（环境科学专业论文）风电机组噪声预测.pdf

浙江大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t f o rs t u d ym ee f f i e c t so fc h i n e w i n dt u r b i n en o i o n l e 翎v i r o n m 明t s u r m u n d e 也n o i o fw i n dt u r b i n e so fd i 行 e r tt y p e sw 舔m e 嬲u r e d b a s e do nm e b l a d es h a p e 锄dt 量l er a d i a t e dn o i s ef k q u c ys p e c t m mo fw i n dt u 而i n e si nc h i n a t h e n o i p r e d i c t i o nm o d e lf 1 0 rw i i l dt u 而i n e sw i t hb l 岫tt r a i l i n ge d g e sw 弱m o d i f i c d t h 翎 n o i 凰胁w i n dt u r b i n e so ff i v et y p e sw 舔p r e d i c t e d 锄dc o m p 删w i t ht h em e 觞u r e d n o i 辩 t h ec o m p 撕s o n 佗s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d i f i c dm o d e lc o u l dw e l lr e f l e c tt t l e n o i 稚e n u a t i o no fw i n dt u r b i n e s w h e nt h eh o r i z o n t a ld i s t 锄c eb e t w e e nw i l l d t u 而i n et o w e r 锄dr e c c i v 盯w 部g r c a t e r l 柚2t i m e st h er o t o rb l a d ed i 砌酏巩t 量l e d i 疗 e r e n c eb e t w e e nt l l em e 豳u r e m e n tv a l u e s 锄d 廿1 ep 同i c t e dv a l u e so ft h em o d i f i e d m o d e lw 嬲g e n e m lw 砧i n 士3d b a b a l s e do nn i em o d i 6 e dm o d e i n o i p 玎e d i c t i o n s o f t w a 陀f o rw i n d 向胁w 郁d c v e l o p e du s i n gt h em a l i a bl 锄g u a g c f i tt h em e 弱u 他dn o i 自咖w i n dt u 而i n e so fd i f l 色r tt y p e s 锄dt l l ed i s t 锄c c b e 咐嘲r 0 1 o rc e n t e r 锄d 他c e i v e ru s i l l gm o d e lo fp o i n ts o l i r o e t h er c s u l t ss h o w c d 伽鸸廿l en o i 删 e n u a t i o n 彬ds a t i s f k t o r i l yw i n ld i r c c t i o n a l l yr a d i a t i n gp o i n t s 0 u r c e mt h eh a l ff k ef i e l d 僻 o 9 5 a c c o i n gt 0t h j s t h en o i p 砌i 甜o nm o d e l f o rw i n dt u l b i n e sw e r es i m p l i f i e d u s i n gt h em o d i f i e dm o d e l u n dp o w e ri e v e l 卸d d i r c c t i v 畸i n d 懿o fd i f i b r c n tk i n d so fw i n dt i i 而i n e sc 觚b e l c u la t e d s u b s t i t u t et h e m m t 0t l l ep o i n ts 0 u r c cm o d e l t l l en o i 衔 mw i n dt u 而i n ec 卸b cp r e d i c t e dm o 他 s i m p l i f i e dw h 锄廿l ed i s t a n c eb e t v e 朗w i n dt u 而i n et o w e r 柚dm i v e rw 嬲g 嗽此r n l 卸2t i m e st h em t o rb l a d ed i 御1 1 e t e r k e yw o r d s w i n dt u r b i n e w i n d 觚 n o i s e p r e d i c t i o n l i i 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 时光如水 光阴似箭 不经意间研究生生涯已接近尾声 两年半时间 有忙 碌 也有仿徨 有充实 也有寂寥 有快乐 也有平淡 我庆幸 生命中有这样 一段难忘的历程 有老师们的悉心指导 有同学们的一路相伴 有朋友们的关心 帮助 有亲人们的默默支持 在此向你们表示由衷的感谢 感恩的心 感谢有你 能成为浙大学子我是一生的幸运 求是的精神 务实 的学风 令我体会到治学的道理 今后也一定会传承下去 感恩的心 感谢有你 感谢我的导师翟国庆副教授 从论文选题 研究思路 和研究方案拟定 结果提炼到文章润色 无不凝结着导师的心血和智慧 在论文 完成之际 谨向导师致以最崇高的敬意 感谢为我们实验室付出了莫大心血的潘 仲麟教授和张邦俊教授 两位老师严谨的治学态度 渊博的学识 乐观的心态 皆让我受益匪浅 并将终生受用 感恩的心 感谢有你 课题得到了华东勘测设计院的大力支持 若没有仇丰 谢向前两位工程师帮助联系风电场 协助监测采样 课题不会有今日的成果 若 没有施祥老师的帮助和指导 模型建模和软件工作也不可能顺利完成 感恩的心 感谢有你 环境物理实验室可爱的同胞们 是你们帮助孤身一人 的我完成偌大的噪声采样工作 是你们给予彷徨的我论文的灵感 是你们带给我 欢声笑语 幸福温馨 感恩的心 感谢有你 深深地感谢我的家人 是你们给予了我战胜困难的莫 大勇气 感谢叶盛华老师和李一玲老师 是你们给予了我精神慰藉 感谢周广威 张颖 陈思静 温俊杰和每一位朋友 是你们给予了我充实的生活 快乐的记忆 最后 向参加本论文评阅 答辩和对本论文提出宝贵意见和建议的所有专家 老师表示衷心的感谢 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 前言 随着能源危机日益临近 可再生能源成为全球关注的焦点 风能资源以其可 再生 永不枯竭 无污染等特点 在开发利用上具有巨大潜力 我国对风电行业 采取长期 大力扶持的政策 2 0 0 5 年我国的风电总装机容量为1 2 6 万千瓦 1 2 0 1 0 年达到了4 4 7 万千瓦1 2 1 根据 十二五 国家风电发展规划 5 1 1 2 0 2 0 年我国风 电装机容量将达到1 8 亿千瓦 当风电机组高速运转时 一方面将风能转换为电能 为人类文明和可持续发 展做出不可磨灭的贡献 另一方面 则造成了噪声污染问题 给周边环境带来负 面影响 已有大量研究表明 风电场噪声可能会引起人们烦恼1 3 4 1 影响人们健 康嘲 风电与环境之间的对立统一使得针对风电机组噪声源强 风电场及其周边 声场分布等问题的研究与评价成为刻不容缓的问题 我国对风电机组噪声源强和声场分布等问题研究较少 在风电场噪声影响评 价中一般采用点声源模型 根据距离衰减预测其声场分布 然而 一方面由于点 声源模型对风电机组近场区噪声的适用性有待验证 另一方面由于风电机组声源 源强未知 其预测结果与实际往往相差较大 国外将直升机旋翼噪声的计算方法 运用到风电机组气动噪声的预测中 主要有两类 时域法和频域法 时域法即计 算流体力学法 c f d 将旋翼噪声分为厚度噪声和载荷噪声 通过f w 二h 方程 积分计算 频域法则是从广义的f w h 方程出发 进行傅里叶变换后在给定的螺 旋坐标系下进行广义积分 2 0 世纪8 0 年代美国航空航天局 n a s a 据此研发 了应用于后缘为钝形的双叶片风电机组远场轴向噪声的预测模型 6 1 然而 随着 风电机组设计 制造技术的推陈出新 风电机组噪声预测方法也需与时俱进 需 要利用新技术 新方法对其噪声特性和声场分布进行全面深入的研究 以期更加 准确地评价风电场对环境和人类健康的影响 浙江大学硬士学位论文 第1 章绪论 1 2 风电机组结构及其主要噪声源 1 2 1 风电机组结构及工作原理 风电机组主要由风轮 机舱和塔架构成 图1 1 风轮是风电机组中最重要 的部件 由叶片和轮毅构成 负责捕捉和转换风能 机舱内设置传动系统 主轴 齿轮籍等 发电机等主要设备和液压系统 偏航系统等附属部件 风轮产生的 扭矩通过主轴传递到齿轮箱 齿轮箱将低转速大扭矩的载荷转化为高转速低扭矩 的载荷 最后由发电机吸收转化成电能 塔架将机舱与地面连接 承受风电机组 各部件的所有载荷 并为风轮提供所需的高度 图1 1风电机组结构示意图 f i g 1 1 s k e t c hm a po f t h ew i n dt u r b i n e s 1 2 2 风电机组技术特点 1 单机容量 风电机组单机容量为几百千瓦至几兆瓦不等 单机容量越大 单位千瓦的造 价越低 基于经济效益考虑 风电机组单机容量逐步提高 2 0 世纪7 0 年代末 我国开发的第一台现代工业概念的风电机组为1 8k w 9 0 年代先后开发的风电机组为5 5k w 1 2 0k w 2 0 0k w 3 0 0k w 此时欧洲的 风电机组主流规格为7 5 0 k w 美国为5 0 0k w 进入本世纪以来 风电机组的单 2 淅江大学硕士学位论文 第l 章绪论 机容量进一步提高 目前商业化机组的容量一般为7 5 毗5 0 0k w 主流机型为 1 5m w 未来风电机组的容量将更大 目前德国已经生产出5m w 的机组 1 0 m w 以上机组正在研发中 2 桨距调节方式 风电机组的桨距调节方式有定桨距和变桨距调节两种 早期的风电机组采用的都是定桨距调节方式 即叶片的迎风面不随着风向的 变化而改变 当风向发生变化或风速上升 风轮转速发生变化时 叶片攻角 气 流方向与叶片弦线的夹角 就会随之改变 风电机组输出功率出现起伏波动 当 叶片攻角大于一定值时 风电机组进入失速状态 即不稳定的运行状态 定桨距 风电机组内部一般会配有一个电机 当风电机组在额定功率以下时 电机输出一 部分功率使风轮转速达到一定值 风力发电机的输出功率保持稳定 即定桨定速 机型 浙江运达的6 0 0k w 7 5 0k w 机组就属于此类机型 变桨距调节是现代风电机组广泛使用的调节技术 当风速 风向发生变化时 叶片的迎风面和风轮旋转轴也自动地改变 在额定风速以下时 控制器将叶片迎 风面对准来风方向 攻角置于零度附近 不做变化 近似等同于定桨距调节 在 额定风速以上时 变桨距控制结构发生作用 调节叶片迎风面和攻角 将输出功 率控制在额定值附近 3 驱动方式 从风轮到发电机的驱动方式大致可分为两种 第一种是通过多级增速箱驱动 双馈异步发电机 简称双馈式 第二种是风轮直接驱动多级同步发电机 简称直 驱式 双馈式变桨变速机型和直驱式变桨变速机型是现代兆瓦级风电机组的主流 技术 1 2 3 风电机组主要噪声源 风电机组产生的噪声主要由两部分组成 机械噪声和空气动力学噪声 气动 噪声 机械噪声主要来自齿轮箱 轴承 电机等 刀 齿轮箱噪声是由啮合的齿轮组 在运转过程中产生相互振动和摩擦 通过固体结构辐射产生的 轴承噪声是由轴 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 承内相对运动元件之间的摩擦和振动辐射产生的 电机噪声是由不平衡的电磁力 使电机产生电磁振动 并通过固体结构辐射产生的 周期作用力激发的噪声是由 转动轴等旋转机械部件产生周期作用力激发产生的 机械噪声主要产生于风电机 组机舱内 常常伴有可听纯音或是 嗡嗡声 引 哀号声 气动噪声产生于风电机组叶片与空气撞击引起的压力脉动 一是沿叶片表面 发展的湍流边界层引起的表面压力脉动 二是在运动气体中物体表面的漩涡脱落 引起的压力脉动 三是叶片与来流湍流的干涉 如叶片与进气湍流 下游叶片与 上游叶片尾迹湍流的干涉等 9 气动噪声的频率取决于湍流漩涡的尺寸 当漩涡 较大时 产生的气动噪声频率较低 反之 气动噪声的频率较高 通常 气动噪 声是夹杂着丘峰或者尖峰的连续宽频噪声嗍 其中的丘峰或尖峰印为叶片转动时 的 嗖嗖声 1 0 1 它的主频分布存在随机性 通常发生在轴通过频率及其倍频 附近 随着科技的进步 机械噪声逐渐降低 不再成为主要的噪声源 但气动噪声 却依旧是一个严重的问题 0 1 2 4 风电噪声频率特性 念 人 j 4 h1 八 一 i t 7 j 1 b 8m s 4 鹏 矿 妒毋p 矿萨p 扩移矿 h z j r 图1 2 风速8 m s 和4 i n s 时3 0 0 k w 风电机组噪声频谱 1 1 1 f i g 1 2 3 0 0 k ww i n dt u r b i n e sn o i s ef k q u e n c ys p e c t 忍a tw i n ds p e e d8a n d4 m s 陀s p e c t i v e l y l l 4 阳 笱竹0 一乱 勺 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 一般地 当风速为8 劬时 兆瓦级以下的风电机组声功率级在9 8 1 0 4 d b a 之间 1 2 j 其噪声呈现明显的低频特性 随着风电机组输出功率的增大 其产生 的噪声增大 并向更低频移动 1 3 1 1 3 风电噪声的危害 风电行业以其可再生 永不枯竭以及无化学性污染等特点在世界范围内大力 发展 但近年来越来越多的案件和研究表明 风电场噪声可能会引起人们烦恼 情绪消极以及失吲1 2 等症状 英国s o l f 0 r d 大学 1 0 1 对本国1 3 3 个风电场 自1 9 9 1 年第一个风电场运营开始至2 0 0 6 年1 2 月共1 3 3 个 周边的居民进行问卷调查表 明 2 0 的风电场存在噪声投诉事件 由于风电场多建在农村地区 背景噪声较低 因此较低的风电噪声 3 5 肚3 7 5 d b a 就可能引起人们烦恼1 1 钔 且具有相同a 声级的风电噪声引起 的烦恼比交通噪声 工业噪声更高川 实验研究和现场调查表明 风电噪声引起的烦恼不止与它的a 声级有关 起初 有研究者认为风电场周边居民的烦恼是由风电噪声中的低频成分引起的 1 5 但是随着研究的深入 研究者们并没有发现直接的证据证明风电场周边居 民的听力影响和烦恼程度与风电噪声中较高声压级的低频成分之间的关系 1 6 一 相反 他们发现风电噪声中的高频成分和频谱能量的不平衡性会令人感到不愉悦 和容易觉醒f 17 1 引 风电噪声的 嗖嗖声 脉动性和夜间不间断性 使它相比其 他交通噪声和工业噪声更易引起人们烦恼 4 l 风电噪声中的可听音调 a u d i b i e m o d u l a t i 佣o f 川 锄i cn o i a m 也会对风电场周边居民产生影响1 1 们 可听 音调最早在d t i d e p a l t m 锄to f t r a d e i n d u s t w 的报告 t h em e 雒u r e m e n to f l o w 姻u e n c yn o i a t i r e eu kw i n d 佃1 1 1 s 2 0 1 中提出 指比通常的压力脉动更强的 噪声 峰值频率通常在5 0 0 h z 1 0 0 0 h z 之间f 2 1 1 使得风电噪声更显著 会使人 在醒后难以再次入睡 风电场通常建在山顶或地形空旷地带 风电机组轮毅又比较高 风电场周边 居民能够清楚地看到风电机组运转 由于转动的风电机组叶片会吸引人们的注意 力i 捌 降低人们对风电场周边地区自然性的认同 从而降低人们休息恢复的感 s 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 觉 5 1 风电噪声的烦恼度显著增加 2 1 4 叶片噪声气动声学预测方法 由于风电机组的叶片噪声声压级较高 对周边居民的影响较大 因此一直是 人们关注的重点 若能由其产生机理 通过风电机组各种参数预测出其产生的噪 声和周边声场分布 就可以在风电场建造前评价其对周边居民的噪声影响 采取 相应的防治措施 1 4 1 叶片气动声学理论 叶片在气体中转动能够产生声音 气动声学 r o a c o u s t i c s 就是研究气体 流动过程中声音的产生 传播以及声音与流场相互作用的一门流体力学学科中的 分支学科 2 3 1 传统的流体力学基本理论对流动区域内的压力脉动有广泛而深入 的研究 但却很难从这个压力脉动出发直接求出远离流动区域的压力脉动 声场 因为远场的声学参量级是极小的物理量 远场的声场范围又是极大的空间 即使 数值计算技术发展到了今天 要从流体力学方程直接获得收敛的解并保证声学量 适当的精度 仍然是非常困难的 1 9 5 2 年 l i 曲t h i l l 2 4 在英国皇家学会会刊上发表了著名的l i g h t h i l l 方程和声 类比理论 a e r o o u s t i c s 卸a l o g y 他将流体力学方程重新变换 将方程左边表 达成经典的声学波动方程 将所有偏离波动方程的项都移到了方程右边 作为流 动噪声的声源项 这样 人们可以首先通过实验或对流体力学方程的数值计算获 得方程右端的声源项 然后将声场看作是声源产生的声波在静止介质中传播 利 用古典声学方法来处理流动噪声问题 声类比理论的建立解决了流动噪声问题的 理论基础 但是 对于流动噪声产生过程中的另一些重要现象 l i 曲t h i l i 声类比理论仍 然没有考虑到 曲t h i l l 声类比理论是针对无限大均匀静止介质中的气动噪声建 立的 适用于固体边界不起主要作用的情况之下 但是许多实际问题中 例如湍 流中静止物体的发声问题 运动物体的发声问题等 固体边界的影响就具有非常 重要的意义 针对于此 c u r l e 2 5 1 利用k i r c h h o f f 方法将l 曲t h i l i 声类比理论推广 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 到考虑稳定固体边界的影响 c u r l e 的积分解说明 固体边界的作用等效于分布 在固体表面上的一个表面声偶极子 其强度正比于物体表面的流体作用力 之后 f f o w c s w i l l i 硼s 与h 删k i n g s 螂7 1 又将c i i r l e 的工作继续向前推进 利用广义g 陀锄 函数方法 将l 曲恤i l l 声类比理论推广到了考虑任意运动固体边界存在的流动发 声问题中 即物体在流体中运动的发声问题 得到著名的f f o w c sw i l l i 锄s h a w k i n g s 方程 f w h 方程 f w h 方程说明 物体在流体中运动产生的声 场是由四极子源 偶极子源和由于位移所产生的单极子源叠加而成的 自此 气 动声学理论体系基本形成 随后 h o w e l 2 3 0 1 g o l d s t e i n 3 1 1 等人又以l i 曲t l l i l l 声 类比理论为基础 从各种角度发展和完善气动声学理论体系 1 4 2 叶片噪声气动声学预测模型 由于人们对飞机噪声的关注和重视 气动声学理论体系建立后 首先发展 的是直升机旋翼噪声的计算方法 f 锄s s a t 发展了时域法 h 锄s o n 发展了频域法 求解f w h 方程来预测直升机旋翼噪声 f a 粥s a t 3 2 3 3 1 的时域法是通过g r e 印函 数积分 得出f w h 方程中厚度噪声 明和载荷噪声 蚓解的时域积分表达式即 f a 麟s a tl a 方程 从而计算旋翼噪声单极子和偶极子的大小 h 锄s o n 3 5 1 的频域 法则是从广义的f w 二h 方程出发 进行傅里叶变换后在给定的螺旋坐标系下进行 广义积分 得出厚度噪声 载荷噪声和四极子噪声的远场 近场计算公式 频域 法与时域法相比 物理意义比较清晰 但是由于公式中包含贝塞尔函数等特殊函 数 在计算高次谐波时较为复杂 风电机组叶片与直升机旋翼相似 因此其气动噪声的研究是在直升机旋翼 噪声研究的基础上进行的 f j l i o s 等人1 3 6 1 将f 嬲s a t 的时域法应用于风电机组叶 片噪声的预测 采用三维低阶面元法计算三叶片下风向风电机组模型 n r e l p h 撇 m o d e l 周围声场分布 取得了令人满意的效果 美国航空航天局 n a s a 对风电机组叶片噪声的研究主要在频域上进行 g m s v e l d 3 7 将风电机组叶片噪声 分为三个部分 流入湍流与叶片相遇使得空气动力学负荷发生变化引起的噪声 湍流边界层与叶片后缘相互干涉引起的噪声 以及叶片钝形后缘引起的脱落涡噪 声 b 啪l s 等人1 3 8 1 进一步将风电机组叶片噪声分为五个部分 湍流边界层与叶 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 片后缘相互干涉产生的偶极子噪声 失速状态下分离流在叶片表面产生的宽频噪 声 层流边界层内的不稳定波引起的脱落涡噪声 叶片钝形后缘引起的脱落涡噪 声 叶片叶尖湍流涡引起的噪声 g s v e l d 与b 瑚l s 结合定桨距二叶片风电机 组模型的噪声实验数据 得出了各部分叶片噪声的半经验频域计算公式 z h u 等 人 3 9 1 对b m o l s 的计算公式进行了验证 基本能预测b o n u s3 0 0 k w 定桨距三叶片 风电机组的叶片噪声 只是随着现代风电机组叶片制造技术的进步 从叶尖到叶 片中部的后缘已做得非常薄 不再是钝形的 叶片钝形后缘引起的脱落涡噪声已 显著降低 s o n 等人m 1 将风电机组叶片噪声分为两大部分 离散单音与宽带噪声 离散单音由叶片通过气流时的载荷变化引起 通过f a r 笛s a tl a 方程计算得到 宽带噪声包括叶片自身发出的噪声和湍流噪声 通过半经验模型进行预测 预测 得到的噪声经叠加后修正了空气衰减 地形反射 衍射的影响 以提高预测结果 的精度 1 5 叶片噪声点声源辐射预测方法 我国对风电机组叶片气动噪声研究较少 通常采用不考虑指向性的点声源模 型估算风电场声场分布 点声源模型是指当声源尺寸与其辐射的声波波长相比很 小或观察点离声源的距离远大于声源尺寸时 通常大于3 5 倍声源尺寸 可以 近似地将声源看作理想点声源或球面声源 向周围媒质 均匀 各向同性 辐射 球面声i 炙 4 1 1 但是 其中存在以下几方面的问题 1 一般地 风电机组声源尺寸较大 1 5 m w 的风电机组其风轮直径可以 达到8 0 m 在传统意义上 离风轮中心距离小于3 倍风轮直径的范围内 不能简 单地将其看作点声源考虑 2 采用点声源模型计算声场分布需要准确的声源源强数据 风轮尺寸较 大 声源源强难以测量得到 也很少有生产厂家提供源强数据 造成其源强未知 3 风电叶片旋转辐射的噪声其实是存在指向性的 在水平面上 叶片旋 转轴方向上噪声级相对较大 垂直叶片旋转轴方向上噪声级相对较小 图1 3 在风轮平面上 几乎所有的叶片噪声都是叶片在向下运动时产生的1 4 2 1 其声场 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 分布极不均匀 图1 4 因此不适宜采用不考虑声源指向性的模型 w i n d 矿 2 7 0 图1 3 距风电机组2 0 0 m 水平距离处噪声测量值 6 f g 卜3 m e 私u 剃n o i 2 0 0 m 舶maw i n dt u 尚n e 6 图1 4 风轮平面上叶片噪声分布图 4 2 f i g 1 4a v e r a g ed i s t r i b u t i o no fn o i s es o u r c e si nt h er o t o rp l a n e 4 2 9 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 国外也有采用点声源模型估算风电场声场分布的类似研究 p 内s p a 曲o p o u l o s 等人1 4 3 将8 m s 风速时某3 3 0 k w 风电机组看作声功率级为 1 0 3 d b a 的点声源 利用射线追踪法 m y 仃a c i n g m 酬 1 0 d 计算其周围的声场分 布 但由于风电机组声源声功率级会随着机型 风速 输出功率等因素的改变而 改变 因而不能简单地将所有机组在任何情况下的声功率级定为某一特定值 近 期m 妇w i c z l 4 4 对风电机组叶片噪声的点声源模型作了数学上的验证 证明其 在距风电机组塔基水平距离大于2 倍叶片长度 即1 倍风轮直径时就可以使用 但点声源模型在实际使用时还是缺少声源参数 1 6 本课题的提出及研究内容 风电机组产生的噪声虽然声级较低 但因其频谱特性 易使入产生烦恼 甚 至引起失眠等症状 近年来 人们对风电场噪声的影响越发关注 在风电场选址 和环境影响评价工作中要求预测和评价风电场噪声对周边居民的影响 我国在风电场选址 环境影响评价等工作中预测风电场噪声一般采用最简单 的不考虑声源辐射指向性时的点声源模式 由于其声源源强未知 无指向性假设 不合理 使得所得的预测结果受到质疑 国外采用频域法从气动噪声角度计算风 电机组噪声理论性和实际应用价值较强 但由于其半经验模型的特性 使得它的 应用范围只针对其研究时面对的一些机型 对我国自主开发的风电机组未必适用 因此 本研究选取国外气动噪声计算方法中的频域法半经验模型为研究对象 结合我国自主开发的风电机组的噪声辐射特性 通过对已有半经验模型的改进修 正 开发建立适合于我国风电机组的噪声预测模型 主要研究内容分述如下 1 选取我国自主开发的典型风电机组 测量并记录其机舱内外噪声 地 面噪声衰减情况 2 在我国自主开发的风电机组噪声辐射特性的基础上 修正原n a s a 风电噪声半经验计算模型 3 在修正后风电噪声预测模型的基础上 计算单台风电机组噪声声功率 级和指向性指数 提出风电噪声预测的简易方法 4 在修正后风电噪声预测模型的基础上 开发风电场噪声预测软件 1 0 浙江大学硕士学位论文第2 章我国风电机组噪声辐射特性 第2 章我国风电机组噪声辐射特性 2 1 风电机组概况 为了解我国自主开发的风电机组的机舱内外噪声 地面噪声衰减情况 以及 其与n a s a 风电噪声半经验计算模型中选用的风电机组噪声的异同 选取浙江 江苏两省5 个风电场内5 种不同型号的典型风电机组进行噪声测量 各风电场概 况如下 1 浙江天台山风电场概况 天台山风电场位于浙江省天台县苍山顶 与天台县城东直线距离1 5l l 三 门湾直线距离4 0k m 高程约9 0 0 1 1 0 0m 天台山风电场共安装单机容量7 8 0k w 的风电机组1 4 台 总装机容量1 0 9 2m w 平均年发电量1 9 6 2 万k 枷 年利用 小时数1 8 6 9 h 风电机组分布在苍山和青杨山一带山脊上 本次测量选择天台山 风电场2 群机组 机组主要特征详见表2 一l 表2 1 天台山风电场风电机组主要特征一览表 t a l b l e2 lw i n dt u 而i n ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n so f 币锄t a jm o u n t a i nw i n df a r m 参数 参数 额定功率7 8 0 k w安装台数1 4 台 风轮直径 4 8 4 m 桨叶数 3 轮毂高度 4 5m 功率调节定桨距 风轮朝向上风向额定风速 1 5 眺 切入风速 4n 体 切出风速2 5 毗 叶片长度 2 3 5m 2 浙江苍南霞关风电场概况 霞关风电场位于浙江省苍南县霞关镇北关岛 风电场共安装1 8 台7 5 0k w 的 风电机组 总装机容量1 3 5m w 风电机组均沿北关岛上的山脊布置 其中布袋 岙北侧山坡布置3 台风电机组 三个尖一带山脊布置7 台风电机组 罗英山一带 山脊布置8 台风电机组 本次测量选择霞关风电场4 拌机组 机组主要特征详见 表2 2 浙江大学硕士学位论文第2 章我国风电机组噪声辐射特性 表2 2 霞关风电场风电机组主要特征一览表 1 a b l e2 2w i n dt u r b i n ed e s i 印s p e c i f i c a t i o n so fx i a g i i 锄w i n d 佃加 参数参数 额定功率 7 5 0 k w 安装台数1 8 台 风轮直径 4 9m 桨叶数 3 轮毂高度 5 0m 风轮朝向上风向 叶片长度 2 3 5m 额定风速1 5 砒 切入风速 4m s 切出风速 2 5m s 3 江苏龙源如东风电场概况 江苏龙源如东风电场位于江苏省如东县 共有1 5m w 风电机组1 0 0 台 总 装机容量1 5 万k w 年发电量约3 3 亿k 枷 风电机组位于如东沿海滩涂上 沿海岸线布置 风电场选用的风电机组主要特征详见表2 3 表2 3 江苏龙源如东风电场风电机组主要特征一览表 t a b l e2 3w i n dt u r b i n ed e s i 鲫s p e c i f i c a t i o n so fr u d o n gw i n d 伽1 n 参数参数 额定功率 1 5m w 安装台数1 0 0 台 风轮直径 7 7m桨叶数 3 轮彀高度 8 0m 风轮朝向上风向 切入风速 3 5i i l s 切出风速2 5 觚 额定风速 1 5m s 额定电压 6 9 0 v 4 浙江舟山岑港风电场概况 岑港风电场位于浙江省舟山定海区岑港镇 共设有风力发电机3 0 台 总装 机容量4 5 万k w 其中2 3 台风电机组布置在定海区西北的黄金湾村马目山山脊 上 7 台风电机组布置在烟墩下村狮子山山脊上 风电场选用的风电机组主要特 征详见表2 4 1 2 浙江大学硕士学位论文 第2 章我国风电机组噪声辐射特性 表2 4 舟山岑港风电场风电机组主要特征一览表 t a b l e2 4w i n dt u r b i n ed e s i 印s p e c i f i c a t i o n so fc e n g 锄gw i n d 知1 1 1 参数 参数 额定功率 1 5m w 安装台数3 0 台 风轮直径 8 0m 桨叶数 3 轮毂高度 6 1m 风轮朝向上风向 切入风速 4i l l s 切出风速2 5 州s 额定风速 1 2i 以 5 浙江温岭东海塘风电场概况 温岭市东海塘风电场位于浙江省温岭市箬横镇东侧的东海塘一期围垦区内 风电场北起上蒙山 南至横岐山 沿海岸线长度约4 5k m 温岭东海塘风电场共 安装单机容量2 om w 的风电机组2 0 台 总装机容量4 0m w 风电场选用的风 电机组主要特征详见表2 5 表2 5 温岭东海塘风电场风电机组主要特征一览表 7 n 如l e2 5w i n dt u r b i n ed e s i g ns p e c i f i c a 秭o n so fe a s ts e a w a nw i n d 矗l m 参数 参数 额定功率 2 o m w 安装台数2 0 台 风轮直径 8 0m 桨叶数 3 轮毂高度 6 7m 风轮朝向上风向 切入风速 4i l l s 切出风速 2 5n l s 额定风速1 5 毗额定电压 6 9 0v 各风电场测量时现场条件见图2 一i 浙江大学硕士学位论文 第2 章我国风电机组噪声辐射特性 a 天台山风电场 r 1 b 霞关风电场 c 如东风电场 d 岑港风电场 e 温岭风电场 图2 1各风电场风电机组概况 f i g 2 一l g e n e r a ls i t u a t i o no fw i n df b m s 2 2 风电机组机舱隔声量 2 2 1 测点设置 为确定风电机组机舱罩的隔声效果 对岑港风电机组机舱内外的噪声进行了 测量 测点1 位于机舱内控制箱正上方 高出控制箱顶部o 2 m 距离顶部机舱 顶盖0 3 m 测点2 位于机舱外机舱顶盖正上方 距离机舱顶盖0 3 m 图2 2 给 出了测点布置示意图 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章我国风电机组噪声辐射特性 测点2 图2 2 机舱罩隔声量测量测点布置示意图 单位 m m f i g 2 2m i c r o p h o n e ss e t 叩u s e df 0 rt l l es o 唧dm d u c t i o ni n d e xm e 舔u 陀m e n t d i m e n s i o n si i lm m 2 2 2 测量条件及方法 声源播放仪器采用声望v s 3 0 2 u s b 双通道声学实时分析仪 高声压级的白 噪声通过功率放大器保真后从正十二面体声源播放 声源播放稳定后 记录测点 l 测点2 处的噪声 测量时风电机组处于关机状态 机舱顶盖关闭 图2 3 和 图2 4 给出了声源连接方法 2 2 3 数据处理及分析方法 测点l 处声压级与测点2 处声压级的差值即为机舱罩的隔声量 竹臻譬 浙江大学硕士学位论文第2 章我国风电机组噪声辐射特性 图2 3 声源连接 f i g 2 3 s o u n ds o u 嗽 c o 彻e c t i o n a 双通道声学分析仪 功率放大器 c 十二面体声源 图2 4 声源播放仪器 f i g 2 4 t h ei n s t 八j m e n t sf b rs o u n dp l a y i n g 2 2 4 结果与分析 机舱罩隔声量测量结果见表2 6 与图2 5 结果表明 机舱罩平均隔声量为 2 1 2 d b 其中中心频率为3 1 5 h z 6 3 h z 两个倍频带上隔声量较低 只有4 3 d b 7 9 d b 其余各倍频带隔声量在2 0 3 2 1 d b 之间 1 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章我国风电机组噪声辐射特性 图2 5 机舱罩隔声量 f i g 2 5 t h es o 岫d 川u c t i o ni n d e xo f 廿l e i n dt u r b i n en e l l e 尽管在隔声量测量时风电机组处于关机状态 且测试时尽量提高了机舱内无 指向性声源声功率级 但受机舱外其它背景噪声 主要是风声 影响 隔声量测 量结果会小于实际隔声量 2 3 风电机组噪声频谱特性 2 3 1 测点设置 为了解风电机组噪声频谱特性 对如东风电机组距塔基1 0 m 处的噪声频谱 进行测量 测点位于机组上风向和下风向 平行于叶片旋转轴 距机组塔基水平 距离为1 0 m 高于地面1 5 m 为进一步了解风电机组噪声频谱特性随距离衰减 o o o o 0 o 0 o 笱 加 2 m 5 o 口砭 浙江大学硕士学位论文 第2 章我国风电机组噪声辐射特性 情况 对岑港风电机组展开了测量 测点位于机组下风向 沿叶片旋转轴方向平 行地面布置 每间隔l o m 设一测点 高于地面1 5 m 图2 6 给出了2 台风电机 组噪声频谱特性测点布置示意图 风 一 a 如东风电机组 a r u d o n gw i n dt u r b i n e 风 f t l j j 正丘丘 丘吐e 丁 b 岑港风电机组 b c 锄g 锄gw i n dt u 而i m 图2 6 风电机组噪声频谱特性测量测点布置图 单位 m f i g 2 6m i c r o p h o n e ss e t u pu s c df o rt l l ew i n dt u r b i n en o i f 沁q u c n c ys p e c t m m m e a s u r e m e n t d i m e n s i o n si nm 2 3 2 测量条件及方法 噪声测量用仪器为a w a 6 2 9 1 噪声统计分析仪 测量前用标准声信号对仪器 进行校正 因在噪声测量时无法关停如东风电场的所有机组 只关停了所测如东 风电机组附近的部分机组 岑港机组噪声在测量时关停了整个风电场的所有机组 只有所测机组运行 记录每个测点处3 0 s 的1 3 倍频程频带声压级 选取远离风 电机组一处 距离机组塔基水平距离约3 0 0 m 使用同样方法测量背景噪声 每 个测点测量1 次 测量时同步记录风电机组处的风速 2 3 3 结果与分析 1 距机组塔基1 0 m 处噪声频谱比较 图2 7 给出了2 台风电机组距塔基1 0 m 处的噪声频谱 其中 如东风电机 1 8 淅江大学硕士学位论文第2 章我国风电机组噪声辐射特性 一组噪声测量时风速为l o m s 岑港风电机组噪声测量时风速为7 m s 背景噪声测 量时风速为6 毗 由图2 6 可知 风电机组噪声频谱特性较为相似 均以低频声 能为主 随着频率的升高 声压级逐渐降低 由于风的原因 如东风电机组下风 向噪声略高于上风向噪声 在低频段 1 2 5 1 2 5 h z 如东风电机组噪声略高于 岑港风电机组噪声 可能是由于测量时前者风速高于后者风速 在高频段 2 5 0 0 此卜1 6 0 0 0 h z 如东风电机组噪声略高于岑港风电机组噪声 可能是由于 如东风电机组噪声在测量时无法关停整个风电场的所有机组 背景噪声较高所致 如东风电机组上风向与岑港风电机组下风向噪声1 6 0 h z1 3 倍频程频带上有特征 峰 可能为风电机组噪声的特征频带 在低频段 1 2 5 1 0 0 岑港风电机组 噪声与背景噪声几乎相同 可能是由于机组仍处于运行状态 虽然背景噪声测点 距离机组较远 但低频声能衰减较慢 鲁 蓦 巅 皆 救 s 毒奄奄毒毒毒零 萝啼9 弩薅萨 l 3 倍频程频带巾心频柯 h z 图2 7 距风电机组塔基l o m 处噪声频谱 f i g 2 7 n o i s es p e c t mo fw i n dt u 而i n e sa t1omf m mw i n dt u r b i n et o w e r 2 不同距离处噪声频谱比较 由于风电机组噪声频谱测量时各测点处的噪声不是同步测量的 因此测量时 的风速不同 不能直接进行对比 只选其中风速相近的几个测点进行比较 图 2 8 给出了岑港风电机组距塔基不同距离处的噪声频谱 其中风速为7 8 m s 1 9 0 o 0 0 o o o o 0 舳 为 加 加 m 浙江大学硕士学位论文 第2 章我国风电机组噪声辐射特性 7 5 0 6 5 o 15 5 o 叠 蚕4 5 o 住3 5 0 2 5 0 1 5 o s 毒鸯奄 零毒搴 萝毽 弩毽对 1 3 倍频程频带中心频率厂 h z 图2 8 岑港风电机组不同距离处噪声频谱 风速7 8 觚 f i g 2 8n o i s es p e c 臼ao fc 锄g 锄gw i n dt u r b i n e sa td i 疏r e n td i s t 锄c e s w i n ds p e e di s7 8 l i i s 由图2 培可知 不同距离处的风电机组噪声频谱特性较为相似 随着测点与 机组间距离的增加 测得的噪声逐渐降低 在低频段 1 2 5 1 2 5 h z 声压级随 距离增加所降低的幅度较小 各测点的声压级基本维持在同一水平 在中高频段 4 0 0 h z 1 6 0 0 0 h z 声压级随距离增加所降低的幅度逐渐增大 这是由于低频 声能衰减较慢造成的 即由于低频声能衰减较慢 随着距离的增加 风电机组噪 声只在中高频范围有一定衰减 2 4 风电机组噪声衰减特性 2 4 1 测点设置 为了解风电机组噪声随距离衰减的特性 对天台山 霞关 如东 温岭风电 机组距塔基不同距离处的噪声进行测量 以机组塔基为原点 沿叶片旋转轴方向 布置噪声衰减监测线直至地形受限处 测点高于地面1 5 m 因受地形 风电机 组间距等条件的影响 每条监测线上设置的测点个数不定 个别测点受地形等测 浙江大学硕士学位论文 第2 章我国风电机组噪声辐射特性 量条件限制 布置时偏离叶片旋转轴一定角度a 其中 a 表示机组塔基与测点 连线在水平面上的投影偏离叶片旋转轴的角度 当诉屯 时 定义方向为下风向 当萨1 8 0 时 定义方向为上风向 图2 9 给出了各风电机组噪声衰减特性测点 布置示意图 f 一一一一一 r1r1r r 2 52 0 45 45457 0 风 a 天台山风电机组下风向 a n 卸t a im o u n t a i nw i n dt u r b i n e d o n w i n d r r1r r r1r 2 0 0 2 045454 54 5 b 天台山风电机组上风向 b 啊锄t a im o u n t a i nw i n dt u r b i n e u p w i n d s 0s 05 c 霞关风电机组下风向 c x i a g u 柚w i n dt u r b i n e d o n w i n d 风 f 1 一 一一一 卜一一一 卜 一一 一一 一 一 一 一一一一一一一 l 三一一j 2 l 一二一 善 上 3 l 一一3 王 1 3l 豇 一j d 如东风电机组下风向 d r u d o n g w i n dt u r b i n e d o w n w i n d 2 l 浙江大学硕士学位论文 第2 章我国风电机组噪声辐射特性 风 一一 一一 一一一一 一 垦 一l 一盟一1 3 l 一 i i i c 如东风电机组上风向 e r u d o n gw i n dt u r b i n e u p w i n d 丁一一丌可一 f 温岭风电机组上风向 f w e n l i n g w i l l dt l l r b i n e u p w i n d 图2 9 风电机组噪声衰减特性测量测点布置图 单位 m f 追 2 9m i c r o p h o n e ss 曲j pu s e df o rt h ew i n dt u r b i n en o i a t t u a t i o n m e 嬲u r c m e n t d i m e n s i o n si nm 2 4 2 测量条件及方法 噪声测量用仪器为a w a 6 2 2 8 噪声统计分析仪 测量前用标准声信号对仪器 进行校正 对正常运转的单台风电机组每条衰减线上的噪声进行同步测量 记录 1 m i n 的等效连续a 声刎4 5 1 关停风电机组后 使用同样方法测量各测点处的背 景噪声 取1 0