基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法

摘要

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。

权利要求

1.基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在圆柱塔架上确定开槽位置和开槽长度；

2)在圆柱塔架上，确定开槽螺旋角大小；所述确定开槽螺旋角大小具体方法为：在圆柱塔架靠近桨尖部分的螺旋槽减小螺旋角大小，加密开槽的圈数，抑制在桨尖附近圆柱尾流的卡门涡街结构，在远离桨尖部分采用相对较大螺旋角的沟槽；

3)设计开槽的深度、宽度以及开槽的几何形状。

2.如权利要求1所述基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法，其特征在于在步骤1)中，所述在圆柱塔架上确定开槽位置和开槽长度的具体方法为：根据塔架与风力机叶片位置关系，以圆柱塔架顶端处为起始进行开槽；根据风轮叶片直径大小确定开槽长度。

3.如权利要求1所述基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法，其特征在于在步骤3)中，所述设计开槽的深度、宽度以及开槽的几何形状的具体方法为：根据圆柱塔架直径大小与风力机桨叶直径大小，以及保证圆柱塔架的几何强度、刚度和稳定性要求，确定开槽深度和宽度。

说明书

基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 参考文献：

[0007] 1.WagnerS,BareibR,GuidatiG.Wind turbine noise[M].Berlin:Springer,1996:200-210。

[0008] 2.李晓东,许影博,江旻.风力机气动噪声研究现状与发展趋势[J].应用数学和力学,2013,34(10):1083-1090。

[0009] 3.Jung S S,Cheung W S,Cheong C L,et al.Experimental identification of acoustic emission characteristics of large wind turbines with emphasis on infrasound and low-frequency noise[J].Journal of the Korean physical society,2008,53(4):1897-1905。

[0010] 4.Miyakawa T,Shinohara K,Yamamoto K,et al.A suppression method of tower shadow effect in wind power system using a wound rotor induction generator[A].Electric machines and drives conference[C].Miami,Florida,2009。

[0011] 5.Buhl T,Gaunaa M,Bak C.Potential load reduction using airfoils with variable trailing edge geomery[J].Journal of solar energy engineering,2005,127(4):503-516。

[0012] 6.Huang S.VIV suppression of a two-degree-of-freedom circular cylinder and drag reduction of a fixed circular cylinder by the use of helical grooves[J].Journal of fluids and structures,2011,27:1124-1133。

[0013] 7.Alonzo Garcia A,C del Gutierrez,Jimenez Bernal J A.large eddy simulation of the subcritical flow over a U-grooved circular cylinder[J].Advances in mechanical engineering,2014,ID 418398。

发明内容

[0014] 本发明旨在提供基于变螺旋角开槽的下风式风力机噪声抑制方法。

[0015] 本发明包括以下步骤：

[0016] 1)在圆柱塔架上确定开槽位置和开槽长度；

[0017] 在步骤1)中，所述在圆柱塔架上确定开槽位置和开槽长度的具体方法可为：根据塔架与风力机叶片位置关系，以圆柱塔架顶端处为起始进行开槽；根据风轮叶片直径大小确定开槽长度。

[0018] 2)在圆柱塔架上，确定开槽螺旋角大小；

[0019] 在步骤2)中，所述确定开槽螺旋角大小具体方法可为：由于风力机桨叶靠近桨尖部分线速度大，产生的噪声大，因此在圆柱塔架靠近桨尖部分的螺旋槽减小螺旋角大小，加密开槽的圈数，更好抑制在桨尖附近圆柱尾流的卡门涡街结构，在远离桨尖部分采用相对较大螺旋角的沟槽。

[0020] 3)设计开槽的深度、宽度以及开槽的几何形状。

[0021] 在步骤3)中，所述设计开槽的深度、宽度以及开槽的几何形状的具体方法可为：根据圆柱塔架直径大小与风力机桨叶直径大小，以及保证圆柱塔架的几何强度、刚度和稳定性要求，确定开槽深度、宽度，根据沟槽需要减少摩擦损失，避免应力集中的要求确定开槽形状。

[0022] 本发明变螺旋角开槽对产生噪声的主要区域降噪的效果更好。首先在圆柱塔架上选择螺旋形的开槽方式，抑制圆柱塔架尾流的卡门涡街强度。然后改变不同位置的螺旋角，对靠近桨尖部分进行加密，从而更好地削弱桨叶与卡门涡街相互作用所产生的噪声，实现降低噪声的目的。

[0023] 本发明的优点如下：

[0024] 本发明的螺旋沟槽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。本发明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。

附图说明

[0025] 图1为本发明实施例的下风式风力机典型流动与塔影效应示意图。

[0026] 图2为本发明实施例的变螺旋角开槽的下风式风力机典型流动与塔影效应示意图。

[0027] 图3为本发明实施例的变螺旋角开槽风力机示意图。

[0028] 图4为本发明实施例的开槽的位置、长度示意图。

[0029] 图5为本发明实施例的螺旋角大小示意图。

[0030] 图6为本发明实施例的圆柱塔架沟槽剖面位置示意图。

[0031] 图7为本发明实施例的圆柱塔架沟槽剖面尺寸示意图。

[0032] 图8为本发明实施例的沟槽尺寸信息示意图。

[0033] 图9为本发明实施例的半圆槽示意图。

[0034] 图10为本发明实施例的椭圆槽示意图。

具体实施方式

[0035] 图1表示下风式风力机的塔影效应的原理：无穷远水平来流1流经下风式风力机时，由于靠近圆柱塔架附近的气流受到下风式风力机圆柱塔架3的阻塞，形成如来流经过圆柱塔架后的速度亏损2。受到塔架阻塞的气流大小和矢量方向都会发生变化，圆柱塔架两侧形成来流流经塔架脱落的涡4。塔架尾流区会产生非定常的卡门涡街，形成来流流经塔架后的速度亏损区域6。塔架的非定常尾流区流经风力机叶片5，来流流经塔架脱落的涡4与叶片相互作用使得叶片表面会产生载荷波动，产生低频噪声。图2和图3是变螺旋角开槽的下风式风力机塔影效应抑制原理和示意图(在图2中，标记7为来流经过开槽圆柱塔架后的速度亏损，10为来流流经变螺旋角开槽塔架脱落的涡，11为来流流经变螺旋角开槽塔架后的速度亏损区域)：无穷远水平来流1一部分经过整流罩12与电机13，吹向风力机叶片5。另一部分气流经过变螺旋角开槽的下风式风力机圆柱塔架8，由于塔架上具有螺旋沟槽9，有效的抑制了圆柱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。由于V＝ΩR(V为线速度，Ω为转速，R为半径)，叶尖部分线速度较大，噪声也较大，在距离叶尖部分的螺旋沟槽加密区14减小螺旋角，增加开槽圈数，以更好抑制叶尖处的噪声。远离叶尖部分采用较大的螺旋角。在变螺旋角地方采用二次光滑过渡。

[0036] 具体实施步骤如下：

[0037] 步骤一：在圆柱塔架上，确定开槽位置、开槽长度。如图4，从塔架顶处开始设置等截面开槽，开槽总长度L为(0.5～1.5)R。叶尖附近螺旋沟槽加密区14的长度H为(0.1～0.2)R。螺旋沟槽加密区14位置为：加密开槽区中心线15与叶尖轨迹线16最低点S处于同一水平面上。其中R为风力机叶片翼展直径。

[0038] 步骤二：在圆柱塔架上，确定开槽螺旋角大小。

[0039] 参考图5，取α与β皆大于0，此时为左旋螺旋槽。螺旋沟槽加密区14处的螺旋角β为(10°～30°)，非加密区角α为(30°～60°)。当取α与β皆小于0，此时为右旋螺旋槽，加密区角β为(-10°～-30°)，非加密区角α为(-30°～-60°)。

[0040] 步骤三：设计开槽的深度、宽度以及槽的几何形状。槽为等截面槽。槽应与水平来流接触面积最大，以更好地抑制卡门涡街的效果。在槽底设有倒角，倒角与塔架需要光滑过渡。参考图6，以圆柱塔架上的剖面CGID为例介绍沟槽,该剖面的边CG与圆柱直径重合,边CD与圆柱塔架母线20重合，与沟槽相交于O、F两点。

[0041] 采用底部设有倒角的沟槽，参考图7和图8。,槽的深度N(0.01D～0.15D)，槽的宽度M(0.001R～0.07R)。在槽底设有倒角，槽的壁面17、18应与倒角相切，光滑过渡，减小摩擦。采用椭圆形曲线来设计倒角形状，通过控制参数来控制槽的形状。槽的壁面18(直线形状)深度为n，倒角深度a(0～N)，槽的壁面17(直线形状)宽度为m，倒角宽度b(0～0.5M)。椭圆曲线满足椭圆形方程(1)。槽的壁面17宽度m满足关系式(2)；槽的壁面18深度n满足关系式(3)。为了使得无穷远水平来流1尽可能流入沟槽，槽在出口处切线19的方向须与无穷远水平来流1方向一致，即与圆柱塔架母线20垂直。在图8中，AB两点分别对应椭圆的长/短轴(或短/长轴)顶点，所构成曲线表示椭圆的四分之一弧线。R为风力机叶片直径，D为圆柱塔架直径。

[0042]

[0043] M＝m+2b  (2)

[0044] N＝n+a  (3)

[0045] 参见图8，以槽OF为例，已知A点的坐标为(XA，YA),根据上述几何关系可知：A的坐标为(n，0)，B的坐标为(a+n，b)。因此，只需给定a、b、n、m的长度，即可知道A、B两点的坐标，即可得到所需的沟槽大小与形状。

[0046] 当n＝m＝0，a＝b＝N＝M/2时，A的坐标(O，0)，B的坐标(a，b)。此时A点与原点O重合，槽为半圆槽，槽的半径r＝N，α＝90°，半圆槽形状满足方程(4)。槽的形状与大小如图9。此圆的直径与圆柱塔架母线20重合。槽出口处切线19与无穷远水平来流1相切，沟槽底部均匀过渡。所构成的曲线为二分之一圆弧。

[0047] x2+(y-b)2＝a2  (4)

[0048] 当n＝m＝0,a≠b时，A的坐标(O，0),B的坐标(a，b)。此时A点与原点O重合，槽为半椭圆槽，满足方程(5)，槽的形状与大小如图10。椭圆形沟槽在出口点O处的槽在出口处切线19与水平来流方向一致，即与圆柱塔架母线20垂直。沟槽底部均匀过渡，所构成的曲线表示椭圆的二分之一弧线。

[0049]