文献原创 兆瓦级风电发电机冷却系统噪声控制

风力发电作为二十世纪的绿色新能源，近年得到了大力的推广。因此目前已有大量风机建设在国内居民区；同时在国外而言，随着分立式风机的发展，当前风机运行时所产生的噪声污染已成为风机建设时需要重点考虑的因素。风电噪声一般包括叶片扫风噪声、发电机噪声以及冷却系统噪声^[1,2]。其中风机叶片噪声主要是通过设计相应的翼型结构，来降低叶片旋转时产生的噪声；而风机冷却系统噪声则主要依靠设计冷却风扇的消声器^[3]或采用声屏障降噪。然而对于风电发电机而言，其噪声主要是结构噪声，并存在一定的声振耦合情况。同时由于发电机结构庞大，通过修改结构模型或者单纯增加阻尼的方法，一方面需要考虑发电机实际运行时的结构限制和安全运行等因素，同时还需要考虑降噪空间的可行性。国内目前尚无在风电发电机噪声控制方面的详细报道。同时发电机运行时的噪声具有音调特征，更加使人难以接受^[4,5]。

本文首次系统的研究了兆瓦级风电发电机噪声的产生机理，研究设计了减振降噪方案，并通过一台实际机型，开展了噪声控制方案的实施和评价，结果显示相比原发电机的主要噪声从96dB(A)降低到83.4dB(A)，取得了良好的效果。

1 直驱发电机噪声产生机理和声源特性

1.1 发电机噪声产生机理和噪声特性

直驱永磁式风力发电机的结构是由定子铁芯，定子绕组，转子加外面的端盖、转轴、轴承、底座和机架构成的。发电机的噪声主要包括：旋转机械噪声、电磁噪声和通风噪声。在大型发电机中，又以电磁噪声为主。电磁噪声属于机械性噪声，由于交变磁场对定子和转子作用产生周期性的交变力，引起振动产生的。这个交变力与磁通密度的平方成正比。切向矢量形成的转矩有助于转子的转动，而径向分量则引起噪声。噪声频率与电源频率有关，电机的电磁振动一般在100-4kHz范围内。其频率f为^[6]：

                   (1)

式中：i为自然数、n为转速、R为转子或定子槽数。

式(1)表明，发电机噪声的频谱将带有明显的音调特性，其频率正比于槽数和转速。

1.2 发电机噪声频谱特性

图1为该发电机的实物图，图2为该发电机在试验台架上的升速时的噪声频谱特性。试验时将发电机转速从13.6转升速到16转每秒以0.2转每秒为间隔进行提升，每个转速下的测试时间为2s。

从图中可以看到，该发电机噪声存在两个明显的单频音调特性。由于该发电机转子槽数为576，这两个音调频率f₁和f₂存在如下关系：

      (2)

同时从图2可以看到，在现有13.6转升速到16.8转，声压在两个转速下存在较大幅值，其分别是当转速为14.2转时，频率为273Hz时，声压级为96dB(A)，由式(2)可知，这对应于二阶信号；当转速为14.6转时，频率为141Hz时，声压级为86.6dB(A)，这对应于一阶信号。因此该发电机的主要降噪目标是改善发电机在转速14.2时，频率在273Hz处的音调噪音。

图1 风电发电机

Fig.1 Wind Power Generator

图2发电机在13.6-16.8转测时的声场

Fig2 The acoustic field of wind generator at rotating speed from 13.6 to 16.8 circles/min

1.3 发电机的结构共振与声空腔共振耦合

进一步对图1中发电机的转子（A位置）进行模态试验，其结果如图3所示。

图3. 发电机转子模态试验

Fig.3 Modal testing for generator rotor

从图3可以看到，在273Hz时，发电机转子存在较为明显的模态共振。由于该转子是由5cm厚的铁环组成，同时该共振出现在发电机升速过程中，因此采用对发电机进行局部加强的方式，很难在该转子整个旋转范围内避开共振。同时考虑该发电机转子虽然在273Hz存在一定的结构共振，但由于发电机是由5cm厚的钢铁组成，因此在该频率点或许还存在其他一些声振耦合现象，使得噪声在273Hz处存在非常明显的音调噪声。

同时由发电机厂家提供信息，在图1所示的发电机机型中，它的转子表面附加了一圈加强筋，而该加强筋内部为空腔。而与该机型相似但未加图中加强筋的其他转子的音调噪声并不明显。因此有可能是由于该空腔内的声模态导致发电机在273Hz的音调噪声突出。为此我们抽取图1中B位置处的加强筋，对其进行了声模态计算。图4为该空腔275Hz处的声模态。

图4 转子加强筋内部在275Hz处的声模态

Fig.4 The acoustic mode of in the stiffener

因此发电机在273Hz处的音调噪声的形成原因就是由于发电机转子的结构共振频率与转子外加强筋空腔的声模态频率存在较为明显的耦合。

1.4 发电机噪声传递途径

图5为该发电机内部剖面结构。从图中可以清楚看到，激励源是由于电机转子与定子作用的旋转和电磁激励，在转速为14.6转/分时激起了转子壁板与转子加强筋空腔内的声模态共振引起的。进一步结合图5所示的电机内部剖面图，可以看到，该噪声主要通过三条途径传递过来。首先是在转子与定子之间两端分别有一小孔隙，噪声从这两个小孔隙A和B处泄露出来；第三条途径则是直接通过加强筋C处向外辐射。

图5 发电机噪声传递途径

Fig.5 Noise transfer path analysis of the generator

为了进一步确定该发电机的噪声源传递路径，我们采用中科院声学所研发的64通道螺旋声相仪对发电机进行声源定位，其结果如图6所示。从图中可以明显看到，声源主要是从该电机的两端以及加强筋处辐射出来。

图6 声相仪对发电机声源识别结果

Fig.6 Noise identification for the generator

2. 噪声控制方案和降噪效果评价

2.1 噪声控制方案

由前面的分析可知，由于发电机结构非常复杂，同时由于发电机是在升速过程中出现结构共振，因此难以直接对发电机采用加强的方式来壁面结构共振。结合该电机的结构，最有效的办法则是在图5所示的加强筋空腔内安装吸声材料，以避免加强筋内空腔声模态。从而减小图5中C处的直接向外辐射噪声。同时对于图5所示的噪声源传递路径A和B，则在确保电机平稳运行的前提下，尽可能采取一些噪声控制手段。由于B处空间位置非常有限，同时B处的还需要满足通风散热的实际需求，因此在B处没有降噪空间。比较可行的是在A处开展。由于在实际运行中，A处的定子围板材质较轻，振动非常厉害。因此我们在A处定子围板处首先安装阻尼材料，并在该围板两端都安装吸声材料，以吸收空腔A处的噪声和由B处沿散热通道传递过来的噪声。考虑到材料需具有轻便和方便安装等实际限制，因此加强筋内部和围板两侧选用的吸声材料为50mm厚的海绵。图7为该吸声海绵的吸声性能，它在273Hz处的吸声系数（阻抗管测试）为0.6。阻尼材料选用橡胶基阻尼材料，其损耗因子在0.6左右。

图7 选用的50mm厚海绵吸声性能

Fig.7 Sound absorption performance for sponge

2.2 降噪效果评估

将上述降噪方案进行实际安装，图8为转子加强筋内部安装吸声材料的现场图。即先将加强筋切开多个小孔，再将海绵塞入其内部再焊接好孔隙。

图8 加强筋内安装海绵吸声材料

Fig.8   The spomge inserted in the stiffener cavity

图9 定子围板处安装阻尼和吸声材料

Fig.9 The coaming attatched with damping and absober

图9为在发电机定子围板处安装阻尼和吸声材料的实际情况。

图10 噪声控制的实际评估

Fig.10 Noise Control effect evaluation

对同一发电机在实施降噪方案前后的效果进行了对比评估。图10为评估现场，评估的传声器位置固定在距离发电机转子外表面1米，高1米的位置处。在本底噪声较低时，以方案实施前后的声压级差作为本次降噪效果的评价值，以降低因环境因素导致的测试背景噪声和环境噪声修正的影响。结果显示相比原发电机，其273Hz处的噪声从96dB(A)降低到83.4dB(A)，取得了良好的效果。

3. 结论

本文针对兆瓦级风电发电机在升速过程中出现的音调噪声，分析音调噪声的声源产生机理和传递路径。基于风电发电机的实际结构，制定了降噪方案并开展了实施验证。该电机由之前的96 dB(A)降低到83.4 dB(A)，取得了良好的效果。

参考文献

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ZHOU Xinxiang. Noise control and its appliacation. Ocean press. 1999

本文引自　《噪声与振动控制》   2015第4期　98-100