓.如图5所示,横坐标x为各
图2 第3测点风轮辐射噪声频谱图Fig12 Radiationnoisefrequencyspectrum
at3rdmeasuringpoint
测点与测试轴x线的相对距离;纵坐标SPL为辐射噪声的等效连续声压级.在测试区域的y轴各条测试线上,随着测点向风轮叶尖外部移动,风轮辐射噪声逐渐衰减.同时风轮的辐射声衰减的幅度越来越小,在距叶尖10~20cm以后衰减趋于平缓.
综合图4、5风轮辐射声衰减的趋势,证实了在风轮叶片周围存在主要的噪声源,风轮叶尖区域附近是辐射噪声最强的区域,如图6阴影部分所示.
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根据流场中涡动力学理论的胀压方程
152#2-¨c5t
2
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图3 第4测点风轮辐射噪声频谱图Fig13 Radiationnoisefrequencyspectrum
at4thmeasuringpoint
p
=¨#L Q(2)
由上述可知:风力机叶尖辐射噪声频谱是由叶片通过频率的基频及其谐波构成的离散噪声叠加在宽频噪声上组成的,其中叶片离散的旋转噪声在总噪声级中占主导地位.旋转噪声主要是以叶片通过频率的基频及其谐波形式向外辐射的,其频谱特性是离散的.
式中,L=X@v为Lamb矢量,其物理意义表示,在低马赫数情况下流体涡旋的速度旋度是流场中的脉动压力(因而也是声波)的唯一的源,可以得出,流场中的脉动压力与气流辐射声实际上是由流体涡旋决定的.出现上述现象是由于风力机尾迹是以漩涡流动为主导的流动现象所致.在叶尖
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图4 x轴各测试线测点声压数据曲线图
Fig14 Soundpressurecurvesatmeasuringpointsalongx-axis
图5 y轴测试线测点声压数据曲线图
Fig15 Soundpressurecurvesatmeasuringpointsalongy-axis
第1期 汪建文,等:小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射测试与分析
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图6 风轮辐射噪声产生区域
Fig16 Generatingregionofrotorradiationnoise
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翼型后缘下游存在叶尖涡和附着涡诱导效应区,对于流场的扰动较大,为辐射声产生主要区域.而风轮下游流场较稳定,流场的扰动较小,因此此时流动损失较小,辐射声衰减较为平缓.
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3 结 论
本文通过试验的方法对水平轴风力机近尾迹叶尖下游区域的噪声辐射和传播进行了测试,分析了叶尖区域辐射噪声的频谱和声压外特性.试验说明: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构成的离散噪声叠加在宽频噪声上组成的.其中叶片离散的旋转噪声在总噪声级中占主导地位.旋转噪声主要是以旋转风轮的基频及其谐波形式向外辐射的,其频谱特性是离散的.由于在叶尖翼型后缘下游存在叶尖涡和附着涡诱导效应区,对于流场的扰动较大,因此在风轮叶尖区域叶片周围存在高压力脉动区域,声压级最强部分靠近叶尖下游区域.
风轮近尾迹的叶尖辐射噪声情况与风轮近尾迹的流场和风轮的转能效果密切相关,开展水平轴风力机近尾迹辐射声的研究工作加深了对其声场规律的认识,必将有助于提高水平轴风力机的研制水平.
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(责任编辑:邓美艳 英文审校:王丽梅)