結(jié)合SEA與FE的海上風(fēng)電平臺低噪音污染設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

中圖分類號：X707

文章編號：1674-6139（2025）05-0037-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Low Noise Pollution Design and Application of Offshore WindPowerPlatforms Combining SEA and FE

Zhang Xianfeng，ShiHongkui，Zhao Xiong，WangWubin（China Three Gorges Corporation，Wuhan 430O14，China）

Abstract：Thenoisepolutiongeneratedbyofshorewindpowerplatformsnotonlyafectsthesurrounding marineecologicalenviron ment，butmayalsointerferewiththelivesandworkofnearbyresidents.Inresponsetotissiuation，alownoisepolutiodesigand applicationresearchforofshorewindpowerplatformscombiningSEAandFEwillbeconducted.Takingacertainofshorewindpower platformasanexample，theFE-SEAhybridmethodisusedforumericalsimulationtoobtainthenoisepresurelevelsofvariousfre quencybands.Foreachtypeofnoisesource，diferentmethodsareusedforlowoisedesigntoachievenoisereduction.Thenoisedata beforeandafteroptimizationwerecomparedtoverifythenoisereductionefect.Theresultsshowthatnoiseeductionmeasureseduced sound pressure levels significantlyat all points，demonstrating their effectiveness.

Keywords：SEA；FE；low noise pollution design；sound pressure level

前言

隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮娜找嬖鲩L，海上風(fēng)電作為重要的可再生能源之一，開發(fā)規(guī)模迅速擴(kuò)大[]。然而，伴隨而來的噪音污染問題日益凸顯，成為制約行業(yè)深入發(fā)展的關(guān)鍵因素。海上風(fēng)電平臺在強(qiáng)勁海風(fēng)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高速旋轉(zhuǎn)、齒輪箱的精密嚙合以及發(fā)電機(jī)的高效運(yùn)作，共同構(gòu)成了復(fù)雜的噪音源。這些噪音不僅穿透力強(qiáng)、傳播范圍廣，還可能對敏感的海洋生態(tài)系統(tǒng)造成壓力，影響生物棲息與繁殖，同時(shí)也對沿岸居民的生活質(zhì)量構(gòu)成潛在威脅，降低公眾對風(fēng)電項(xiàng)目的支持度[2]

因此，深入研究并實(shí)踐海上風(fēng)電平臺的低噪音設(shè)計(jì)，已成為推動(dòng)行業(yè)綠色、和諧發(fā)展的關(guān)鍵舉措。研究創(chuàng)新性地融合了SEA與FE兩種方法，旨在更全面地捕捉和預(yù)測海上風(fēng)電平臺噪音的產(chǎn)生、傳播與影響機(jī)制。借助先進(jìn)的高精度建模與仿真技術(shù)，文章能夠細(xì)致入微地預(yù)測和評估海上風(fēng)電平臺的噪音污染水平，確保數(shù)據(jù)的精確性與可靠性?；诖?，文章設(shè)計(jì)出一系列高效低噪音的解決方案，不僅深入探索材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與減震降噪等硬件層面的優(yōu)化策略，還巧妙融合智能運(yùn)維策略與實(shí)時(shí)監(jiān)測體系等軟件支持，全面提升環(huán)保效能的同時(shí)為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

1 研究對象

海上風(fēng)電平臺利用海上風(fēng)能發(fā)電，集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、電纜、基礎(chǔ)及監(jiān)控維護(hù)設(shè)備于一體，轉(zhuǎn)化風(fēng)能至電能供陸地使用。以某海上風(fēng)電平臺為例，進(jìn)行結(jié)合SEA與FE的海上風(fēng)電平臺低噪音污染設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。該海上風(fēng)電平臺坐落于中國某東部沿海平臺裝機(jī)數(shù)十萬千瓦，雖滿足清潔能源需求，但噪音問題凸顯。為減少海洋生態(tài)及居民影響，低噪音污染設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究至關(guān)重要。

2 研究方法

2.1海上風(fēng)電平臺噪聲污染分析方法

FE-SEA混合法是一種結(jié)合FE與SEA的方法，用于解決復(fù)雜的振動(dòng)與噪聲問題[3]。FE－SEA混合法靈活界定低頻與高頻界限，通過耦合技術(shù)連接FE與SEA模型，實(shí)現(xiàn)全頻段振動(dòng)噪聲連續(xù)分析，提升效率與準(zhǔn)確性。針對風(fēng)電平臺噪音，先以FE法精確模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等關(guān)鍵部件的振動(dòng)聲學(xué)特性，再運(yùn)用SEA法預(yù)測平臺整體噪音，考慮能量傳遞與損耗，實(shí)現(xiàn)低噪音設(shè)計(jì)，具體過程如下：

步驟1：建立研究對象——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件的幾何模型。

步驟2：有限元分析（FEA）的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的主要目的是將模型分成許多小的單元。通過合理的網(wǎng)格劃分，可以更精確地捕捉到物理量的變化，從而提高計(jì)算精度[4]。在網(wǎng)格劃分過程中，需要考慮分析需求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來定義合適的網(wǎng)格大小。在關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)使用較小的網(wǎng)格尺寸以捕捉細(xì)節(jié)；而在非關(guān)鍵區(qū)域，可以使用較大的網(wǎng)格以減少計(jì)算量[5]。這種策略有助于提高計(jì)算效率。

步驟3：材料屬性定義：材料屬性直接決定了結(jié)構(gòu)在受到外部載荷時(shí)的響應(yīng)方式，進(jìn)而影響整個(gè)平臺的安全性、穩(wěn)定性和耐久性。因此，對于每一個(gè)組成海上風(fēng)電平臺的部件，都需要根據(jù)所使用的具體材料來定義其屬性[6]。具體見表1。

步驟4：邊界條件設(shè)置。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件的實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。具體如下：

（1）在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬中，進(jìn)口設(shè)速度流入模擬風(fēng)速，出口為壓力出口模擬風(fēng)壓變化，葉片邊界條件考慮旋轉(zhuǎn)與受力，設(shè)為動(dòng)邊界條件，以捕捉風(fēng)能轉(zhuǎn)化。

（2）齒輪箱：齒輪與軸承接觸面應(yīng)設(shè)接觸/摩擦邊界條件模擬相互作用；箱體壁面設(shè)無滑移邊界條件模擬流體約束;若含潤滑油，還需考慮油液流動(dòng)邊界條件，如油流速度、壓力等。

（3）發(fā)電機(jī)：轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙：應(yīng)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)邊界條件，以模擬轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。冷卻系統(tǒng)：如果發(fā)電機(jī)有冷卻系統(tǒng)，需要設(shè)置冷卻介質(zhì)的入口和出口邊界條件，以確保冷卻效果模擬的準(zhǔn)確性。

步驟5：將有限元模型劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)代表一個(gè)統(tǒng)計(jì)能量分析單元，建立子系統(tǒng)的能量平衡方程，即

式（1）中， B_i 為子系統(tǒng) i 的內(nèi)損耗因子， E_i 為子系統(tǒng) i 的輸入功率； F_i 為外部對子系統(tǒng) i 輸入的總功率； B_ij 為SEA子系統(tǒng) i 和 j 的耦合損耗因子； d_i?d_j 為統(tǒng)計(jì)能量響應(yīng)； D_i?D_j 為子系統(tǒng)的模態(tài)密度； B_dj 為FE子系統(tǒng)部分和SEA子系統(tǒng)間的耦合損耗因子；A為振動(dòng)圓頻率； m 為子系統(tǒng)數(shù)量。

步驟6：確定SEA模型主要參數(shù)。

模態(tài)密度是統(tǒng)計(jì)能量分析中描述子系統(tǒng)在特定頻率范圍內(nèi)模態(tài)數(shù)量的重要參數(shù)。

式（2）中， D 為模態(tài)密度； G（w） 為模態(tài)數(shù)量； w 為頻率。

內(nèi)部損耗因子描述了子系統(tǒng)內(nèi)部能量耗散的能力。

B_i=b₁+b₂+b₃

式（3）中， b₁，b₂，b₃ 為材料內(nèi)摩擦阻尼、振動(dòng)聲輻射阻尼和邊界連接阻尼。

耦合損耗因子描述了子系統(tǒng)之間能量傳遞的效率。

式（4）中，為耦合線的長度； C 為彎曲波速； o 為頻帶的中心頻率； M_i 為子系統(tǒng) i 的表面積； H_ij 為子系統(tǒng) i 和 j 之間波傳播系數(shù)。

步驟7：在VAONE軟件中，將有限元分析模型和統(tǒng)計(jì)能量分析模型進(jìn)行耦合。

步驟8：噪聲激勵(lì)載荷源自風(fēng)載荷振動(dòng)、海浪噪聲、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)與噪聲，及平臺結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)，作用于海上風(fēng)電平臺FE－SEA模型，引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這些噪聲激勵(lì)會(huì)通過空氣或結(jié)構(gòu)傳播，對風(fēng)電平臺的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響。針對這些噪聲激勵(lì)，設(shè)置合適的激勵(lì)載荷。

步驟9：將計(jì)算頻域范圍設(shè)置成 100～1000Hz ，求解能量平衡方程，經(jīng)計(jì)算得到各個(gè)頻段的噪聲聲壓級。然后，將計(jì)算得到的聲壓級結(jié)果進(jìn)行整理和分析，繪制出頻域范圍內(nèi)的聲壓級分布圖。這有助于直觀地了解平臺在不同頻段下的噪聲分布和能量傳遞情況[7]。

經(jīng)過上述過程，完成基于SEA與FE的海上風(fēng)電平臺噪聲污染分析方法研究。

2.2 噪聲污染結(jié)果與分析

求解能量平衡方程，得到各子系統(tǒng)的能量響應(yīng)，結(jié)果見圖1。

從圖1中可以看出海上風(fēng)電平臺在不同頻率下的噪聲水平。通過觀察圖上的趨勢，可以了解哪些頻率下的噪聲更為顯著，這對于后續(xù)的噪聲控制和優(yōu)化至關(guān)重要。

3海上風(fēng)電平臺低噪音污染優(yōu)化

基于上述分析的噪聲分析，進(jìn)行海上風(fēng)電平臺低噪音污染設(shè)計(jì)的研究。針對每種噪聲源，采用不同的方式進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。具體見圖2。

下面針對這些低噪音裝置進(jìn)行具體分析。

齒輪箱和發(fā)電機(jī)主要噪聲污染源主要包括齒輪嚙合、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)等。為減少這些噪聲，安裝隔振裝置是一種有效的措施。隔振裝置是一種用于隔離振動(dòng)、震動(dòng)等干擾信號的設(shè)備。主要的工作原理是利用隔振材料的減振效果以及撐桿和支撐結(jié)構(gòu)的形變能量來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的隔離。橡膠隔振器以其高彈性和黏彈性有效吸收齒輪箱振動(dòng)，轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)，保護(hù)設(shè)備并減少環(huán)境振動(dòng)影響。而發(fā)電機(jī)降噪則選用彈簧隔振器，利用彈性結(jié)構(gòu)吸收振動(dòng)能量，減少振動(dòng)傳遞，需根據(jù)發(fā)電機(jī)特性選型，并確保安裝牢固，定期檢查維護(hù)。

風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要噪聲源之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲主要源于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)噪音、發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)聲及塔身結(jié)構(gòu)影響。針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲，采用消音器進(jìn)行降噪。消聲器由管道和消聲單元構(gòu)成。海上風(fēng)電平臺多選用反射式消聲器，安裝于機(jī)組進(jìn)、出風(fēng)口，通過渦流與湍流效應(yīng)減弱噪音，安裝時(shí)需確保連接緊密無泄漏，以保障降噪效果。

4 應(yīng)用效果分析

在平臺上周圍選取10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，并布置聲級計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測噪聲水平，評估低噪音污染設(shè)計(jì)的效果。聲級計(jì)是測量聲音強(qiáng)度的常用儀器，廣泛應(yīng)用于環(huán)境噪聲監(jiān)測、工業(yè)噪聲控制、交通噪聲監(jiān)測等領(lǐng)域。聲級計(jì)的工作原理可以概括為：聲級計(jì)內(nèi)部裝有一個(gè)音頻傳感器，可以感知周圍環(huán)境中的聲波，當(dāng)聲波通過傳感器時(shí)，會(huì)引起傳感器內(nèi)部的震動(dòng)。傳感器（壓電或磁電材料）將聲波轉(zhuǎn)為電壓，電信號經(jīng)放大器放大后，通過濾波器濾除雜頻，最后聲級計(jì)將純凈信號轉(zhuǎn)換為分貝值，聲壓級依特定公式計(jì)算。聲壓級的計(jì)算公式為式（5）：

其中， P 是聲壓， P₀ 是標(biāo)準(zhǔn)參考值（一般為20微帕）； Y 是聲壓級。

通過對比優(yōu)化前后的噪聲數(shù)據(jù)，驗(yàn)證降噪效果。結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的降噪前聲壓級普遍較高，而經(jīng)過降噪措施后，聲壓級得到了顯著的降低，說明降噪工作取得了一定的成果。

5 結(jié)束語

隨著全球能源需求的持續(xù)增長與環(huán)境保護(hù)意識的普遍提升，海上風(fēng)電平臺的設(shè)計(jì)正積極向低噪音污染方向邁進(jìn)。在這一背景下，科研人員巧妙融合SEA與FE兩大技術(shù)，對海上風(fēng)電平臺的噪聲問題進(jìn)行深入剖析，精準(zhǔn)繪制出各關(guān)鍵區(qū)域的聲壓級分布圖。通過高度仿真的多頻振動(dòng)與噪聲傳播模擬，不僅揭示了平臺各部件的噪聲特性及其隨頻率變化的規(guī)律，還深入探究了噪聲在平臺結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳播路徑與衰減機(jī)制。針對識別出的各異源噪聲，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了三種高效降噪策略，并成功應(yīng)用于實(shí)踐中，顯著降低了平臺運(yùn)行時(shí)的噪音污染，有效保護(hù)了周邊海洋生態(tài)環(huán)境。這一系列研究成果為海上風(fēng)電平臺的低噪音設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

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