更安靜的風(fēng)能的商業(yè)案例

風(fēng)力發(fā)電是全球增長(zhǎng)最快且最便宜的能源之一。僅 2023 年，由于能源成本較低，全球風(fēng)電裝機(jī)容量就增加了 116 吉瓦。這種快速擴(kuò)張使更多的渦輪機(jī)更接近社區(qū)，加強(qiáng)了對(duì)其聲足跡的審查。

 

 

 

更嚴(yán)格的噪音法規(guī)現(xiàn)已在全球生效。例如，德國(guó)的一些地區(qū)將住宅區(qū)的夜間噪音限制低至 35 dB(A)。當(dāng)渦輪機(jī)超過(guò)這些限制時(shí)，運(yùn)營(yíng)商通常被迫削減電力輸出，導(dǎo)致收入和清潔能源生產(chǎn)的直接損失。解決噪音問(wèn)題不再只是公共關(guān)系問(wèn)題；這是商業(yè)上的必然要求。

 

本文提出了一個(gè)實(shí)用的、基于仿真的框架，用于預(yù)測(cè)和減輕風(fēng)力渦輪機(jī)噪聲。我們將詳細(xì)介紹解決空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)械噪聲源的兩個(gè)不同的工作流程。您將看到這種集成方法如何設(shè)計(jì)出更安靜、更有利可圖的渦輪機(jī)。

 

了解風(fēng)力渦輪機(jī)噪聲的來(lái)源

渦輪機(jī)的聲學(xué)特征很復(fù)雜。它由源自不同來(lái)源的兩種不同類型的噪聲組成。

氣動(dòng)噪聲：這是渦輪葉片與空氣相互作用產(chǎn)生的寬帶“嗖嗖”聲音。主要來(lái)源是葉片后緣產(chǎn)生的湍流。這通常是對(duì)整體聲級(jí)最重要的影響。

振動(dòng)聲學(xué)噪聲：這是一種音調(diào)機(jī)械聲音，其特征在于特定的窄帶頻率。它源自傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，主要是變速箱和發(fā)電機(jī)。這些振動(dòng)穿過(guò)渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)塔架、機(jī)艙和葉片以聲音的形式輻射出去。

 

從歷史上看，工程工作的重點(diǎn)是減少寬帶氣動(dòng)噪聲。隨著這些努力的成功，之前被掩蓋的來(lái)自動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)或發(fā)電機(jī)的音調(diào)噪聲將不再被掩蓋，并被視為侵入性的。因此，有效的噪聲緩解策略必須解決這兩個(gè)來(lái)源。

 

 

 

工作流程 1：減輕氣動(dòng)噪聲

全尺寸渦輪葉片的原型設(shè)計(jì)和測(cè)試成本高昂。數(shù)字仿真為優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)和空氣聲學(xué)性能提供了一種經(jīng)濟(jì)有效且準(zhǔn)確的替代方案。我們的框架使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的工作流程來(lái)設(shè)計(jì)和測(cè)試降噪功能，例如后緣鋸齒。有關(guān)噪聲和噪聲法規(guī)挑戰(zhàn)（這可能是限制渦輪機(jī)運(yùn)行的限制因素）的更多信息，請(qǐng)閱讀LM Wind Power 的客戶案例以及他們?nèi)绾闻c達(dá)索系統(tǒng)合作，開(kāi)創(chuàng)模擬方法來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

 

集成仿真方法

我們?cè)?/span>3D?EXPERIENCE? 平臺(tái)上執(zhí)行空氣聲學(xué)工作流程。該過(guò)程集成了葉片設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)分析和聲學(xué)預(yù)測(cè)。

 

l 設(shè)計(jì)：利用葉片單元?jiǎng)恿坷碚?/span> (BEMT) 工具，使用CATIA?和SIMULIA?產(chǎn)品創(chuàng)建葉片幾何形狀并優(yōu)化性能。

 

l 分析：我們使用SIMULIA PowerFLOW?（一種格子-玻爾茲曼方法求解器）來(lái)模擬多個(gè)葉片部分周圍的氣流。更具體地說(shuō)，我們的目標(biāo)是解決湍流邊界層，這對(duì)于預(yù)測(cè)氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)力渦輪機(jī)噪聲特征至關(guān)重要。

 

l 預(yù)測(cè)： Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) 求解器計(jì)算虛擬旋轉(zhuǎn)麥克風(fēng)位置處每個(gè)單獨(dú)部分的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜。結(jié)果以巧妙的方式組合在一起，這樣就不會(huì)忽略多普勒、地面反射和大氣吸收。通過(guò)這種方式，我們創(chuàng)建了渦輪機(jī)的虛擬雙胞胎，確保滿足官方 IEC 認(rèn)證的所有條件。該工藝正在申請(qǐng)專利。

 

為了平衡準(zhǔn)確性和計(jì)算速度，我們可以使用多保真度方法。低保真度分析首先識(shí)別產(chǎn)生最大噪音的葉片部分。對(duì)于 5MW 參考渦輪機(jī)，它們位于葉片半徑的 75% 和 92.5% 左右。然后，我們對(duì)這些關(guān)鍵部分使用中保真度“2.5D”（擠壓翼型）模擬。該方法比完整 3D 模擬快大約十倍，但提供了相當(dāng)?shù)木龋绺鞣N學(xué)術(shù)論文中所述，使其成為迭代鋸齒設(shè)計(jì)等的理想選擇。

 

 

 

主要結(jié)果和設(shè)計(jì)見(jiàn)解

我們測(cè)試了兩種具有不同襟翼角度的鋸齒類型（鋒利和圓形尖端）。模擬在標(biāo)準(zhǔn) IEC 認(rèn)證點(diǎn)測(cè)量噪聲：順風(fēng) 100 米、距地面 1.2 米。

 

結(jié)果證實(shí)了仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的有效性以及無(wú)限的可能性。

 

l顯著降低噪音：所有鋸齒設(shè)計(jì)均可降低頻率低于 500 Hz 的噪音。

l最佳配置： -5.5° 的適度襟翼角可提供最佳性能，在 200 Hz 1/3 倍頻程頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)約 4 dB 的降噪。

l設(shè)計(jì)權(quán)衡：更積極的襟翼角度 (-11°) 降低了低頻噪聲，但在 1 kHz 時(shí)噪聲增加了 4 dB。適中的角度避免了這種不希望的權(quán)衡。

 

這些研究結(jié)果表明，有針對(duì)性的鋸齒幾何形狀可以顯著降低最關(guān)鍵頻率范圍內(nèi)的寬帶噪聲，直接影響法規(guī)遵從性。

 

工作流程 2：分析振動(dòng)聲學(xué)噪聲

隨著葉片變得越來(lái)越安靜，傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出的嗡嗡聲成為主要問(wèn)題。預(yù)測(cè)這種噪聲需要一個(gè)整體系統(tǒng)模型，該模型可以跟蹤振動(dòng)從源頭到整個(gè)渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)再到輻射聲音的組件。

 

整體系統(tǒng)級(jí)方法

該工作流程將多體系統(tǒng) (MBS) 仿真與振動(dòng)聲學(xué)分析相結(jié)合。

1. 識(shí)別來(lái)源：音調(diào)噪音的主要來(lái)源是變速箱。當(dāng)齒輪齒嚙合時(shí)，不斷變化的接觸剛度會(huì)產(chǎn)生稱為傳輸誤差 (TE) 的激勵(lì)。雖然斜齒輪和微觀幾何校正可減少 TE，但它們無(wú)法在渦輪機(jī)經(jīng)歷的所有負(fù)載條件下完全消除 TE。

 

2. 模型振動(dòng)路徑：我們使用Simpack?構(gòu)建整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的高保真 MBS 模型。該模型的主要部件采用靈活的有限元 (FE) 體，主要從Abaqus?進(jìn)口，例如塔架、底板和葉片。此外，還包括非線性元件的詳細(xì)表示，例如軸承、齒輪和轉(zhuǎn)子葉片。這使我們能夠準(zhǔn)確地模擬傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)如何通過(guò)各種傳遞路徑傳播到輻射表面。

 

3. 分析噪聲輻射： Simpack 的振動(dòng)數(shù)據(jù)用作振動(dòng)聲學(xué)軟件Wave6?的輸入。該工具計(jì)算塔架和機(jī)艙的振動(dòng)如何將聲音輻射到環(huán)境中。該分析使用基于模態(tài)的方法，該方法具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

 

4. 速度：初步求解后，我們只需更新 MBS 模型中的模態(tài)參與因子即可快速評(píng)估不同操作條件或設(shè)計(jì)變更的聲學(xué)影響。

 

5. 見(jiàn)解：分析準(zhǔn)確地揭示了振動(dòng)如何通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)傳遞，以及塔架或機(jī)艙的每種結(jié)構(gòu)模式對(duì)聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)程度。這有助于工程師查明有問(wèn)題的共振并開(kāi)發(fā)緩解解決方案。

 

通過(guò) IP 保護(hù)實(shí)現(xiàn)安全協(xié)作

構(gòu)建完整的系統(tǒng)模型需要渦輪機(jī)原始設(shè)備制造商和各個(gè)零部件供應(yīng)商之間的密切合作。這對(duì)保護(hù)敏感知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 提出了挑戰(zhàn)。

 

我們的框架通過(guò) Simpack 中的“BlackBox”導(dǎo)出功能解決了這個(gè)問(wèn)題。供應(yīng)商可以將其子系統(tǒng)（例如變速箱）作為二進(jìn)制、全功能模型提供。 OEM 可以將此 BlackBox 集成到其整體系統(tǒng)仿真中，而無(wú)需訪問(wèn)專有的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。供應(yīng)商保持對(duì)其 IP 的完全控制，而 OEM 則獲得系統(tǒng)級(jí)分析所需的準(zhǔn)確性。此功能有助于安全有效的協(xié)作。

 

 

 

將仿真與商業(yè)成果聯(lián)系起來(lái)

這種綜合的、多學(xué)科的框架可以直接轉(zhuǎn)化為開(kāi)發(fā)商、業(yè)主和運(yùn)營(yíng)商的商業(yè)優(yōu)勢(shì)。

l減少收入損失：通過(guò)設(shè)計(jì)符合嚴(yán)格噪音限制的更安靜的渦輪機(jī)，運(yùn)營(yíng)商可以避免代價(jià)高昂的夜間限電，并最大限度地提高年發(fā)電量。

l加速認(rèn)證：虛擬測(cè)試使工程師能夠在流程的早期根據(jù)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估設(shè)計(jì)，從而降低昂貴的延遲和后期修改的風(fēng)險(xiǎn)。

l降低開(kāi)發(fā)成本：高效的仿真工作流程減少了對(duì)構(gòu)建和測(cè)試昂貴的物理原型的依賴，從而降低了資本支出。

l提高社區(qū)接受度：主動(dòng)管理聲足跡有助于在風(fēng)電場(chǎng)所在社區(qū)建立信任和支持。

 

未來(lái)：自適應(yīng)噪聲控制

這里詳細(xì)介紹的方法為當(dāng)今設(shè)計(jì)更安靜的風(fēng)力渦輪機(jī)提供了一個(gè)強(qiáng)大且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的框架。瀏覽 SIMULIA 社區(qū)中 GE 可再生能源公司的演示：GE 可再生能源公司：基于仿真的風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱音調(diào)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 | 2022 年風(fēng)與傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)議，了解有關(guān)機(jī)械和傳動(dòng)系統(tǒng)部件的音調(diào)噪聲的更多信息。

 

展望未來(lái)，下一步是將這些高保真模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)融合。這種綜合將使自適應(yīng)噪聲控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成為可能。此類系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)整渦輪機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，以最大限度地減少其在特定風(fēng)和大氣條件下的聲學(xué)特征，從而進(jìn)一步提高效率和社區(qū)關(guān)系。

 

通過(guò)繼續(xù)提高我們的模擬能力，我們可以確保風(fēng)能在未來(lái)仍然是一種清潔、負(fù)擔(dān)得起且可接受的電力來(lái)源。

 

準(zhǔn)備好設(shè)計(jì)更安靜、更有利可圖的風(fēng)力渦輪機(jī)了嗎？聯(lián)系我們的團(tuán)隊(duì)，探索這個(gè)多學(xué)科模擬框架如何幫助您實(shí)現(xiàn)噪音緩解目標(biāo)。