[发明专利]基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法

说明书

基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法，涉及圆柱塔架风力机。在圆柱塔架上确定开槽位置和开槽长度；在圆柱塔架上，确定开槽螺旋角大小；设计开槽的深度、宽度以及开槽的几何形状。不仅能够抑制圆柱尾流卡门涡街的发展，还能起到减阻作用。变螺旋角沟槽针对桨尖部分噪声较大的特点，更好抑制桨尖部分的低频噪声。所述基于变螺旋角开槽的风力机低频气动噪声抑制方法结构简单，实现方便，不需要额外复杂的控制系统，降噪效果显著，是一种有潜力的下风式风力机噪声抑制方案。

技术领域

本发明涉及圆柱塔架风力机，尤其涉及基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到重视，国际上各国都在大力发展风电事业。随着风电装机容量的不断扩大，风力机的噪声问题日益突出。如果不认真研究解决，将成为制约风力发电发展的一个主要障碍。风力机噪声根据来源可以分为机械噪声和气动噪声。随着风力机设计和制造水平的提高，风力机的机械噪声已经大大降低，而气动噪声仍然是一个难以解决的问题。风力机气动噪声根据产生原理可分为：低频气动噪声、来流湍流干扰噪声和叶片自噪声[1]。目前对叶片自噪声、来流湍流干扰噪声的研究较多，对风力机低频气动噪声的研究较少。随着风力机尺寸的不断增大，风力机低频气动噪声问题将越来越突出[2]，如不解决，将成为制约风电事业发展的主要障碍，因此亟需开展风力机低频气动噪声抑制研究。

风力机按照风轮和塔架的相对位置可以分为上风式风力机(风轮在塔架的上游)和下风式风力机(风轮在塔架的下游)。风力机在发电过程中，风经过塔架由于塔架的阻塞，会影响风的大小和方向，同时会造成风力机叶片表面的载荷波动，这就是风力机的塔影效应[3]。风力机的低频气动噪声是指由于风力机叶片通过塔架的速度亏损区域或尾流区与塔架的脱落涡相互作用产生的非定常载荷噪声，塔影效应中塔架尾流的非定常性是风力机产生低频噪声的主要原因。对于下风式风力机由于气流要先流经塔架再流到风力机的叶片，因此下风式风力机的塔影效应比上风式风力机要严重得多。对于上风式风力机，塔影效应产生的低频气动噪声较小，而对于下风式风力机，塔影效应产生的低频气动噪声很大，是需要重点解决的问题。

目前减弱风力机塔影效应的手段主要有定子磁链定向矢量控制技术[4]、自适应尾缘技术[5]等。其中定子磁链定向矢量控制技术是采用复杂的控制系统来避免由于塔影效应导致发电功率跳跃现象；采用自适应尾缘技术，是利用翼型尾缘的气动弹性变形来降低风力机在塔影效应作用下的载荷波动。然而这些方法都是采用主动控制技术，并且不是从源头来降低塔影效应的影响。由于大部分的塔架是采用圆柱塔架，目前国内外对于圆柱尾流控制已经开展了大量的研究工作，取得了一系列成果。本发明采用圆柱尾流控制手段通过减弱风力机塔架尾流的非定常性来降低风力机的低频气动噪声水平。

对于下风式风力机，风力机塔影效应是圆柱塔架的尾流对风力机桨叶产生作用，因此要降低风力机的低频气动噪声本质上就是要对圆柱塔架的尾流进行控制。现有研究指出对于低频气动噪声较大的下风式风力机，可采用流动控制方法通过抑制圆柱塔架尾流卡门涡街的发展，减弱叶片经过塔架尾流时的表面载荷波动，从而降低风力机的低频气动噪声。抑制圆柱塔架尾流卡门涡街的发展，降低下风式风力机的低频气动噪声，有主动控制方法和被动控制方法。主动控制方法：如在风力机塔架上采用吹/吸气方案，则需要在塔架的四周都布置吹/吸气装置，同时安装复杂的控制系统，这就增加了设备的成本和设备出故障的概率，并且需要较大的能量输入。若采用被动控制方法，则必须首先考虑该控制方法对风轮在塔架各个方位都有效果，安装横隔板、安装整流罩等方法都只针对圆柱塔架一个方向的尾流有控制效果，因此也不适宜采用。螺旋沟槽是近年来提出的一种新型的圆柱尾流控制方法[6,7]，对各个方向的来流都有控制效果，在高雷诺数下也能够有效抑制圆柱尾流的卡门涡街结构，具有很好的减阻效果，这些特点对于减弱风力机的塔影效应，降低风力机的低频气动噪声水平都是非常有利的。

参考文献：

1.WagnerS,BareibR,GuidatiG.Wind turbine noise[M].Berlin:Springer,1996:200-210。