风机叶片掠过频率噪声的等效激励源辨识方法

风机叶片掠过频率噪声的等效激励源辨识方法

王梦亚

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摘要：通过叶轮掠过噪声对叶片结构的影响研究表明：叶片的速度可以用风速因子来表示，叶片速度因子越大就代表叶片受到的风能损失越大。风能损失是影响风电场运行的重要因素。在风电场中，叶片的设计与制造是一项十分复杂而细致的工作。风机在设计中不仅要考虑风场的风能特性，而且要充分考虑风机叶轮在运行中产生扰动和撞击叶轮所带来的影响。

关键词：离心风机；分布源反演；等效激励源；叶片掠过频率

引言

通过建立在高速旋转叶型上叶片撞击前空气动力学模型，并在理论分析与实验中研究叶轮掠过时叶型特征噪声对振动响应的影响规律。结果表明：风轮机与叶片相互作用后产生频率不匹配或相位不同会产生风机掠动振动噪声，进而会对风机性能产生影响。本文所研究建立的风机叶片掠动振动噪声等效激励源辨识方法可以有效地控制风机叶型噪声对风电场运行环境的影响，并为实际风机设计和优化提供参考。

一、概述

风能是一种可再生能源，它的利用可以减少大气污染物和温室气体排放量，同时对环境具有较好效益。但是，风能在发电过程中会产生各种形式的电能损耗，例如风涡流损失。风能损失给风力发电企业带来了巨大损失，但风力发电行业发展迅速，因此风电行业将面临更大的挑战。风能的大规模利用不仅有助于促进经济发展，而且可以为整个社会提供清洁能源，其价值不亚于煤炭和石油等化石燃料。风电对能源消耗量较小或无资源限制（例如美国和欧盟），且风能利用效率较高，因此具有广阔空间和较大潜力。在风电场开发过程中需要考虑风机系统与外部环境和外部电场之间对风力发电设备进行振动响应分析以及叶轮掠过期间叶型噪声所产生的能量损失。为了研究不同形式的叶轮掠过时叶片所发出的噪声对风电场运行环境所产生的影响规律以便进行合理选址和优化设计则十分重要。

二、国内外对风机叶片掠频率噪声辨识方法

风机叶片掠频率噪声具有典型的结构特性，且具有高阶次和高阶次。从结构来看，由于风机叶片的形状、尺寸、强度等因素，其固有频率在几百 Hz以上；在此频率下，其峰值能量为高频的400-500 kJ/kg。这些噪声如果不能有效地被隔离，将会严重影响风场的运行性能，甚至会引起破坏。风机振动噪声中的高频部分的频率可以通过数值分析来确定。目前对风机叶片掠频率噪声的辨识主要有等效辨识、等效模型辨识、等效噪声辨识和分域抑制等方法的辨识。针对不同的噪声控制方法，国内外研究了不同的方法。本文采用等效激励源辨识方法（1）来辨识风机叶片掠频率噪声；(2）通过利用频域方法对风电机组进行等效激励源的辨识；(3）通过不同的滤波方法来提高辨识性能；(4）降低噪声水平和机组利用率等；通过抑制噪声或其他措施降低噪声水平；(5）来提高能源利用效率；对风机噪声控制效果确定后进一步进行工程优化（如环境参数优化等）。

三、叶片结构

风机叶片结构主要由主翼、叶片、转子、叶轮等部件组成。主翼在产生风动力的同时，由于叶片的高速旋转，还会产生小速度扰动，对叶片结构产生扰动，从而产生掠频率噪声。这种低频率的非平稳噪声主要包括空气中的颗粒和扰动方向与风机方向一致的气流产生的噪声。风速会影响风机的运行参数，从而影响风电场的运行特性。同时，气流的改变也会影响风机的风机号和旋转角度。因此，可以通过改变风机的运行方式来降低叶轮的速度和转子转速来减少噪声的产生。从风场分析可以看出，降低叶片的结构对于减低风机叶片噪声有很大作用，但是因为叶片结构的原因导致了该结构中的局部噪声与其他部位的影响是不对称的，因此对机组进行噪声辨识具有重要的意义。

四、等效激励源辨识

本文提出了一种等效激励源辨识方法，即将风机叶轮掠动引起的叶型噪声划分为非等效激励源和等效激励源两种。等效激励源辨识过程：首先应用风轮机动力学仿真软件 LIDAS对不同频率段的气动模型进行参数化处理。之后使用 LIDAS模型计算不同相位下风机模型掠动引发风机掠动噪声值，从而确定该激励源是否存在，如有则辨识结束；反之则辨识完成。当确定某激励源时，其噪声的特征将被赋予对应分量（如幅值），从而达到辨识目的：当确定某激励源时，则辨识结束；如果确定某激励源时，则辨识结果作为最终目标去实现；如果确定某激励源时，则辨识结束。式中： N (z）为激励源个数， D (z）为激励源速度因子， f (z）为激励源振动频率相位。式中： E (z）为激励源频带宽度； C (z）为激励源频率分布图。为保证辨识结果的精确性与可靠性，本文选用K-S频带宽度方法作为等效激励源辨识方法以保证辨识结果的准确性与可靠性：K-S频带宽度公式为： T= T 1/T 2 m/min· s·h-1· min· ping (μ/T 1 n); T为总激励源次数。

五、风机性能

风机叶片在高速旋转过程中，叶片的惯性力作用于叶轮，使得叶片与叶轮之间产生速度差，这就导致了叶流过程中叶片与叶轮间的摩擦阻力变大，同时也会增加叶流流动所产生的涡流。这种涡流与高速旋转的叶型相碰撞就会产生叶型特征噪声。此外，叶片在高速运行时受到摩擦阻力也会产生一些特征噪声，这些特性噪声直接影响叶轮内部构造并传递给系统，进而影响风机性能。研究表明风机性能对叶型特征噪声影响十分敏感。因此研究这类噪声对于风电场设计有着重要意义。本文研究了叶型特征噪声对风机性能影响规律，以风机风能曲线为基础进行了数值仿真分析。

六、仿真结果

风轮机作为发电机的重要组成部分，其与叶片相互作用后会产生高频和低频的掠动振动噪声，因此本文建立了高速旋转叶片与风机耦合激励源仿真模型，模拟了两种不同转速下风机与叶轮系统叶型耦合噪声对振动响应的影响。将风轮转动方向确定为0˚~180˚，风轮高速运动时其速度为0/100 km。因此本文所建立模型中风轮机与叶片之间产生的掠动振动噪声为60 Hz。仿真结果如图5所示，叶片在离心力作用下绕叶心与叶片旋转后与叶型产生共振噪声、撞击后与叶片产生共振噪声、径向与叶片相位不同产生频率不匹配噪声以及高速旋转中掠动振动噪声。从图5中可以看出随着转速变化，转速与叶型间产生高频相互作用但不耦合；随着转速升高叶型耦合关系变得明显，在低速时其耦合关系变得不清晰。当转速达到某一临界转速后两者的耦合关系变得更加明显。由于转速越高两种振动噪声就越大。这一过程既会增加叶片速度损失又会提高叶片旋转阻力（包括涡旋阻力）并降低叶效率（例如增加叶片尾迹），而这两种状态又是影响风机性能最重要的因素。因此本文建立了风机叶片掠动振动噪声等效激励源辨识方法对风机性能进行分析评估。

七、结论

本文所研究表明：风轮机在高速旋转叶型上与叶片发生碰撞后，会产生噪声。这种噪声将会造成风机性能问题，如失效率增加以及风机效率降低。而风轮机在叶与叶片发生碰撞后出现的噪声将会使风能损失增加不少。因此，在高速旋转叶型上可以使用不同形状的噪声模型，以得到不同叶型对风机性能影响程度上的仿真结果。通过对风机叶型结构和撞击前风速变化过程进行仿真和分析可以得出以下结论：1）叶轮与叶片之间会产生边界效应而使噪声系数增大；2）碰撞前速度因子越大，发动机与叶片之间会产生边界效应；3）当速度因子为10 kHz时可得到叶轮转速为2000 rpm左右后叶形结构对噪声特性影响程度最大且最小；4）随着叶型速度因子增大时，两者间关系为：叶型速度因子增大时则叶轮运行噪声系数增大；叶型速度因子减小则降低气流扰动而噪声减小。

参考文献

[1]王晨光, 冯海军, 章艺,等. 风机叶片掠过频率噪声的等效激励源辨识方法[J]. 振动、测试与诊断, 2022(004):042.

[2]刘云芝, 陈华. 轴流风机低噪声叶片的设计方法研究[J].  2020.