风力发电机振动与噪声测试及其减噪方法研究

1、风力发电机振动与噪声测试及其减噪方法研究    论文   作者：雷军 张海荣      2012-1-25 11:02:22    摘要： 本文简要介绍了风力发电机的结构和工作原理，以及风力发电机振动和噪声的危害。根据发电机振动与噪声的发生机理和产生规律，本文制定相应实验方案对其进行测试，得出风力发电机的振动与噪声主要是风机的机械振动与空气动力学（旋转噪声和涡流）噪声，进而提出了降低风力发电机振动与噪声的方法为主动控制（风轮平

2、衡与阻尼减振降噪控制）及被动控制（吸声），为研究开发低噪声风力发电机提供理论基础。关键词： 风力发电机； 振动与噪声； 减噪方法中图分类号： X593 文献标识码： A 文章编号： 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风能是一种清洁能源。在可再生能源中，风能是一种非常可观的、有前途的能源。我国地面的风能储量为32.26亿kw，可开发的风力资源达2.53亿kw。因此大力发展风力发电具有一定的经济和社会效益。但是风力发电机在运转时振动和发出的噪声也会对设备及环境产生影响。对人们身心健康产生危害，日益为人们认识和关注。因此，在追求风力发电带来经济和社会效益的同时，它对环境产生的一些负面影响也不容忽视，需要不断进行风力发电机振动与降噪方法的研究工作来加以改善。

6、1 风力发电机的结构及工作原理1.1 风力发电机的结构目前风力发电应用最多的机型是水平轴高速螺旋桨式风力发电机。水平轴高速螺旋桨式风力发电机大致由以下几个部分组成： 风轮、发电机回转体、调速机构等如图1所示。1.2 工作原理风力机的风轮是由轮翼以及均匀分布安装在轮翼上的桨叶所组成的。在安装这些桨叶时，必须对每只桨叶的翼片按同一旋转方向，以自身桨叶轴为轴转过一个给定的角度指与风轮旋转平面之间构成的角度。风轮旋转平面即风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面。因此，从整体上看每只翼片都与风轮旋转而保持相同的一定的倾斜夹角。这个夹角叫做叶片的安装角或装置角。分析图2。当气流以速度U流经风轮时，会不对称地流过每只

7、桨叶。此时桨叶甲得到合力的作用，桨叶乙得到 的作用，F、 沿气流方向的分力分别为 、 （阻力），垂直于气流方向的分力分别力Y、 （升力）。升力 （大小相等、方向相反）恰在旋转平面内，它们试图使桨叶甲沿Y的方向上升，使桨叶乙沿 的方向向下运动，而阻力 与 同向。这样，对风轮整体面言，在风力的作用下得到了一个力偶矩的作用。于是，风轮就在这个力偶矩的作用下转动起来了。图1 风力发电机基本构造图1.风轮 2.发电机 3.回转体 4.调速机构5.调向机构 6.手刹车机构 7.塔架图2 水平轴风轮及其起动原因1叶片 2.叶柄 3.轮数 4风轮水平旋转轴2 风力发电机的振动与噪声2.1 风力发电机的振动风力

8、发电机运行时除了绕轴转动的圆周运动外，还包括一些振动，这些震动很容易造成叶片断裂，缩短叶片的使用寿命，应注意减少不必要的振动，延长叶片的使用寿命。叶片震动主要三个方向的振动。就是平行于叶面方向的振动、垂直于叶面方向的振动及平行于叶片弦线方向的振动。在这三个方向的振动中，平行于叶片弦线方向的振动对叶片的危害是最大的，这个方向的振动的激振力的频率和叶片的固有频率可能很接近，如果这两个频率的差值在一定的范围内，叶片就会产生共振现象，当激振力频率越接近叶片的固有频率，共振就越剧烈，振幅也就越大，造成叶片的变形也就越明显。当这个振动超出了叶片自身承受能力时，就会造成叶片的断裂。另外这个方向的振动形式和鸟

9、翅膀的运动不完全一样，叶片的振动还具有更为复杂形式的振动，因此，从上面的分析和结构动力学的知识可以石出，造成叶片断裂的根本原因就是共振。对于另外两个方向的振动，由于引起激振力的频率和叶片的固有频率偏差较远，而且振幅也比较小，所以这两个方向的振动对叶片的损坏起的作用不是很大，可以不考虑这两个方向的振动对叶片的影响。2.2 风力发电机的噪声从物理学观点讲，噪声就是各种不同频率和声强的声音无规律的杂乱组合，它的波形图是没有规则的非周期性的曲线。从生理学观点讲，凡是使人烦躁的、讨厌的、不需要的声音都叫噪声。风力发电机噪声主要有以下几方面：2.2.1 机械噪声 机械振动引起的噪声比较大，这种噪声产生的过

10、程是：由叶轮产生的力矩通过增速齿轮传递到发电机时，在齿轮上产生了啮合力。啮合力以啮合频率变动，这个力在轴承、支持台架上所受的反作用力成了对风力发电机机体的激振力。激振机舱盖、塔架等作为固体传播音放射。这种噪声的水平随负荷变化而变化。通常，认为高负荷时变大。包括：1、齿轮噪声；2、轴承噪声；3、周期作用力激发的噪声；4、电机噪声。2.2.2 空气动力学噪声 空气动力学噪声是指高速气流、不稳定气流以及由于气流与物体相互作用产生的噪声。当气流流经翼叶时，其流动可看成两个流动组成：一个围绕翼叶无升力的流动，一个环绕翼叶表面的运动。流经翼叶上表面的气流速度较高，流经翼叶下表面的气流速度较低，由伯努利方程

11、，上下表面存在压力差，将形成一个环绕翼叶流动的环流。没有旋涡就没有升力。当气流作用在叶轮上，在叶片上形成环流，环流存在导致了叶轮的旋转工作。旋转的叶片不断对气流施加作用力，作用力的平均部分对应于维持气流运动的推力，而其交变部分则对应于产生气流噪声的激发力。风力发电机的空气动力学噪声主要是指旋转噪声和涡流噪声。2.2.3 旋转噪声 旋转噪声是由于风机叶片在旋转时与气体相对运动，产生压力脉动而形成的。对于给定的空间某点来说，每当一个叶片通过时，气体的压力便迅速起伏一次。产生一个压强脉冲，旋转的叶片不断地逐个通过，相应地就不断产生一个压强脉冲，从而向周围辐射噪声。旋转噪声具有确定的频率，其基频可由下

12、式计算：f1=nZ60(Hz)（1） 式中：n-叶轮转数转/分Z-叶片数此外，还有为基频f正整数倍的谐波频率f =2f，f，-3 f，从旋转噪声强度看，基频最强，其次是二次谐波，三次谐波总的趋势是逐渐减弱的。2.2.4 涡流噪声 涡流噪声又称为紊流噪声。气体在旋转的叶片界面上分裂时由于气体具有粘性，便滑脱成一系列的涡流，从而辐射一种非稳定的流动噪声。这种噪声是气体流经叶片 时，产生紊流附面层及旋涡与旋涡分裂脱落，引起叶片上的压力脉动所造成的。涡流噪声的频率为：f1=K×VD（2） 式中：K-斯特劳哈尔数在0. 150. 22之间，一般取0. 185V-气体与叶片的相对速度，米/秒D-

13、气体入射方向的物体厚度，米由于涡流噪声频率取决于叶片与气体的相对速度，而旋转叶片的周围速度是随着圆心的距离而变化的，从圆心到最大圆周，速度连续变化，因此，风机产生的涡流噪声具有随机的特性，呈现为连续的宽带频。2.2.5 发电机噪声 发电机噪声的来源有三个：第一是轴承之间的摩擦声;第二是转子切割磁力线的声音;第三是转子与定子之间的摩擦声。前两种为常态，后一种为病态。这些声音很轻，只有把耳朵贴在塔架上才能听得清。后种噪声多为转子扫膛所致，其原因有轴承损坏、转子变形、杂物进入、磁块脱落等。另外，在大风中，发电机短路，也会出现异常噪声。3 风力发电机噪声测试3.1 表征噪声的物理量声音产生于物体的振动

14、，以波动的形式传递，所以用频率、周期、相位、波长与声速等物理量来描述声波的特征。在噪声的物理度量中，常用的概念有声压、声强和声功率。如果单纯的用声压、声强和声功率来衡量声音的大小是很不方便的，考虑到人耳听觉相应通常是与声音强度的对数是成正比的，因此，声学上普遍使用对数标度也就是常用的“级”这个概念来衡量声压、声强和声功率，用以表示声音的大小，其公式定义如下：Lp=20lgpp0（3）图3 半消声室局部图3.2 实际测试3.2.1 测量环境半消声室 在半消声室（图3）内，与样机测试辅助设备及声振动态信号测试分析系统配合，可以完成一些机电产品、风机和罗茨鼓风机的噪声测定。主要的测试环节是对声压级和

15、声功率级的测试，其中测试声功率级的方法可分为直接法和比较法两种。本次测试使用直接法进行测定。是指要测定声源的声功率，首先要测得包围声源的假设半球面测量表面上的平均声压级，即可计算求出声源辐射的声功率级。平均A声级或平均频带声压级是计算空间各点测量值的平均值而得，即：Lp=10log1nni=1100.1Lpi（4） 式中：Lp-测试半球面上所得的平均声压级，dB；Lpi-在i点测得的频带声压级，dB；n-测点数。则由计算公式可得所测声功率级Lw为：Lw=Lp+10log2r2（5） 式中：r-测试半球面半径。注：上式为仅供半消声室内测试的计算公式，其它实验室测试使用不妥。3.2.2 测试仪器

16、AWA627+ 噪声分析仪，测量范围：24130dB ( A )。它是一种模件化的精密仪器，可应用于环境噪声、机械噪声、车辆噪声等测量。其工作原理是:声压信号通过传声器被转换成电信号，馈入放大器成为一定功率的电信号，再通过具有一定频率响应计权网络，经过检波则可推动以分贝定标的指示表头。3.2.3 实验依据 根据中华人民共和国国家标准GB/T 19068.2-2003的离网型风力发电机组第2部分：试验方法Off-gird wind turbine generator system-Part 2：Test method中规定的噪声测试方法。3.2.4 测量方法及测量内容 根据国际电工委员会1998

17、年制订的风力发电系统噪声测试技术的标准，确定噪声测量方法如图4。测量内容为：风力发电机(FD-300型)在不同转速下的A声级。图4 风力发电机测量位置的标准模式3.2.5 测试结果表1 噪声与风力发电机转速表转速（r/min）0100200300400500600Leg (dB)1939.545.853.663.670.8.675.2 测试结果表明：风力发电机在高转速下噪声值超过一般规定值70 dB。4 风力发电机振动及噪声治理解决叶片的振动问题，首先要了解叶片在正常工作过程中所受激振力有哪些？这些激振力中哪个是引起叶片断裂的主要原因？其次，建立动态响应分析和模拟实验，通过这个过程掌握风力机叶

18、片的动态特征，并且要对动态响应进行精确的计算；最后，叶片的性能要进行合理的设计，合理布置叶片内部各部位的质量，调整叶片的刚度和阻尼，改变叶片受力后的变形情况，使加工成的叶片的工作转速范围与叶片产生共振的转速范围不存在重合部分。通过上面的方法，能够从结构动力学的角度，改变叶片受力后的变形情况，避免叶片发生共振现象，减小叶片振动时的振幅，最终达到解决叶片断裂的难题。噪声控制一般分为主动降噪和被动降噪两个方面。主动降噪是指机器或工程完成之前所进行的一切降低噪声的改进。目前声源控制是最根本和最有效的手段，主要采用两种方法：一是改进设备结构，提高加工和装配质量，以降低声源的辐射声功率；二是采取隔振、阻尼

19、处理等减小振动能量传递或减小振动。被动降噪是指机器或工程完成之后所进行的一切降低噪声的改进。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。4.1 主动控制4.1.1 风轮平衡控制 对风轮的技术要求是要具有良好的空气动力特性，同时，要保证风轮平衡。如果平衡状况不好，会出现振动和响声，严重时将影响风轮的正常工作，缩短其使用寿命。风轮的平衡状态大致有以下四种：4.1.1.1 静力平衡 指风轮旋转时的匀速运动。保证静力平衡的关键是各桨叶称重精确，选用的桨叶材料密度分布均匀。静力不平衡将导致风轮旋转时的非匀速运动。4.1.1.2 动力平衡 指风轮达到静力平衡后，还应保证各叶片重心在同

20、一个回转面内。解决动力平衡的关键是使各叶片的几何形状制作精确、工艺严格、叶片材料密度分布均匀。动力不平衡将导致叶片旋转时发生交替变化的离心力，从而使风轮发生剧烈的抖动。4.1.1.3 空气动力平衡 指各桨叶的相同半径处安装角和桨叶几何形状相同，从而保证每个叶片的升力和阻力相等。解决空气动力平衡的关键是保证桨叶各安装角和几何形状精确制作、提高加工的精确程度。空气动力不平衡，风轮运转时将出现每个叶片的离心力、升力、阻力的差异，因而造成动力的不平衡，造成转速不均、风轮抖动、功率波动，叶片变形，甚至发生共振现象。4.1.1.4 安装平衡 指风轮安装时所需连接配件、螺栓等都应保证重量对称相同。解决安装平衡的关键是风轮装配所需的附件和螺栓应制作精确、重量对称，必要时全部称重。保证个叶片对风轮中心重量相等。安装不平衡将直接破坏风轮的静力平衡和动力平衡，使风轮工作性能变坏。4.1.2 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。主要通过表面阻尼处理和阻尼材料来降噪。4.2 被动降噪被