风力发电机组的噪声控制

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摘 要:

   简要分析了风力发电机组的噪声源,重点介绍了阻尼减振降噪控制和噪声传播降噪控制的原理和方法,提出风力发电机组的噪声控制措施和方法。

关键词:风力发电机 阻尼减振 噪声控制

0 引言

能源是现代社会和经济发展的基础。在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为最有开发利用前景和技术最成熟的一种新能源和可再生能源之一,已成了全球能源工业关注的热点。自二十世纪七十年代以来,风能开发和利用在欧美发达国家发展非常迅速,风力发电的技术也日趋成熟。中国国家计委于1996 年3 月制定了“乘风计划”,以风力发电机的国产化来带动风电场建设的产业化。该计划旨在采取技贸结合的形式,引进国外先进技术,通过消化吸收,达到自主开发,自行设计和制造大型风力发电机的能力[1]。

风能开发能减轻空气污染和水污染,但如果处理不当,则会增加噪声污染。近几年,随着风力发电机国产化程度的不断扩大,而我国制造业与欧美发达国家还有一定的差距,因此国产化风力发电机振动噪声问题逐渐显现出来。风力发电场附近居民对风力发电机组产生大噪声烦扰的投诉、申告也越来越多,甚至威胁到风力发电机的正常国产产业化,因此,风力发电机的减振降噪控制是非常重要和必要的。本文将重点讨论阻尼减振降噪技术和噪声传播降噪技术在风力发电机组噪声控制中的应用。

1 噪声源分析

风力发电机组工作过程中在风及运动部件的激励下,叶片及机组部件产生了较大的噪声,其噪声源主要有:

(1)机械噪声及结构噪声

齿轮噪声。啮合的齿轮对或齿轮组,由于互撞和摩擦激起齿轮体的振动,而通过固体结构辐射齿轮噪声。

② 轴承噪声。由轴承内相对运动元件之间的摩擦和振动及转动部件的不平衡或相对运动元件之间的撞击引起振动辐射产生噪声。

③ 周期作用力激发的噪声。由转动轴等旋转机械部件产生周期作用力激发的噪声。

④ 电机噪声。不平衡的电磁力使电机产生电磁振动,并通过固体结构辐射电磁噪声。

机械噪声和结构噪声是风力发电机组的主要噪声源,而且对人的烦扰度最大。这部分噪声是能够控制的,其主要途径是避免或减少撞击力、周期力和摩擦力,如提高加工工艺和安装精度,使齿轮和轴承保持良好的润滑条件等。为减小机械部件的振动,可在接近力源的地方切断振动传递的途径,如以弹性连接代替刚性连接;或采取高阻尼材料吸收机械部件的振动能,以降低振动噪声。
(2)空气动力噪声

空气动力噪声由叶片与空气之间作用产生,它的大小与风速有关,随风速增大而增强。处理空气动力噪声的困难在于其声源处在传播媒质中,因而不容易分离出声源区。

(3)通风设备噪声

散热器、通风机等辅助设备产生的噪声。

2 噪声控制

噪声控制可以从噪声源、噪声传播途径和噪声接受者三方面入手[2]。噪声控制技术主要以噪声的声学控制方法为主,具体的技术途径一般包括隔声处理、吸声处理、振动的隔离、阻尼减振等。隔声处理和吸声处理属于噪声传播降噪控制;振动的隔离和阻尼减振属于阻尼减振降噪控制。这些噪声控制方法的机理在于,通过噪声声波与声学材料或声学结构、振动波与阻尼材料或阻尼结构的相互作用消耗能量,从而达到降低噪声的目的。
2.1 阻尼减振降噪控制
阻尼减振降噪技术是利用阻尼材料的特性以及阻尼结构的合理设计,耗散结构件的振动能量,来达到减振降噪的目的。阻尼减振技术近年来得到了迅速的发展,尤其在航空航天、汽车工业、仪器仪表、兵器、建筑业及家电行业等领域有着广泛的应用。无论是在基础理论方面,还是在新材料的研制以及应用技术方面都已成长为一个独立的科学分支。

2.1.1 阻尼材料及其特性

材料阻尼是指材料内部在经受振动变形过程中损耗振动能量的能力[3]。阻尼材料也称粘弹阻尼材料,或粘弹性高阻尼材料。它是一种兼有某些粘性液体和弹性固体特性的材料。粘性液体有耗散能量的能力,而不能储存能量;相反,弹性材料有储存能量的能力,而不能耗散能量。粘弹性材料介于两者之间,当它产生动态应力和应变时,有一部分能量被转化为热能而耗散掉,而另一部分能量以位能的形式储存起来。能量被转化和耗散的现象表现为阻尼特性。利用它可抑制共振频率下的振动峰值,减少振动沿结构的传递,降低结构噪声。

各种阻尼材料都受环境温度和工作频率的影响,温度不同,工作频率不同,阻尼特性也不同。作为良好的阻尼材料,应在较宽温度范围和较宽频率范围具有较高的损耗因子,如图1 所示。

2.1.2 表面阻尼处理

表面阻尼处理主要应用于受弯曲振动为主的厚度不大的构件或薄板零件。风力发电机舱以及隔板等均为薄板振动件,因此表面阻尼处理在风力发电机上能得以应用。表面阻尼处理通常分为自由阻尼处理和约束阻尼处理两大类。

(1)自由阻尼处理

将一层一定厚度的粘弹阻尼材料粘贴于基板表面上,当基板产生弯曲振动时,阻尼层随基本层一起振动,在阻尼层内部产生拉-压变形。根据阻尼材料的耗能机理,当阻尼材料内部产生交变应力时,阻尼材料就会将有序的机械能转化为无序的热能,从而起到耗能的作用。自由阻尼结构如图2 所示,阻尼层越厚,阻尼损耗因子越大,制振效能就越好。

(2)约束阻尼处理

在自由阻尼处理的阻尼层外侧表面再粘贴一弹性层,这一弹性层应具有远大于阻尼层的弹性摸量。当阻尼层随基本结构层一起产生弯曲振动而使阻尼层产生拉-压变形时,由于粘贴在外侧弹性层的弹性摸量远大于阻尼层的弹性摸量,因此这一弹性层将起到约束阻尼层的拉-压变形的作用,所以这一弹性层被称为约束层,而受弹性层约束的阻尼层被称为约束阻尼层。由于阻尼层与基本层接触的表面所产生的拉-压变形不同于与约束层接触的表面所产生的拉-压变形,从而在阻尼材料内部产生剪切变形。因此约束阻尼处理结构中,阻尼层不仅承受拉-压变形,还同时承受剪切变形,它们都能起到耗能作用,如图3 所示。约束阻尼结构比自由阻尼结构耗散更多的能量,因此具有更好的减振降噪效果。

a) 自由状态 b) 振动拉-压及剪切变形状态
1—基本层 2—阻尼层 3—约束层
图3 约束阻尼处理结构
实际应用中往往将基本层与约束层采用同一种材料,且厚度相同,称为对称型复合阻尼材料结构。
2.1.3 阻尼材料种类及其应用

阻尼材料分为阻尼板材和阻尼涂料两大类,阻尼板材根据基体成分又分为沥青阻尼板材和橡胶阻尼板材,阻尼板材具有良好的减振隔声性能,性能稳定,但对结构表面形状和安装工艺性要求较高。阻尼板材可用于振动源附件的结构部件表面,也可贴附于薄壳结构表面做自由阻尼处理结构。阻尼涂料是一种特殊的涂料,可以将其涂覆于各种材料、各种复杂形状的结构表面上,它具有减振、降噪、隔振和密封的作用。阻尼涂料可以喷涂或刮涂于薄壳结构表面,做成自由阻尼处理结构。阻尼涂料施工简便,特别适合于形状复杂的壳体涂覆,可以做到整体美观。

由于风力发电机的主要机组部件安装于机舱内部,这些部件产生的振动直接传递给机舱,引起机舱振动并辐射产生噪声。因此可以在机舱内表面贴附阻尼材料对机舱进行表面自由阻尼处理,衰减振动,降低结构辐射噪声,同时隔离机舱内部的噪声向外传播。

2.2 噪声传播降噪控制

噪声传播控制,又称无源噪声控制,它是在噪声传播途径中使用声学材料或声学结构来隔离或吸收一部分声能,使声波在通过声学材料或声学结构时得到衰减而达到降噪控制的目的。噪声传播降噪控制与阻尼减振降噪控制是相辅相成、密不可分的,阻尼对提高材料的隔声性能有明显的作用。
对风力发电机机舱内表面贴覆阻尼隔声材料做阻尼、隔声处理,当机舱内齿轮箱、电机等部件产生的噪声入射到机舱壳体表面时被转化成以下主要部分:1)一部分被反射回机舱内部;2)一部分在经过机舱表面时被转化成形式的能量或波形而被吸收。如:其中一部分被贴附于机舱壳体上的高阻尼材料转化成热能而被损耗了,另一部分转换为结构辐射噪声或形式的波形;3)最后剩下的一部分透过机舱传入外部环境。噪声传播过程中的能量分配见图4。