貓頭鷹的翅膀給了運達技術人員什么啟發?
近年來風電場開發逐步拓展到人口密度較大的區域,由于風電場靠近居民區,不可避免地會對當地居民產生噪聲輻射影響。一面是綠色可再生能源的高速蓬勃發展,一面是噪聲輻射影響,如何攻破噪音難題,實現風電產業的和諧發展,成為擺在風電整機廠商面前的難題。運達風電技術人員為了攻克這一困擾,進行著不斷的探索試驗,并取得了卓有成效的成績。
風電機組噪音行程原因
風力發電機組噪聲源有槳葉噪聲及艙內噪聲,艙內噪聲包括齒輪箱噪聲、發電機噪聲、偏航系統噪聲等(見圖1)。由于齒輪箱、發電機等噪聲源位于機艙罩內,機艙罩具很強的隔聲吸聲性能,而槳葉完全暴露在空氣中,所以對風電場居民的噪聲干擾,槳葉噪聲占據主導。
圖1 風電機組噪聲源示意圖
風輪在旋轉過程中,槳葉與空氣產生較大的相對速度,葉尖線速度約80m/s,空氣從槳葉的前緣流向后緣,受槳葉弦長、槳矩角、相對風速、大氣壓等因素的影響,槳葉后緣附近產生不同尺度、不同強度的渦流(見圖2),這是槳葉噪聲的根本來源,不同尺度渦流的存在導致槳葉掃風噪聲呈寬頻特性,渦流的強度則決定了噪聲的強度。
圖2 槳葉尾流示意圖
圖3 槳葉掃風噪聲1/3倍頻譜
槳葉降噪技術研究與應用
仿真分析發現槳葉掃風噪聲主要來源于槳葉尾緣,而模仿貓頭鷹翅膀的鋸齒尾緣可以有效的降低氣動噪聲,鋸齒尾緣可產生反向渦流,改變槳葉后緣的尾跡渦的脫落位置及尺度,抑制脫落渦的擾動,進而減少槳葉后緣附近的非定常壓力脈動和尾跡渦引起的氣動噪聲。為了能更有針對性地進行鋸齒結構設計,我司與北京航空航天大學展開深入的技術探討,并進行了風洞試驗(見圖4)。
圖4 鋸齒結構風洞試驗
2015年,我司就開始對某風電場的1.5MW機組進行了批量降噪優化(見圖5),并按照《IEC61400-11 Acoustic noise measurement techniques》進行了技改前后噪聲測試。測試結果表明:降噪鋸齒條可有效降低風力發電機組噪聲,不同風速下的A計權聲功率級降低1.7~3.2dB,同時噪聲脈動(AM)降低約1dB(A),極大地降低了風力發電機組對附近居民的噪聲影響強度和煩惱程度。
圖5 尾緣鋸齒結構
圖6 鋸齒條降噪效果
可控噪聲運行模式研究與應用
研究表明,槳葉旋轉噪聲與轉速的5次方成正比,故降低風輪轉速可有效降低風電機組噪聲。通過研究和仿真,我們開發了可控噪聲運行模式控制系統,每個運行模式設置一個額定轉速,可根據不同時間、不同季節、不同地域的政策要求和噪聲限值要求實現噪聲的主動控制,同時優化槳矩角控制策略,最大限度降低發電功率的損失。
圖7 降噪模式轉速控制示意圖
四十多年的風電產品研發積淀,結合風力發電系統國家重點實驗室平臺優勢,運達風電在風電機組噪聲控制技術研究方面已經走在了行業的前列,成功為多個風電場多平臺機型提供了定制化噪音解決方案,發揮了引領行業健康和諧發展的主導作用。