CN111237137A - 一种安装于风力机塔筒的降噪装置及风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了风力机降噪装置技术领域，具体涉及一种安装于风力机塔筒的降噪装置及风力机，旨在解决现有技术中叶片噪声经塔筒反射后增大了叶片噪声的声压级同时叶片噪声引发塔筒振动产生二次噪声的技术问题。降噪组件通过安装组件安装在塔筒上；安装组件包括上支撑环板和下支撑环板，上支撑环板和下支撑环板分别通过螺栓与塔筒的安装法兰连接，下支撑旋转环板与下支撑环板滑动连接，降噪组件安装在上支撑环板和下支撑旋转环板之间且降噪组件随下支撑旋转环板同步绕塔筒的轴线转动；通过在风力机塔筒上设置降噪装置，减少了风力机塔筒对叶片噪声的反射，同时减少了由叶片噪声引发风力机塔筒振动产生的二次噪声。

Description

一种安装于风力机塔筒的降噪装置及风力机

技术领域

本发明属于风力机降噪装置技术领域，具体涉及一种安装于风力机塔筒的降噪装置及风力机。

背景技术

风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中除水能以外技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。目前风电行业正在新兴发展，已经建立了许多大型风电场，离居民住宅区也越来越近。白天，环境噪声比较大，风力机的噪声对日常生活的影响不是特别明显，到了夜间，环境噪声较小时，风力机的噪声对人们的生活起居产生了极大的影响。风力机的噪声主要由机械噪声和气动噪声构成。其中机械噪声通过加工工艺可以有效的控制并降低。而气动噪声占主导地位，叶片的气动噪声又是风力机气动噪声的主要构成。目前针对气动噪声主要研究的是叶片尾缘噪声，此外还有针对风力机叶片形状、降噪附件等的研究。

但是上述问题都是针对风力机叶片产生的噪声所做的研究，而没有考虑到叶片产生噪声后的传播状况，气动噪声声波传播至塔筒表面时，塔筒对声波产生近乎全反射，增大了目标位置处的声压级；同时声波可能会引起塔筒振动，产生二次噪声并可能引起风力机塔筒共振，对风力机危害极大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安装于风力机塔筒的降噪装置及风力机，以解决现有技术中叶片噪声经塔筒反射后增大了叶片噪声的声压级同时叶片噪声引发塔筒振动产生二次噪声的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种安装于风力机塔筒的降噪装置，包括降噪组件，所述降噪组件通过安装组件安装在所述塔筒上。

进一步地，所述安装组件包括上支撑环板和下支撑环板，所述上支撑环板和所述下支撑环板分别通过螺栓与所述塔筒的安装法兰连接，所述下支撑环板上设有下支撑旋转环板，所述下支撑旋转环板与所述下支撑环板滑动连接，所述降噪组件安装在所述上支撑环板和所述下支撑旋转环板之间且所述降噪组件随所述下支撑旋转环板同步绕所述塔筒的轴线转动。

进一步地，所述下支撑环板与所述下支撑旋转环板通过推力轴承连接。

进一步地，所述下支撑环板上设有多个驱动电机，每个所述驱动电机通过齿轮啮合驱动所述下支撑旋转环板绕所述塔筒的轴线转动。

进一步地，所述降噪组件通过多个滑动轮分别与所述上支撑环板和所述下支撑旋转环板滚动连接，所述下支撑旋转环板上设有径向导向板，与所述下支撑旋转环板连接的所述滑动轮沿所述径向导向板做径向移动；与所述上支撑环板连接的所述滑动轮沿所述上支撑环板的径向和周向移动。

进一步地，所述降噪组件与所述塔筒的外壁的距离满足：

其中，X为降噪组件与塔筒的外壁的距离，c为空气中的声速，f为根据风力机的噪声频谱确定的最不利的声波频率。

进一步地，所述降噪组件包括降噪材料，所述降噪材料表面具有孔洞和突起，所述降噪材料内部具有孔洞和纤维且所述降噪材料具有通气性。

进一步地，所述塔筒包括钢筒结构塔架、钢筋混凝土塔架、钢筋混凝土-钢筒混合塔架和桁架结构塔架。

一种风力机，包括机舱，所述机舱安装在塔筒上，所述塔筒上安装有上述安装于风力机塔筒的降噪装置。

进一步地，所述降噪装置的顶部与所述机舱的底部距离为H/10～H/3；所述降噪装置的底部与所述塔筒的底部距离为H/10～H/3，其中，H为机舱底部高度。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明通过在风力机塔筒上设置降噪装置，减少了风力机塔筒对叶片噪声的反射，同时减少了由叶片噪声引发风力机塔筒振动产生的二次噪声；

(2)本发明通过设置可转动的安装组件，使降噪组件可以围绕风力机塔筒的轴线旋转，可以根据风力机的运行情况调整降噪组件的方位，不需要用降噪组件整个包裹风力机塔筒，降低了降噪材料的使用量，减少了安装成本，同时降低了风力机塔筒的附加载荷；

(3)本发明通过在风力机塔筒上设置降噪装置，减少了叶片噪声引发的风力机塔筒振动，降低了引发风力机塔筒共振的风险。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种风力机的结构示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是本发明实施例提供的一种安装于风力机塔筒的降噪装置的装配图；

图4是图3的局部放大图；

图5是图3的A-A剖面图；

图6是图5的局部放大图；

图7是本发明实施例提供的一种安装于风力机塔筒的降噪装置的降噪组件展开后的平面图；

图8是降噪材料内部纤维的排布示意图；

图9是降噪材料内部孔洞的排布示意图；

图10是降噪材料表面突起的排布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

当空气流经风力机的叶片表面时，或者叶片经过空气时，叶片附近的空气振动形成风力机气动噪声源。风力机气动噪声是由于风力机叶片具有高速的切向相对速度，引起叶片周围气体压力脉动而产生的噪声。翼型噪声的各种机理包括：后缘噪声、失速噪声、钝缘噪声、叶尖噪声等。在小攻角范围，噪声来源主要是后缘噪声，当攻角增大产生失速时的噪声称为失速噪声，这种噪声一般要强于后缘噪声。钝缘噪声一旦出现，其强度要远高于前述两种噪声，且一般出现在高频位置，这类噪声在现有风力机中并不多见。在叶尖部位由三维绕流形成的噪声为叶尖噪声。

在已知风力机气动噪声源时，传播到远处的噪声声压级受多种因素影响：塔筒高度、叶片与塔筒的相互作用、风速和湍流强度、环境噪声、气象条件、传播距离、风场中噪声传播的尾流影响等等。风力机叶片处产生的噪声向后传播，到达塔筒处的声压级可由以下公式计算得出：

L_p(f_i)＝L_w(f_i)-10log₁₀(4πR²)-αR+ΔL (1)

式中，L_p(f_i)为距离声源R处频率为f_i时的声压级；L_w(f_i)为声源在频率为f_i时的声功率级；R为预测点与声源的距离；α为空气衰减系数；ΔL为各种因素引起的衰减量(包括声屏障、气象条件等)。

叶片表面附近的空气振动形成风力机气动噪声源。噪声源向四周传播，当噪声传播至没有做降噪处理的塔筒时，由于塔筒表面密度高且光滑坚硬，噪声能量几乎被全部反射，被吸收的噪声能量很少，增加了远处接收到的风力机气动噪音。本发明的目的是减小ΔL，增加噪声的衰减，减少风力机叶片气动噪声源向远处的传播。当叶片气动噪声声波传播到与降噪材料相接触，一部分噪声被反射，一部分噪声透过装置继续传播，另一部分噪声与降噪材料表面相互作用被吸收。降噪材料表面具有不规则形状的孔洞，材料内部有大量的连通的孔洞并通向材料的表面。降噪材料具有一定的通气性，声波沿着这些孔隙可以深入材料内部，其内部的众多细小的敞开孔道使声波衰减，与材料发生摩擦作用将声能转化为热能，达到吸声降噪的效果，其吸声性能与小孔的大小、数量、构造形式等有关。

如图1、图2所示，风力机机舱3安装在塔筒4的顶部，机舱3通过轮毂2连接叶片1，塔筒4底部设有塔筒舱门5，塔筒4包括塔筒段4-1，相邻的塔筒段4-1通过塔筒法兰4-2连接，降噪组件7通过安装组件6与塔筒法兰4-2配合安装在塔筒4的外部。机舱3在来流风向变化时进行偏航运动，降噪组件7在安装组件6的驱动下能够随机舱3的偏航而旋转，使降噪组件7始终处于最有利于降噪的位置，发挥最大的降噪作用。流经叶片1表面附近的空气振动形成风力机气动噪声源，噪声源向四周传播，当传播至塔筒4时被塔筒4反射，且近乎全反射。当噪声声波传播至降噪组件7表面时，噪声能量的一部分被反射，一部分穿透材料，还有一部分声波会引起材料的振动并与周围介质摩擦，使声能转化成热能，声能被损耗，从而减弱声音反射、衍射并达到降噪的效果。降噪组件7具有高阻尼特性，在吸收有叶片1引起的气动噪声的能量时，也可在较宽的频率范围内抑制塔筒4的结构振动峰值，抑制塔筒4的固有频率的峰值，降低气动振动、机械振动沿塔筒4的传递效应，从而降低塔筒4传递的噪声。

如图3～图6所示，安装组件6包括上支撑环板6-1和下支撑环板6-2，上支撑环板6-1和下支撑环板6-2分别通过螺栓与塔筒段4-1的塔筒法兰4-2连接，下支撑环板6-2上设有下支撑旋转环板6-3，下支撑旋转环板6-3与下支撑环板6-2通过推力轴承6-5连接，下支撑环板6-2上设有3个驱动电机6-6，驱动电机6-6沿圆周方向均匀布置在下支撑旋转环板6-3的内侧，每个驱动电机6-6通过齿轮啮合6-36驱动下支撑旋转环板6-3绕塔筒4的轴线转动，下支撑环板6-2为推力轴承6-5和驱动电机6-6提供限位和支撑，推力轴承6-5为下支撑旋转环板6-3提供旋转支撑；降噪组件7安装在上支撑环板6-1和下支撑旋转环板6-3之间且降噪组件7随下支撑旋转环板6-3同步绕塔筒4的轴线转动。驱动电机6-6至少有一台，当驱动电机6-6的总数越多时，单个驱动电机6-6的额定功率就可以相对降低，同时便于在有限的空间内安装。降噪组件7通过多个滑动轮6-4分别与上支撑环板6-1和下支撑旋转环板6-3滚动连接，上支撑环板6-1、下支撑环板6-2和下支撑旋转环板6-3分别为滑动轮6-4提供上、下限位和支撑，下支撑旋转环板6-3带动滑动轮6-4和降噪组件7共同围绕塔筒4的轴线旋转；降噪组件7通过螺栓连接7-64与滑动轮6-4连接。下支撑旋转环板6-3上有径向导向板6-31，与下支撑旋转环板6-3连接的滑动轮6-4沿下支撑旋转环板6-3上的径向导向板6-31做径向移动；与上支撑环板6-1连接的滑动轮6-4沿上支撑环板6-1的径向和周向移动，以改变降噪组件7与塔筒4的外壁之间的间距；降噪组件7与塔筒4之间的间距用变量X表示，X可以为任意实数，X满足公式(2)：

其中，c为空气中的声速，f为根据风力机的噪声频谱确定的最不利的声波频率。安装间距X满足或近似满足公式(1)时，频率为f的声波在穿透降噪组件7后到达塔筒4，然后被塔筒4反射或者衍射后再次穿过降噪组件7。例如，若要主要消除500Hz和1000Hz的噪声声波能量，可设定安装间隙分别为17cm和8.5cm。滑动轮6-4可跟随下支撑旋转环板6-3围绕塔筒4的轴线旋转，也可沿着下支撑旋转环板6-3的径向导向板6-31做径向运动，使得降噪组件7与塔筒4之间的安装间距X可以变动。根据不同风力机、不同控制策略的不同噪声频谱，调节安装间距X使得降噪组件7能够适应相应工况，进而发挥最大的降噪作用。滑动轮4的数目至少为3个，滑动轮6-4为降噪组件7提供支撑。下支撑旋转环板6-3的外边缘设有保护板6-7，安装组件6装配完毕后，保护板6-7罩住以下部件：下支撑环板6-2、推力轴承6-5和驱动电机6-6，起到了防雨防尘的效果。同时，下支撑环板6-2与下支撑旋转环板6-3形成了互锁，可以防止相互之间的大变形位移。

如图7～10所示，由于风力机塔筒4一般为锥形，因此，本实施例中，降噪组件展开后的形状为两个同心圆弧围成的扇形，其上弧线7-1的长度小于下弧线7-2的长度。降噪组件中的降噪材料表面具有孔洞8、突起9；降噪材料内部具有孔洞8和纤维10。孔洞8和突起9可以具有球形曲面，也可以为任意曲面；降噪材料的纤维10排布方式可以为单轴、双轴、三轴及任意多轴纤维交叉铺设。降噪材料的孔洞8和突起9可以具有不同的形状，也可以具有相同的形状；降噪材料的纤维10的铺设角度可以相同，也可以不同。降噪材料的孔洞8之间可以贯通，也可不相通。降噪材料具有一定的通气性。单位体积的降噪材料上的孔洞8、突起9和纤维10的数目为任意实数。降噪材料可由铝制纤维、陶瓷泡沫、沥青质与多种矿物粉等吸音颗粒复合而成。基于本发明的思路，使用其他降噪吸音材料来制造降噪装置都包含于本专利的权利要求范围。

塔筒4的高度一般为20-200m，塔筒下端直径为2-10m，塔筒4上端直径为0.5-4m。塔筒4可以为钢筒结构塔架，也可以为钢筋混凝土结构塔架，还可以为钢筋混凝土与钢筒结构混合式塔架以及桁架结构塔架。塔筒法兰4-2上的螺栓数量至少为6个，本实施例中塔筒法兰4-2上的螺栓为22个(如图5所示)，塔筒法兰4-2上的螺栓数量与塔筒4的载荷有关，需要进行计算校核。本实施例中，推力轴承6-5包括推力球轴承、推力圆柱滚子轴承等，但不限于推力轴承。其他能够承担轴向推力的轴承，例如，四点接触球轴承等也可用于本发明所述装置。

本发明同时提供一种风力机，包括机舱，机舱安装在塔筒上，塔筒上安装有前文所述的安装于风力机塔筒的降噪装置。降噪装置的顶部与机舱的底部距离为H/10～H/3；降噪装置的底部与塔筒的底部距离为H/10～H/3，其中，H为机舱底部高度，降噪装置以能覆盖塔筒受噪声影响的区域为准。另外，实施例中的降噪装置可以整体安装也可以采用分段式组合安装，具体安装方法需要综合塔筒高度、降噪材料的特性、施工环境等多种因素进行确定。

本发明通过在风力机塔筒上设置降噪装置，降低了叶片噪声的能量，减少了风力机塔筒对叶片噪声的反射，同时减少了由叶片噪声引发风力机塔筒振动产生的二次噪声；通过设置可转动的安装组件，使降噪组件可以围绕风力机塔筒的轴线旋转，可以根据风力机的运行情况调整降噪组件的方位，不需要用降噪组件整个包裹风力机塔筒，降低了降噪材料的使用量，减少了安装成本，同时降低了风力机塔筒的附加载荷；通过在风力机塔筒上设置降噪装置，减少了叶片噪声引发的风力机塔筒振动，降低了引发风力机塔筒共振的风险。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种安装于风力机塔筒的降噪装置，其特征是，包括降噪组件，所述降噪组件通过安装组件安装在所述塔筒上。

2.根据权利要求1所述的安装于风力机塔筒的降噪装置，其特征是，所述安装组件包括上支撑环板和下支撑环板，所述上支撑环板和所述下支撑环板分别通过螺栓与所述塔筒的安装法兰连接，所述下支撑环板上设有下支撑旋转环板，所述下支撑旋转环板与所述下支撑环板滑动连接，所述降噪组件安装在所述上支撑环板和所述下支撑旋转环板之间且所述降噪组件随所述下支撑旋转环板同步绕所述塔筒的轴线转动。

3.根据权利要求2所述的安装于风力机塔筒的降噪装置，其特征是，所述下支撑环板与所述下支撑旋转环板通过推力轴承连接。

4.根据权利要求2所述的安装于风力机塔筒的降噪装置，其特征是，所述下支撑环板上设有多个驱动电机，每个所述驱动电机通过齿轮啮合驱动所述下支撑旋转环板绕所述塔筒的轴线转动。

5.根据权利要求2所述的安装于风力机塔筒的降噪装置，其特征是，所述降噪组件通过多个滑动轮分别与所述上支撑环板和所述下支撑旋转环板滚动连接，所述下支撑旋转环板上设有径向导向板，与所述下支撑旋转环板连接的所述滑动轮沿所述径向导向板做径向移动；与所述上支撑环板连接的所述滑动轮沿所述上支撑环板的径向和周向移动。

6.根据权利要求1所述的安装于风力机塔筒的降噪装置，其特征是，所述降噪组件与所述塔筒的外壁的距离满足：

其中，X为降噪组件与塔筒的外壁的距离，c为空气中的声速，f为根据风力机的噪声频谱确定的最不利的声波频率。

7.根据权利要求1所述的安装于风力机塔筒的降噪装置，其特征是，所述降噪组件包括降噪材料，所述降噪材料表面具有孔洞和突起，所述降噪材料内部具有孔洞和纤维且所述降噪材料具有通气性。

8.根据权利要求7所述的安装于风力机塔筒的降噪装置，其特征是，所述塔筒包括钢筒结构塔架、钢筋混凝土塔架、钢筋混凝土-钢筒混合塔架和桁架结构塔架。

9.一种风力机，其特征是，包括机舱，所述机舱安装在塔筒上，所述塔筒上安装有权利要求1～9任一项所述的安装于风力机塔筒的降噪装置。

10.根据权利要求9所述的风力机，其特征是，所述降噪装置的顶部与所述机舱的底部距离为H/10～H/3；所述降噪装置的底部与所述塔筒的底部距离为H/10～H/3，其中，H为机舱底部高度。

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