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风电噪声控制

风力发电作为二十世纪的绿色新能源,近年得到大力推广,然而随着目前风电建设土地面积的资源减少,风电机组开始在靠近居民的地方树立,由此引发了风电噪声扰民,风电场附近居民产生大的噪声投诉等问题。由于风电产业在国内的发展较晚,对风电噪声控制的研究起步也较晚。目前国内外,针对风力发电机组以及风场的建设有明确的噪声限值标准。部分国家的标准甚至不仅限于噪声声级有要求,对可听性音调性都有相关的规定。这说明未来低噪声风机的开发有着必然的趋势。

风机降噪技术是一项复杂的系统工程,包括来源复杂的气动噪声、机械噪声以及电磁噪声。全面的噪声治理技术复杂性和难度非常大,不仅需要从主动控制上考虑优化设计相应的机械部件,降低噪声源的辐射声能;同时还需要研究噪声传递途径上的处理方式,使得风电噪声得到显著衰减;另外还可以考虑在受到噪声困扰的居民住宅等敏感建筑物附近进行隔声吸音处理,降低风电噪声对外界的干扰。


1 风电整机噪声产生机理

风电机组的噪声来源有气动噪声、机械噪声和电磁噪声,在大功率的风电机组中气动噪声是最主要的。下面将分述三类噪声的主要形式及产生机理。

1.1气动噪声及产生机理

空气动力性噪声是气体的滚动或物体在气体中运动,引起空气振动而产生的,一般分为三类:单极源、偶极源和四极源。风电机组噪声是其他流动过程中产生的,主要是由于气体的非稳定流动造成的,为偶极子源。

风电机组的气动噪声主要有下面几种形式

1)低频声。这部分噪声是由于风电叶片旋转时遇到气流不均(气流围绕塔筒流动)、风速改变或者从其他叶片上的尾流脱落而产生的。

2)流入湍流噪声。取决于空气湍流的总量。由于空气湍流造成的叶片周围的载荷力和载荷压强的波动。

3)翼型自身噪声。包括沿翼型表面的空气流产生的噪声。一般为宽频噪声,但是生硬的边缘,或气流穿过狭缝和孔则会产生纯音。这一部分噪声主要由6种噪声组成。

1)后缘噪声,这是由于叶片后缘边界层湍流的相互作用造成的。在对机翼后缘的噪声预测研究中,通过仿真分析获得了机翼的不同设计参数如升力系数和几何形状对后缘噪声的影响。厚度不变,弦长变长,升力系数减小时噪声降低,升力系数不变,改变翼型厚度减少,噪声降低,而升力系数与迎角成近似线性正比关系,噪声强度则随升力系数增加而增加,且在升力系数较低时,厚翼型比薄翼型后缘噪声大,升力系数到达一定值后,则薄翼型比厚翼型后缘噪声大。

2) 翼尖噪声,这是由叶片翼尖表面的湍流交互造成的。

3) 失速,分离噪声,这是由于叶片表面湍流的相互影响。

4) 边界层噪声,叶片表面的非线性边界层不稳定交互作用。

5) 钝尾缘噪声,由于在钝尾缘的涡旋脱落。  

6) 通过孔、缝隙以及入侵的空气流动产生的噪声——通过孔和缝隙的非平稳剪切向流体,入侵引起的涡旋脱落。  

另外还有叶片搅动的噪声:这是一种类似通过节奏性调制的噪声,听起来接近涡轮的声音,其幅值和频率随叶片的经过改变(这相当于声源相对接受者发生了变化),其声源特性的变化可能是由湍流、偏航误差和切向风力增强导致的。随着离涡轮距离越来越远这部分噪声越来越模糊,但是这种声音经常被人们所厌烦

有研究者采用声阵列测试对风电机组的噪声源进行定位,分析了不同频段叶片与轮毂噪声对总体噪声的贡献情况,还对比了不同处理方式的叶片其噪声分布情况。


1.2机械噪声及其产生机理

机械噪声是由与冲击、摩擦、交变应力或磁性应力等作用下,引起的机械设备结构部件碰撞、摩擦、振动产生的。在风电机组中,主要的机械噪声来源有齿轮箱、发电机、偏航设备、冷却风扇(实际上,这一部分应归到气动噪声中)和其他辅助设备等。

对于齿轮箱,偏航设备这类旋转零件较多的部件,其噪声多是由于转动零部件的不平衡引起的,对于转子的形状不对称、材质不均匀,毛坯缺陷,热处理变形,加工和装配误差以及与转速有关的变形等原因,是质量分布不均,造成转子偏心,当转子运转时就产生了不平衡的离心惯性力,从而是机械产生振动和噪声。

发电机的噪声问题比较复杂,其噪声源主要有电磁噪声、流体产生的空气动力噪声及转子和轴承的机械噪声。电磁噪声是因为交变磁场引起定子铁心和电驱绕组振动时产生的噪声,该噪声为固体传播声,传向定子机座,成为噪声源。空气动力噪声则是由于安装在转子轴端的风扇和转子自身的的旋转而使发动机内各部分的冷却空气流动,继而产生的噪声。此外转子自身旋转也会产生空气动力声。转子和轴承的机械噪声则是由振动产生的。

冷却风扇的噪声机制基本相近,在此以轴流风扇为例进行说明。轴流风扇的噪声包括旋转噪声和涡流噪声,当风机出口直接排入大气时还有排气噪声。


1.3电磁噪声及其产生机理

该部分噪声主要来自风电机组的变电站:变电站运行期间的噪声主要是主变压器、电抗器和室外配电装置等电器设备所产生的电磁噪声,主要以中低频为主。这类噪声是由电磁场交替变化而引起某些机械部件或空间容积振动而产生的噪声。常见的电磁噪声产生原因有线圈和铁心空隙大、线圈松动、载波频率设置不当、线圈磁饱和等等。


2. 风电系统的噪声控制方法

考量风力发电机组的整体性能中,很重要的一个就是高的风电转换效率,而在进程噪声控制实施过程中,首先要保证噪声处理方案不会对其能量转换效率造成影响。其次,需要确保在噪声控制措施实施后,不会影响其后续的操作、维修等工作。另外,风力发电机组塔筒内部需要很好的散热,在进行降噪处理时一定不能影响塔筒内整个空间的散热效率,保证机组各部件的安全运行。同时还需要考虑风场的气候条件,确保安装的外部隔声装置能够耐湿,耐寒,经久耐用。

在气动噪声上,实际降噪措施有降低翼尖速度比,减少叶尖速度,减小叶片的迎角,将涡轮机设计为逆风型(即将转子移动到上风口位置,因为叶片顺风的时候会产生间歇性的重击声),设定合适的变速控制策略,改变叶片尾缘,增加转子的力矩,增加涡轮机的重量和成本,叶片间距的调节,改进叶片的形状设计,使之有较好的流线型和合适的弯曲角度,此外需要及时的清洁表面,修补漏洞。在设计阶段,则需要对叶片的噪声情况建模以优化结构,指导设计生产。一般的来说,选用逆风型的、低转速、合理的叶片间距控制,这样的风电机组产生的气动噪声较小。

有研究表明,风扇的叶片材料,对其噪声也有一定程度的影响。总体说来,材料的损耗系数越大,其噪声越小。增加风扇的叶片数,在转速不变的条件下,可以增加风扇的风量。或者在获得同等风量的前提下,可以降低风扇的转速,从而降低风扇噪声。但叶片数在6以上时,增加叶片数,风量增加有限,且在降噪特性上往往有负面的作用。低速宽叶风扇与高速窄叶风扇在相同的风量情况下,前者比后者产生的噪声声压级低4dB(A),并且功率消耗要减少27%。缩小风扇与护风圈的间隙,防止气流紊乱,可以降低风扇噪声。

对于机械噪声,我们可以通过采用特殊精加工的齿轮,将组件安装于机舱内而不是直接接触地面,在机舱中增加挡板和隔声件,在主要组件上采用隔振器和柔性支撑安装,在相应的主要发声设备周围进行吸声隔声处理,对有振动的地方安装阻尼缓冲件,优化设计涡轮机结构避免将噪声传递到整个结构上。

对于电磁噪声,采用磁致伸缩小的高导磁材料,降低铁心磁密,改良和缩小铁心接缝,采用多级接缝,以及进行隔声隔振处理等。此外,有研究对发电机进行主动降噪,将转子材料改变,从而实现低额定转速,从而在声源上控制了发电机的噪声。

以上都是针对声源进行改善以达到降噪效果,其对噪声降低是有限的,还需要从噪声的传播途径考虑,采取措施使噪声在传播过程中衰减。常见的有在排风口安装消声器,使用主动控制装置,在叶片边缘扰乱湍流模式,从而减少噪音,在塔筒内部铺设吸声隔声板,以消除室内混响降低塔筒内的声能密度,降低声源向外辐射的强度,以及设置两级房间,采用隔声性能好的双层隔声门,以及在敏感建筑附近关注的接收点处设立隔声屏障等。


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