风力机叶尖气动外形结构改型抑制叶尖噪声产生的机制研究

Wind turbine aerodynamic noise has become one of the main factors limiting the development of the wind turbine. So it is urgent to develop effective wind turbine noise suppression technique. The strongest noise of the wind wheel radiation occured in the external region of the tip and gradually reduced to the root of the wheel. The formation mechanism of tip noise is very complex and has necessary relation with the aerodynamic shape. The research bases on the structure modification of wind turbine blade aerodynamic shape restraining tip noise. The aerodynamic noise suppression technology is proceeded from the design of blade and modifing aerodynamic shape of the tip rather than adding attachments in the leaves. The unsteady variation details near wake of tip are obtainted by characteristics test and calculation using the multi channel acoustic array and combinating CFD/CAA/BEM numerical method. This study especially focuses on the structure modification changes of wind turbine blade aerodynamic shape effecting to the tip region aerodynamic noise. The mechanism of tip noise suppression is revealed with the structure modification of wind turbine blade aerodynamic shape. The key factors are found. This study can provide research foundation for wind turbine aerodynamic acoustics and noise prediction. The research can reduce wind turbine aerodynamic noise from the design source and provide the basis of engineering application for noise reduction.

风力机气动噪声问题已成为目前限制风力机发展的主要因素之一，因此亟待发展有效的风力机气动噪声抑制技术。风轮辐射噪声的声源在叶尖外部区域最强，向着叶根的方向逐渐降低。叶尖噪声的形成机理非常复杂，与叶尖气动外形存在着必然联系。故本项目以风力机叶尖气动外形结构改型抑制叶尖噪声产生的现象立题研究，气动噪声抑制技术不是在叶片添加附着物，而是从叶片的设计着手，对叶尖气动外形结构改型，采用多通道声阵列的实验方法结合CFD/CAA/BEM数值计算方法，测试和计算近尾迹叶尖区域声辐射特征的非定常变化细节；着重研究叶尖气动外形结构改型变化对风力机近尾迹叶尖区域噪声产生变化的特征影响；揭示叶尖气动外形结构改型抑制叶尖噪声产生的机理，找到关键影响因素，为风轮气动声学及抑制噪声的预测提供研究基础。通过研究，最终可以从设计源头降低风轮气动噪声以及为降噪方法的实施提供工程应用基础。

本项目以风力机叶尖气动外形结构改型抑制叶尖噪声产生的现象立题研究, 气动噪声抑制技术不是在叶片添加附着物，而是从叶片的设计着手，对叶尖气动外形结构改型，设计出不同叶尖结构，采用多通道声阵列的实验方法，详细地实验测量在不同尖速比、不同叶尖结构叶片下风轮叶尖区域声场的气动声学特性及声频谱特性。结果表明：风轮在旋转过程中，不同叶尖结构风力机在输出功率波动不大的范围内，使得改型后风轮旋转基频及其谐波关系的频率所对应的旋转噪声减小2.7%-5.3%。同时对叶尖涡的脱落频率所对应的叶尖涡噪声产生影响，使之降低了0.8 dB-9.2 dB，找到不同叶尖的结构参数是影响风轮旋转噪声和叶尖涡噪声降低以及叶尖涡运行轨迹的主要因素。. 在数值方法研究中，采用混合网格布局的CFD数值计算方法，利用LES模型和FW-H声学类比算法对不同尾迹中紧密相关的流场和噪声场的演化规律进行分析。结果表明：由于受到叶尖结构改变的影响，叶尖涡的产生位置较原始设计风轮条件下均明显发生移动，且叶尖涡影响的流场高梯度区域的范围呈逐渐缩小。又由于不同叶尖结构风轮随着叶尖参数的变化，造成叶尖涡向径向外移动，所对应的基频声压级值局部峰值位置也发生规律性外移。同时，具有改型后叶尖结构的风轮的尾迹监测点处的基频声压级较原始风轮对应声压级均有所降低，从而影响叶尖涡的形成位置和强度，与试验结果对比分析，吻合较好。. 初步探索了不同几何参数V型叶尖结构对风力机振动特性的影响，利用PULSE18.0结构振动分析系统结合瞬态激振法，选取振动频率范围0~400Hz和特定激励点，获得叶轮的固有频率；在低速风洞中，通过三向振动加速度传感器测定额定风速12m/s时不同转速所对应的振动加速度，并分析改型前后叶轮前二阶振动频率。结果表明：改变叶尖形状减小其质量后获得的V-1型叶尖叶片和V-2型叶尖叶片其固有频率均比未改型叶片要高；改型后的叶片先于未改型叶片脱离共振带，其中V-2型叶尖叶片最早脱离共振带，这对于叶片避免共振和叶片叶尖外形的设计有一定的借鉴意义。