基于实验数据的风轮工况振型与叶片自激声源耦合规律研究

The noise of horizontal axis wind turbine can cause environmental pollution, which is one of the most important factors that the wind turbine design and promotes the application to be considered. Among them, the self-excited noise generated by many mechanisms such as turbulence formed by the rotor rotation effect becomes the focus. Because of the effect by all kinds of dynamic load incentive in operation, the wind rotor will produce various forms of the working condition vibration mode, such as bending vibration torsional vibration and jolt vibration, the rotor vibration interferes with the near wake flow, and then interfere the flow noise. Through the rotor surface strain, acceleration tests reveal the rule of rotor working condition vibration mode, looking for horizontal axis wind turbine's working condition vibration mode displacement, force distribution characteristics and the spectral characteristics and energy distribution of the dynamic response in different operation conditions. Meanwhile, applying the sound intensity method and sound array method to tests and locates the self-excited sound source position, calculates the energy concentrated band signal in each of the sound source information, comparative analyzes and summarizes the coupling rules between the wind turbine working condition vibration mode and blade self-excited sound source, such as the contrasting relationship between the maximum displacement the maximum stress position and self-excited sound source position on the blade, and the contrasting relationship between the working condition vibration mode and characteristic frequency and energy distribution of the self-excited sound source. Based on this, the exploration of the methods to improve the working condition vibration mode of the wind turbine and reduce the noise by the modification of dynamic parameters and airfoil parameters, to accumulate of the data for the forecast of the wind turbine aeroacoustics and working condition vibration mode, and provide the reference for the optimization design of the rotor.

水平轴风力机的噪声会造成环境污染，是风力机设计及推广应用中需要考虑的重要因素之一。其中，由风轮旋转效应形成的湍流等众多机理产生的叶片自激噪声备受关注。由于风轮运行中受到各种动态载荷的激励，会产生弯振、扭振和摆振等多种形式的工况振型，风轮振动干扰近尾迹的流动，进而干扰流动发声。通过风轮表面应变、加速度测试揭示风轮工况振型规律，寻找水平轴风力机在不同运行工况下风轮的工况振型位移、力分布特征及动态响应的谱特征和能量分布。同时，应用声强和声阵列法测试定位叶片自激声源位置，并计算各声源信息中能量集中频带信号，对比分析总结风轮工况振型与叶片自激声源的耦合规律，如叶片上最大位移、最大应力位置与自激声源位置的相对关系，工况振型与自激声源特征频率和能量分布的对应关系。以此为基础，探索通过动力参数和翼型叶形修改改善风轮工况振型及降噪的途径，为风力机气动声学及工况振型的预测积累实验数据，为风轮的优化设计提供参考

风力机运行时的工况振型与旋转风轮声源之间存在着必然的联系。通过水平轴风力机风轮的风洞旋转遥测实验，获得在不同来流风速、不同尖速比下风轮叶片的动态应变数据，并采用应力状态与交变循环特性分析等方法，对比总结分析了叶片的工况振型特征。研究过程中发现，风轮工况振型与其激励塔架振动之间存在关联性。在风洞开口试验段开展了风轮声源的阵列测试。在不同来流风速和不同尖速比工况下，分别采用波束形成技术和近场声全息技术对旋转风轮叶片声源进行了定位与识别。风力机噪声源声能量较大区域主要来自低频段。在200Hz以下，以风轮旋转噪声为主导，主要是由叶片旋转基频及其谐波构成的离散噪声叠加在宽频噪声上面组成的。随着尖速比和来流风速的增加，旋转基频随着增加，对应的声功率级也随着增加。叶根区域的噪声主要来源是风力机轮毂振动引起的机械噪声，叶尖区域的噪声主要来源是叶尖涡的脱落引起的噪声。因此重点研究0.17R~0.85R区域的声场信息与工况振型的相关性分析。对声源位置分析发现，最大噪声源主要集中在叶片中部区域，同一工况下，主要噪声源随着频率增加，声源位置沿着风轮旋转面径向方向由叶片中部逐渐向叶尖移动，其对应的声能量逐渐降低。根据获取的不同工况下风轮工况振型分析数据和风轮声源位置和声源能量分布统计数据，通过运行风轮结构动态响应与叶片声源相关性分析，对比总结风轮工况振型与叶片自激声源的耦合规律。在此基础上，通过叶尖小翼结构调整风轮动频曲线走势进而调整旋转风轮近尾迹声辐射。与无小翼风轮比较，越靠近风轮位置，合适结构的叶尖小翼风轮辐射声压级降低的幅度越大，声压级最大降幅超过10dB；在约1倍风轮半径下游位置，声压级降低的幅度基本趋于稳定，声压级降幅为2~7dB。同时，对研究过程中碰到的一些问题进行了有益的探索，如旋转声源识别技术、旋转风轮结构动态响应对风力机性能的影响等。项目研究过程中的研究方法、数据处理技术以及研究结果，为相关研究工作提供了实践经验和参考。