Page 133 - 《应用声学》2020年第6期

第 39 卷 第 6 期 曾明伍等： 风力机叶片气动噪声的影响参数 927

其中：SPL，声压级，dB；PWL，噪声源声功率级，dB； 显示，叶尖区域的噪声是叶片气动噪声的主要部分，
L DI ，噪声直接传播，dB；L CA ，噪声对流放大，dB； 叶根区域翼型的选取对叶片气动噪声的影响较小。
L spread ，噪声几何扩散衰减，dB；L att ，空气衰减影
表 1 不同尾缘厚度分布下叶片的气动噪声对比
响，dB；L metro ，折射和地面影响，dB。
Table 1 Comparison of aerodynamic noise of
2 气动噪声的影响参数 blades with different trailing edge thickness

本文选取某 5 MW 海上风电机组作为参考模 尾缘厚度分布 尖尾缘 0.5 倍基准值 尾缘厚度基准值 2 倍基准值
型，叶片基于 NACA、DU 等翼型，叶尖区域采用 声压级/dB(A) 48.12 48.15 48.16 48.14
DU21、CQUS180、NACA等翼型，其余区域采用DU
3
系列翼型。风速为10 m/s，空气密度为1.225 kg/m ， 表 2 采用不同翼型族叶片的气动噪声对比
黏性系数为0.000015 Pa·S，湍流尺度100 m，湍流强 Table 2 Comparison of aerodynamic noise
度 0.05，观察者在与风力机下游位置对齐水平距离 of blades with different airfoil families
300 m 处。风力机额定转速取 12.8 r/min，风切变指
翼型族排列 (叶根到叶尖) 声压级/dB(A)
数取 0.15，仰角、偏航角和锥角均为 0 ，塔筒顶部直
◦
DU40 DU25 DU21 CQUS180 34.89
径2 m，底部直径 3 m，塔筒高度 88 m。本文采用扬
DU40 DU25 DU21 NACA64 34.35(−0.54)
州大学开发的风力机翼型及风轮气动噪声计算软
DU40 DU25 NACA64 CQUS180 34.69(−0.2)
件计算噪声水平，下文的翼型噪声计算结果考虑了
DU40 NACA64 DU21 CQUS180 34.78(−0.11)
尾缘噪声、分离噪声、钝尾缘噪声，不考虑湍流入流
NACA64 DU25 DU21 CQUS180 34.91(+0.01)
噪声、叶尖噪声和层流涡噪声；下文的叶片噪声计
算结果考虑了尾缘噪声、分离噪声、钝尾缘噪声、叶 2.2 弦长的影响
尖噪声、湍流入流噪声和层流涡噪声。 由于叶片气动噪声由叶素噪声合成得到，因此

2.1 翼型族的影响 弦长对叶片气动噪声的影响最终体现为弦长对翼
型噪声的影响。本文选取 DU30 作为参考翼型，研
翼型自噪声是风力机叶片气动噪声的最主要
究不同弦长对翼型噪声的影响，固定攻角为 5 ，入
◦
组成部分，因此翼型族的选取不仅决定了叶片气动
流合成速度分别取 80 m/s 和 40 m/s，尾缘厚度默
性能的好坏，也影响气动噪声。翼型的几何参数主
认值为 0.001 m。翼型 DU30 截面段的弦长分别取
要包括尾缘厚度、相对厚度、最大弯度、前缘半径、
0.25 m、0.5 m、1 m、1.5 m、5 m 五种不同数值，计算
尾缘角度等，本文主要研究不同尾缘厚度的翼型族
结果见表3和图2 ∼ 图6。
对叶片气动噪声的影响。
目前风力机叶片一般基于 NACA、DU 翼型设
表 3 不同弦长下 DU30 翼型的气动噪声对比
计，叶尖区域采用DU或NACA薄翼型，叶根区域采
Table 3 Comparison of aerodynamic noise
用基于 DU 翼型改进的钝尾缘翼型。本文选择 4 种 of DU30 airfoil with different chord length
尾缘厚度的翼型族设计叶片气动外形，分别计算叶
片气动噪声，计算结果见表 1。结果显示，尖尾缘叶 翼型弦长/m 0.25 0.5 1 1.5 2
片比钝尾缘叶片产生的声压级要低，随着叶片尾缘 80 m/s 81.61 83.45 85.51 86.87 87.80
声压级/dB(A)
厚度的增加，风力机产生的气动噪声增大。但当尾
40 m/s 67.42 68.52 70.60 71.65 72.57
缘厚度超过一定值后，气动噪声出现减小趋势，但始
终大于尖尾缘叶片产生的噪声，与文献[7]的结论相 从噪声频谱图可以看出，在不同入流速度下，
符。这可能是由于尾缘厚度增加的修型，导致尾缘 翼型吸力面、压力面尾缘噪声和边界层分离噪声随
部分的表面脉动压力频率下降，当然还需要做进一 着弦长增加依次向低频段方向移动，即低频段噪声
步的验证，不属于本文的主要研究范畴。基于参考 增加，高频段噪声减小，总声压级最大值由频率高
叶片的翼型分布，依次替换部分翼型，研究不同翼型 向频率低移动。80 m/s 流速下的翼型的声压级比
选取对叶片气动噪声的影响，计算结果见表2。结果 40 m/s 流速下的翼型的声压级高一个量级，0.25 m