减振降噪材料在风力发电领域的应用

减振降噪功能材料在风力发电机舱内的应用研究谭亮红邓凯桓（株洲时代新材料科技股份有限公司湖南株洲412007）摘要：本文根据风力发电机机舱内部的振动噪声源以及其频谱特性,选择合适的减振降噪功能材料，制定减振降噪方案，对风力发电机的机舱进行降噪处理，最后对减振降噪方案的效果进行测试评估。结果显示应用合适的减振降噪功能材料对风力发电机舱内的噪声有很好的降噪效果。关键词：风力发电机舱弹性支撑元件阻尼隔声材料吸声材料减振降噪前言随着全球能源的紧张和人们环保意识的提高，低碳生活成为社会倡导的主流方向，风力能源作为一种新型能源已经迅速被人们利用。随着风力发电的发展，风力发电机功率不断增大，并且风电场由偏远地区靠近繁华地区，所以风力发电机带来的噪声也是各生产厂家急需解决的问题。减振降噪阻尼材料作为一种功能材料，在减振降噪领域使用非常广泛，但是其使用的合理性，如何提高其性价比，发挥其最好的功能是值得研究的问题。本文从某风场某型号的风力发电机组的机舱（见图1）减振降噪治理方法为例，研究了如何根据实际减振降噪处理对象选择减振降噪材料的方法。以供各风力发电机主机制造厂家和配件制造厂家参考。图1风力发电机舱示意图1.发电机外机舱的噪声特性31.5631252505001k2k4k8k[Hz]4045505560657075808590[dB(A)/20uPa]C5CPBAnalyzerMaxYValuesMaxY:91.45dB(A)/20uPaReferenceCursorX:125HzY:69.07dB(A)/20uPaCursorvaluesX:3.15kHzY:74.67dB(A)/20uPaNoiseA图2某风场600KW风力发电机机舱内部噪声1/3倍频程频谱曲线备注：测试设备使用的是丹麦的B&K公司生产的7655型，16通道振动测试仪从图3噪声频谱图上可以看出，机舱内的噪声频率范围较宽，但主要还是集中在200HZ-3.15KHZ的中高频率段，在中心频率400HZ、630HZ和1600HZ三个频率段存在较大峰值，所以在机舱的噪声控制中尤其重视这段频段的控制。从贺才春[1]等人对风力发电机的噪声源分析来看，机舱内的噪声主要来源发电机的齿轮转动，轴承转动，机舱壳体以及其它部件产生的振动等。从噪声产生的原理来讲，一方面是噪声源产生的噪声在空间的传播，另一方面是由于部件运转的强烈振动产生的噪声。根据风力发电机整机的结构，对风力发电机组的后期振动噪声处理只能通过减振，隔声和吸声来降低噪声的传播。所以风力发电机舱噪声的治理方案和材料的选择必须根据机舱的结构特点，噪声产生原理及其频谱特性为指导。2.发电机机舱的噪声治理方案通过对风力发电机机舱内噪声的频普特性和噪声产生的原理分析。我们初步设计了机舱内的治理方案，首先在发电机和齿轮箱的支座下使用减振支座，其次在机舱内壁上帖上阻尼材料来减少机舱壳的振动产生的噪声，同时起到对齿轮转动和轴承转动产生的噪声的隔声作用，减少噪声向舱外传播；最后在机舱壳体的阻尼材料上再粘贴一层多孔材料来吸声，减少机舱内噪声的反射传播。通过这样的阻尼隔声材料，多孔吸声材料以及弹性减振元件复合使用来对机舱内进行减振降噪处理。下面介绍该方案中各种材料性能情况。2.3弹性支撑元件根据发动机舱内振动噪声来源分析，齿轮箱、发电机及其他传动装置产生的噪声是舱内的主要振动和噪声源。所以首先降低隔离和降低发动机组运转过程中振动的传递，在发动机组和齿轮箱之间，以及装配机组平台与机罩之家增加弹性支撑元件，为保持其稳定性和避免共振，弹性支撑元件的刚度与发动机组需要的刚度匹配，各产品的示意图如3。图3（a）齿轮箱减振支座产品实物使用照片图3（b）发动机减振支座产品实物使用照片图3（c）机舱罩弹性支座产品实物照片2.2阻尼隔声材料利用阻尼材料的阻尼减振降噪技术是有效的控制振动和降低噪声的方法之一，它是利用高分子材料的粘弹性性将机械振动和声振动的能量转变成热能耗散掉，从而达到减振降噪的目的[2]，要想达到良好的减振降噪效果，必须选择在一定的温度，一定的频率范围内具有良好阻尼性能的宽温域，宽频带，高内耗的阻尼材料。评价阻尼材料的阻尼性能通常使用阻尼系数表示，阻尼系数越大，消耗能量的能力越高。高分子材料处在玻璃化转变区域时，阻尼系数呈现峰形，耗散能量最高，此时可呈现有效的减振降噪阻尼材料，所以我们选择阻尼材料的原则是阻尼材料的玻璃化转变温度必须在减振降噪使用环境温度区域，转变温域越宽越好。本文从对高性能水性阻尼涂料和制振阻尼垫两种阻尼隔声材料进行了阻尼性能和隔声性能的测试，结果如图2。图4(a)两种样品的阻尼性能曲线1015202530350100020003000400050006000频率/Hz隔声量/dB图4(b)两种样品的隔声量曲线备注：1#为阻尼制振垫；2#为高性能水性阻尼涂料，图2（a）试验设备是使用美国TA司生产的DMTAⅣ动态热机械分析仪，样品尺寸为宽6mm，厚为3.0mm，振动频率10HZ,变形模式为单悬臂弯曲试验；图2(b)试验设备是使用丹麦的B&K公司生产的pulse系统，声学材料测试仪，样品尺寸为ф=39mm，厚为3.5mm从图4(a)两种样品的阻尼性能的曲线图可见，2#样品在10℃-+38℃的这段温度区域内的阻尼系数要比1#样品的阻尼系数高，而其它温度区域1#样品要比2#样品高，从一般的使用使用条件来说，材料的使用温度都是在常温附近，而对于发电机来说，由于发电机的长时间运转，机器本身的各部件会发热，而使发电机舱内的气温有所上升，一般温度都在50℃附近。从图4(b)图可见，在低于3000HZ时，1#样品的隔声量大于25dB,2#样品隔声量小于25dB,1#样品的隔声量大于2#样品的隔声量，这段频率范围在风力发电机机舱的噪声频率范围内。所以对于风力发电机的舱内的阻尼隔声材料选择在50℃附近的阻尼系数比较高，3000HZ频率范围内的隔声量高的1#阻尼制振垫比较合适。2.3吸声材料吸声材料多为多孔材料，它是具有许多微小的间隙和相互连通的开口孔洞，而且内外相通。当声波进入多孔材料的内部时，引起孔内的空气振动，使声波与孔壁产生摩擦，紧靠孔壁和纤维壁的空气由于摩擦而不易振动，由于摩擦和粘滞力的作用，一部分声能转化为热能而耗散掉，从而使声波衰减，减弱声波的反射而达到吸声的效果。吸声材料吸声效果的好坏是通过吸声系数的高低来评价的。吸声系数是指声波在物体表面反射时，其能量被吸收的百分率，吸声系数一般用α表示，α越大，吸声性能越好。000RAEEEEE-60.0-40.0-20.00.020.040.060.080.0100.0120.00.00.10.20.30.40.5Temp[°C]tan_delta(bI)[]1#2#式中：E0—吸收的能量；EA—入射的总能量；ER—反射的能量本文对四种多孔材料进行了吸声系数的测定，试验结果如图3。图5S1，S2，S3，S4四种发泡材料的吸声曲线图备注：上述试验设备是使用丹麦的B&K公司生产的pulse系统，声学材料测试仪，样品尺寸为ф=39mm，厚为30mm从图5可见，S1在400HZ吸声系数最高，在630HZ与S2的吸声系数接近，在1600HZ吸声系数达到9.5，处于四种材料中最高值，而其它三种发泡材料的吸声系数在上述频率段不及S1的吸声系数高，结合S1，S2，S3和S4四种样品的吸声系数和机舱内噪声的频谱特性，选择S1多孔材料作为发电机机舱的吸声材料比较合适。3.发电机机舱的减振降噪评估按照发电机舱的噪声治理方案，将经过选好的1#阻尼隔声材料粘贴在机舱的内壁，然后再将选好的S1吸声材料粘贴在1#隔声材料的表面。对进行上述噪声处理后的发电机舱进行噪声测试，测试结果见表1。表1机舱在减振降噪处理前后各测点的噪声总声压级（单位：dB(A)）名称A测试点B测试点C测试点机舱噪声处理前91.591.793.9机舱噪声处理后85.585.986.7噪声降低值6.05.87.2从表1风力发电机机舱减振降噪治理前后的噪声测试结果来看，机舱经过处理后，噪声下降比较明显，下降最大值达到7.2dB。4.结束语针对风力发电机机舱内的结构特性和噪声频谱特性，按照设计合理的减振降噪方案，科学选择减振降噪降噪材料，使风力发电机舱内的噪声得到明显下降，为减振降噪功能材料在风力发电领域的应用提供了依据。为了减振减振降噪功能材料在风力发电领域得到更好的应用，笔者认为采取以下的步骤对进行系统的研究：1）首先对于需做减振降噪处理的对象做噪声和振动的频谱特性分析；2）根据治理对象结构和外型特点等实际情况，设计减振降噪方案；3）结合振动和噪声的频谱特性和减振降噪方案，选择减振降噪材料和产品；4）采取减振降噪措施后,最好进行现场减振降噪测试评估。参考文献：[1]贺才春，谭亮红，刘新宇，.风力发电机组的噪声控制，风力发电，2006，（3）：4-9[2]赵稼祥，阻尼材料和技术应用，国防科技报告，1991.