風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)與噪聲測(cè)試及其減噪方法研究

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)與噪聲測(cè)試及其減噪方法研究    論文   作者：雷軍 張海榮      2012-1-25 11:02:22    摘要： 本文簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)和噪聲的危害。根據(jù)發(fā)電機(jī)振動(dòng)與噪聲的發(fā)生機(jī)理和產(chǎn)生規(guī)律，本文制定相應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)與噪聲主要是風(fēng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)與空氣動(dòng)力學(xué)（旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流）噪聲，進(jìn)而提出了降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)與噪聲的方法為主動(dòng)控制（風(fēng)輪平

2、衡與阻尼減振降噪控制）及被動(dòng)控制（吸聲），為研究開(kāi)發(fā)低噪聲風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 振動(dòng)與噪聲； 減噪方法中圖分類(lèi)號(hào)： X593 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1007-0370 (2011) 12-0101-04Test research on vibrations and noise of wind turbine and noise reduction methodLei Jun， Zhang Hairong（Wuhai city Environmental Monitoring Station of Inner Mongolia，Wuhai 016000） Abs

3、tract： The wind turbine structure and working principle were described in this paper, and the vibration and noise hazards had been related to. According to the mechanism of vibration and noise generating, the test has been established and the mainly results are mechanical vibration and air fan dynam

4、ics (rotation noise and eddy current) noise, and then the methods to reduce vibration and noise are active control (wind wheel balance and damping vibration and noise control) and passive control (acoustic), meanwhile, the theoretical basis for research and development of low-noise wind turbines wer

5、e provided.Key words： wind turbine； vibration and noise； noise reduction method風(fēng)能是一種清潔能源。在可再生能源中，風(fēng)能是一種非?？捎^的、有前途的能源。我國(guó)地面的風(fēng)能儲(chǔ)量為32.26億kw，可開(kāi)發(fā)的風(fēng)力資源達(dá)2.53億kw。因此大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)和發(fā)出的噪聲也會(huì)對(duì)設(shè)備及環(huán)境產(chǎn)生影響。對(duì)人們身心健康產(chǎn)生危害，日益為人們認(rèn)識(shí)和關(guān)注。因此，在追求風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，它對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的一些負(fù)面影響也不容忽視，需要不斷進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)與降噪方法的研究工作來(lái)加以改善。

6、1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)目前風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用最多的機(jī)型是水平軸高速螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。水平軸高速螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)大致由以下幾個(gè)部分組成： 風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)體、調(diào)速機(jī)構(gòu)等如圖1所示。1.2 工作原理風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪是由輪翼以及均勻分布安裝在輪翼上的槳葉所組成的。在安裝這些槳葉時(shí)，必須對(duì)每只槳葉的翼片按同一旋轉(zhuǎn)方向，以自身槳葉軸為軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)給定的角度指與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間構(gòu)成的角度。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面即風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)槳葉柄所掃過(guò)的平面。因此，從整體上看每只翼片都與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)而保持相同的一定的傾斜夾角。這個(gè)夾角叫做葉片的安裝角或裝置角。分析圖2。當(dāng)氣流以速度U流經(jīng)風(fēng)輪時(shí)，會(huì)不對(duì)稱(chēng)地流過(guò)每只

7、槳葉。此時(shí)槳葉甲得到合力的作用，槳葉乙得到 的作用，F(xiàn)、 沿氣流方向的分力分別為 、 （阻力），垂直于氣流方向的分力分別力Y、 （升力）。升力 （大小相等、方向相反）恰在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，它們?cè)噲D使槳葉甲沿Y的方向上升，使槳葉乙沿 的方向向下運(yùn)動(dòng)，而阻力 與 同向。這樣，對(duì)風(fēng)輪整體面言，在風(fēng)力的作用下得到了一個(gè)力偶矩的作用。于是，風(fēng)輪就在這個(gè)力偶矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本構(gòu)造圖1.風(fēng)輪 2.發(fā)電機(jī) 3.回轉(zhuǎn)體 4.調(diào)速機(jī)構(gòu)5.調(diào)向機(jī)構(gòu) 6.手剎車(chē)機(jī)構(gòu) 7.塔架圖2 水平軸風(fēng)輪及其起動(dòng)原因1葉片 2.葉柄 3.輪數(shù) 4風(fēng)輪水平旋轉(zhuǎn)軸2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)與噪聲2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)風(fēng)力

8、發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)除了繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周運(yùn)動(dòng)外，還包括一些振動(dòng)，這些震動(dòng)很容易造成葉片斷裂，縮短葉片的使用壽命，應(yīng)注意減少不必要的振動(dòng)，延長(zhǎng)葉片的使用壽命。葉片震動(dòng)主要三個(gè)方向的振動(dòng)。就是平行于葉面方向的振動(dòng)、垂直于葉面方向的振動(dòng)及平行于葉片弦線(xiàn)方向的振動(dòng)。在這三個(gè)方向的振動(dòng)中，平行于葉片弦線(xiàn)方向的振動(dòng)對(duì)葉片的危害是最大的，這個(gè)方向的振動(dòng)的激振力的頻率和葉片的固有頻率可能很接近，如果這兩個(gè)頻率的差值在一定的范圍內(nèi)，葉片就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，當(dāng)激振力頻率越接近葉片的固有頻率，共振就越劇烈，振幅也就越大，造成葉片的變形也就越明顯。當(dāng)這個(gè)振動(dòng)超出了葉片自身承受能力時(shí)，就會(huì)造成葉片的斷裂。另外這個(gè)方向的振動(dòng)形式和鳥(niǎo)

9、翅膀的運(yùn)動(dòng)不完全一樣，葉片的振動(dòng)還具有更為復(fù)雜形式的振動(dòng)，因此，從上面的分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)可以石出，造成葉片斷裂的根本原因就是共振。對(duì)于另外兩個(gè)方向的振動(dòng)，由于引起激振力的頻率和葉片的固有頻率偏差較遠(yuǎn)，而且振幅也比較小，所以這兩個(gè)方向的振動(dòng)對(duì)葉片的損壞起的作用不是很大，可以不考慮這兩個(gè)方向的振動(dòng)對(duì)葉片的影響。2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的噪聲從物理學(xué)觀點(diǎn)講，噪聲就是各種不同頻率和聲強(qiáng)的聲音無(wú)規(guī)律的雜亂組合，它的波形圖是沒(méi)有規(guī)則的非周期性的曲線(xiàn)。從生理學(xué)觀點(diǎn)講，凡是使人煩躁的、討厭的、不需要的聲音都叫噪聲。風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲主要有以下幾方面：2.2.1 機(jī)械噪聲 機(jī)械振動(dòng)引起的噪聲比較大，這種噪聲產(chǎn)生的過(guò)

10、程是：由葉輪產(chǎn)生的力矩通過(guò)增速齒輪傳遞到發(fā)電機(jī)時(shí)，在齒輪上產(chǎn)生了嚙合力。嚙合力以嚙合頻率變動(dòng)，這個(gè)力在軸承、支持臺(tái)架上所受的反作用力成了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)體的激振力。激振機(jī)艙蓋、塔架等作為固體傳播音放射。這種噪聲的水平隨負(fù)荷變化而變化。通常，認(rèn)為高負(fù)荷時(shí)變大。包括：1、齒輪噪聲；2、軸承噪聲；3、周期作用力激發(fā)的噪聲；4、電機(jī)噪聲。2.2.2 空氣動(dòng)力學(xué)噪聲 空氣動(dòng)力學(xué)噪聲是指高速氣流、不穩(wěn)定氣流以及由于氣流與物體相互作用產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)氣流流經(jīng)翼葉時(shí)，其流動(dòng)可看成兩個(gè)流動(dòng)組成：一個(gè)圍繞翼葉無(wú)升力的流動(dòng)，一個(gè)環(huán)繞翼葉表面的運(yùn)動(dòng)。流經(jīng)翼葉上表面的氣流速度較高，流經(jīng)翼葉下表面的氣流速度較低，由伯努利方程

11、，上下表面存在壓力差，將形成一個(gè)環(huán)繞翼葉流動(dòng)的環(huán)流。沒(méi)有旋渦就沒(méi)有升力。當(dāng)氣流作用在葉輪上，在葉片上形成環(huán)流，環(huán)流存在導(dǎo)致了葉輪的旋轉(zhuǎn)工作。旋轉(zhuǎn)的葉片不斷對(duì)氣流施加作用力，作用力的平均部分對(duì)應(yīng)于維持氣流運(yùn)動(dòng)的推力，而其交變部分則對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生氣流噪聲的激發(fā)力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲主要是指旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。2.2.3 旋轉(zhuǎn)噪聲 旋轉(zhuǎn)噪聲是由于風(fēng)機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)與氣體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)而形成的。對(duì)于給定的空間某點(diǎn)來(lái)說(shuō)，每當(dāng)一個(gè)葉片通過(guò)時(shí)，氣體的壓力便迅速起伏一次。產(chǎn)生一個(gè)壓強(qiáng)脈沖，旋轉(zhuǎn)的葉片不斷地逐個(gè)通過(guò)，相應(yīng)地就不斷產(chǎn)生一個(gè)壓強(qiáng)脈沖，從而向周?chē)椛湓肼?。旋轉(zhuǎn)噪聲具有確定的頻率，其基頻可由下

12、式計(jì)算：f1=nZ60(Hz)（1） 式中：n-葉輪轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)/分Z-葉片數(shù)此外，還有為基頻f正整數(shù)倍的諧波頻率f =2f，f，-3 f，從旋轉(zhuǎn)噪聲強(qiáng)度看，基頻最強(qiáng)，其次是二次諧波，三次諧波總的趨勢(shì)是逐漸減弱的。2.2.4 渦流噪聲 渦流噪聲又稱(chēng)為紊流噪聲。氣體在旋轉(zhuǎn)的葉片界面上分裂時(shí)由于氣體具有粘性，便滑脫成一系列的渦流，從而輻射一種非穩(wěn)定的流動(dòng)噪聲。這種噪聲是氣體流經(jīng)葉片 時(shí)，產(chǎn)生紊流附面層及旋渦與旋渦分裂脫落，引起葉片上的壓力脈動(dòng)所造成的。渦流噪聲的頻率為：f1=K×VD（2） 式中：K-斯特勞哈爾數(shù)在0. 150. 22之間，一般取0. 185V-氣體與葉片的相對(duì)速度，米/秒D-

13、氣體入射方向的物體厚度，米由于渦流噪聲頻率取決于葉片與氣體的相對(duì)速度，而旋轉(zhuǎn)葉片的周?chē)俣仁请S著圓心的距離而變化的，從圓心到最大圓周，速度連續(xù)變化，因此，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的渦流噪聲具有隨機(jī)的特性，呈現(xiàn)為連續(xù)的寬帶頻。2.2.5 發(fā)電機(jī)噪聲 發(fā)電機(jī)噪聲的來(lái)源有三個(gè)：第一是軸承之間的摩擦聲;第二是轉(zhuǎn)子切割磁力線(xiàn)的聲音;第三是轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦聲。前兩種為常態(tài)，后一種為病態(tài)。這些聲音很輕，只有把耳朵貼在塔架上才能聽(tīng)得清。后種噪聲多為轉(zhuǎn)子掃膛所致，其原因有軸承損壞、轉(zhuǎn)子變形、雜物進(jìn)入、磁塊脫落等。另外，在大風(fēng)中，發(fā)電機(jī)短路，也會(huì)出現(xiàn)異常噪聲。3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲測(cè)試3.1 表征噪聲的物理量聲音產(chǎn)生于物體的振動(dòng)

14、，以波動(dòng)的形式傳遞，所以用頻率、周期、相位、波長(zhǎng)與聲速等物理量來(lái)描述聲波的特征。在噪聲的物理度量中，常用的概念有聲壓、聲強(qiáng)和聲功率。如果單純的用聲壓、聲強(qiáng)和聲功率來(lái)衡量聲音的大小是很不方便的，考慮到人耳聽(tīng)覺(jué)相應(yīng)通常是與聲音強(qiáng)度的對(duì)數(shù)是成正比的，因此，聲學(xué)上普遍使用對(duì)數(shù)標(biāo)度也就是常用的“級(jí)”這個(gè)概念來(lái)衡量聲壓、聲強(qiáng)和聲功率，用以表示聲音的大小，其公式定義如下：Lp=20lgpp0（3）圖3 半消聲室局部圖3.2 實(shí)際測(cè)試3.2.1 測(cè)量環(huán)境半消聲室 在半消聲室（圖3）內(nèi)，與樣機(jī)測(cè)試輔助設(shè)備及聲振動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)配合，可以完成一些機(jī)電產(chǎn)品、風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)的噪聲測(cè)定。主要的測(cè)試環(huán)節(jié)是對(duì)聲壓級(jí)和

15、聲功率級(jí)的測(cè)試，其中測(cè)試聲功率級(jí)的方法可分為直接法和比較法兩種。本次測(cè)試使用直接法進(jìn)行測(cè)定。是指要測(cè)定聲源的聲功率，首先要測(cè)得包圍聲源的假設(shè)半球面測(cè)量表面上的平均聲壓級(jí)，即可計(jì)算求出聲源輻射的聲功率級(jí)。平均A聲級(jí)或平均頻帶聲壓級(jí)是計(jì)算空間各點(diǎn)測(cè)量值的平均值而得，即：Lp=10log1nni=1100.1Lpi（4） 式中：Lp-測(cè)試半球面上所得的平均聲壓級(jí)，dB；Lpi-在i點(diǎn)測(cè)得的頻帶聲壓級(jí)，dB；n-測(cè)點(diǎn)數(shù)。則由計(jì)算公式可得所測(cè)聲功率級(jí)Lw為：Lw=Lp+10log2r2（5） 式中：r-測(cè)試半球面半徑。注：上式為僅供半消聲室內(nèi)測(cè)試的計(jì)算公式，其它實(shí)驗(yàn)室測(cè)試使用不妥。3.2.2 測(cè)試儀器

16、AWA627+ 噪聲分析儀，測(cè)量范圍：24130dB ( A )。它是一種模件化的精密儀器，可應(yīng)用于環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲、車(chē)輛噪聲等測(cè)量。其工作原理是:聲壓信號(hào)通過(guò)傳聲器被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，饋入放大器成為一定功率的電信號(hào)，再通過(guò)具有一定頻率響應(yīng)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)檢波則可推動(dòng)以分貝定標(biāo)的指示表頭。3.2.3 實(shí)驗(yàn)依據(jù) 根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19068.2-2003的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組第2部分：試驗(yàn)方法Off-gird wind turbine generator system-Part 2：Test method中規(guī)定的噪聲測(cè)試方法。3.2.4 測(cè)量方法及測(cè)量?jī)?nèi)容 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)1998

17、年制訂的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)噪聲測(cè)試技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，確定噪聲測(cè)量方法如圖4。測(cè)量?jī)?nèi)容為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)(FD-300型)在不同轉(zhuǎn)速下的A聲級(jí)。圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)量位置的標(biāo)準(zhǔn)模式3.2.5 測(cè)試結(jié)果表1 噪聲與風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)速（r/min）0100200300400500600Leg (dB)1939.545.853.663.670.8.675.2 測(cè)試結(jié)果表明：風(fēng)力發(fā)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下噪聲值超過(guò)一般規(guī)定值70 dB。4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)及噪聲治理解決葉片的振動(dòng)問(wèn)題，首先要了解葉片在正常工作過(guò)程中所受激振力有哪些？這些激振力中哪個(gè)是引起葉片斷裂的主要原因？其次，建立動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析和模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這個(gè)過(guò)程掌握風(fēng)力機(jī)葉

18、片的動(dòng)態(tài)特征，并且要對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行精確的計(jì)算；最后，葉片的性能要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，合理布置葉片內(nèi)部各部位的質(zhì)量，調(diào)整葉片的剛度和阻尼，改變?nèi)~片受力后的變形情況，使加工成的葉片的工作轉(zhuǎn)速范圍與葉片產(chǎn)生共振的轉(zhuǎn)速范圍不存在重合部分。通過(guò)上面的方法，能夠從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的角度，改變?nèi)~片受力后的變形情況，避免葉片發(fā)生共振現(xiàn)象，減小葉片振動(dòng)時(shí)的振幅，最終達(dá)到解決葉片斷裂的難題。噪聲控制一般分為主動(dòng)降噪和被動(dòng)降噪兩個(gè)方面。主動(dòng)降噪是指機(jī)器或工程完成之前所進(jìn)行的一切降低噪聲的改進(jìn)。目前聲源控制是最根本和最有效的手段，主要采用兩種方法：一是改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高加工和裝配質(zhì)量，以降低聲源的輻射聲功率；二是采取隔振、阻尼

19、處理等減小振動(dòng)能量傳遞或減小振動(dòng)。被動(dòng)降噪是指機(jī)器或工程完成之后所進(jìn)行的一切降低噪聲的改進(jìn)。具體的技術(shù)途徑一般包括隔聲處理、吸聲處理、振動(dòng)的隔離、阻尼減振等。4.1 主動(dòng)控制4.1.1 風(fēng)輪平衡控制 對(duì)風(fēng)輪的技術(shù)要求是要具有良好的空氣動(dòng)力特性，同時(shí)，要保證風(fēng)輪平衡。如果平衡狀況不好，會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和響聲，嚴(yán)重時(shí)將影響風(fēng)輪的正常工作，縮短其使用壽命。風(fēng)輪的平衡狀態(tài)大致有以下四種：4.1.1.1 靜力平衡 指風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的勻速運(yùn)動(dòng)。保證靜力平衡的關(guān)鍵是各槳葉稱(chēng)重精確，選用的槳葉材料密度分布均勻。靜力不平衡將導(dǎo)致風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的非勻速運(yùn)動(dòng)。4.1.1.2 動(dòng)力平衡 指風(fēng)輪達(dá)到靜力平衡后，還應(yīng)保證各葉片重心在同

20、一個(gè)回轉(zhuǎn)面內(nèi)。解決動(dòng)力平衡的關(guān)鍵是使各葉片的幾何形狀制作精確、工藝嚴(yán)格、葉片材料密度分布均勻。動(dòng)力不平衡將導(dǎo)致葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生交替變化的離心力，從而使風(fēng)輪發(fā)生劇烈的抖動(dòng)。4.1.1.3 空氣動(dòng)力平衡 指各槳葉的相同半徑處安裝角和槳葉幾何形狀相同，從而保證每個(gè)葉片的升力和阻力相等。解決空氣動(dòng)力平衡的關(guān)鍵是保證槳葉各安裝角和幾何形狀精確制作、提高加工的精確程度?？諝鈩?dòng)力不平衡，風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將出現(xiàn)每個(gè)葉片的離心力、升力、阻力的差異，因而造成動(dòng)力的不平衡，造成轉(zhuǎn)速不均、風(fēng)輪抖動(dòng)、功率波動(dòng)，葉片變形，甚至發(fā)生共振現(xiàn)象。4.1.1.4 安裝平衡 指風(fēng)輪安裝時(shí)所需連接配件、螺栓等都應(yīng)保證重量對(duì)稱(chēng)相同。解決安裝平衡的關(guān)鍵是風(fēng)輪裝配所需的附件和螺栓應(yīng)制作精確、重量對(duì)稱(chēng)，必要時(shí)全部稱(chēng)重。保證個(gè)葉片對(duì)風(fēng)輪中心重量相等。安裝不平衡將直接破壞風(fēng)輪的靜力平衡和動(dòng)力平衡，使風(fēng)輪工作性能變壞。4.1.2 阻尼減振降噪控制 阻尼減振降噪技術(shù)是利用阻尼材料的特性以及阻尼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，耗散結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)能量，來(lái)達(dá)到減振降噪的目的。主要通過(guò)表面阻尼處理和阻尼材料來(lái)降噪。4.2 被動(dòng)降噪被