結合SEA與FE的海上風電平臺低噪音污染設計及應用研究

中圖分類號：X707

文章編號：1674-6139（2025）05-0037-05

文獻標志碼：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

隨著全球對清潔能源需求的日益增長，海上風電作為重要的可再生能源之一，開發規模迅速擴大[]。然而，伴隨而來的噪音污染問題日益凸顯，成為制約行業深入發展的關鍵因素。海上風電平臺在強勁海風中運轉時，風力發電機組的高速旋轉、齒輪箱的精密嚙合以及發電機的高效運作，共同構成了復雜的噪音源。這些噪音不僅穿透力強、傳播范圍廣，還可能對敏感的海洋生態系統造成壓力，影響生物棲息與繁殖，同時也對沿岸居民的生活質量構成潛在威脅，降低公眾對風電項目的支持度[2]

因此，深入研究并實踐海上風電平臺的低噪音設計，已成為推動行業綠色、和諧發展的關鍵舉措。研究創新性地融合了SEA與FE兩種方法，旨在更全面地捕捉和預測海上風電平臺噪音的產生、傳播與影響機制。借助先進的高精度建模與仿真技術，文章能夠細致入微地預測和評估海上風電平臺的噪音污染水平，確保數據的精確性與可靠性。基于此，文章設計出一系列高效低噪音的解決方案，不僅深入探索材料創新、結構優化與減震降噪等硬件層面的優化策略，還巧妙融合智能運維策略與實時監測體系等軟件支持，全面提升環保效能的同時為風電產業的可持續發展注入強勁動力。

1 研究對象

海上風電平臺利用海上風能發電，集風力發電機組、電纜、基礎及監控維護設備于一體，轉化風能至電能供陸地使用。以某海上風電平臺為例，進行結合SEA與FE的海上風電平臺低噪音污染設計及應用研究。該海上風電平臺坐落于中國某東部沿海平臺裝機數十萬千瓦，雖滿足清潔能源需求，但噪音問題凸顯。為減少海洋生態及居民影響，低噪音污染設計及應用研究至關重要。

2 研究方法

2.1海上風電平臺噪聲污染分析方法

FE-SEA混合法是一種結合FE與SEA的方法，用于解決復雜的振動與噪聲問題[3]。FE－SEA混合法靈活界定低頻與高頻界限，通過耦合技術連接FE與SEA模型，實現全頻段振動噪聲連續分析，提升效率與準確性。針對風電平臺噪音，先以FE法精確模擬風力發電機組等關鍵部件的振動聲學特性，再運用SEA法預測平臺整體噪音，考慮能量傳遞與損耗，實現低噪音設計，具體過程如下：

步驟1：建立研究對象——風力發電機組、齒輪箱、發電機等關鍵部件的幾何模型。

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

步驟3：材料屬性定義：材料屬性直接決定了結構在受到外部載荷時的響應方式，進而影響整個平臺的安全性、穩定性和耐久性。因此，對于每一個組成海上風電平臺的部件，都需要根據所使用的具體材料來定義其屬性[6]。具體見表1。

步驟4：邊界條件設置。根據風力發電機組、齒輪箱、發電機等部件的實際運行情況，設置適當的邊界條件。具體如下：

（1）在風力發電機組模擬中，進口設速度流入模擬風速，出口為壓力出口模擬風壓變化，葉片邊界條件考慮旋轉與受力，設為動邊界條件，以捕捉風能轉化。

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

（3）發電機：轉子與定子之間的氣隙：應設置為旋轉邊界條件，以模擬轉子的旋轉運動。冷卻系統：如果發電機有冷卻系統，需要設置冷卻介質的入口和出口邊界條件，以確保冷卻效果模擬的準確性。

步驟5：將有限元模型劃分為若干個子系統，每個子系統代表一個統計能量分析單元，建立子系統的能量平衡方程，即

式（1）中， B_i 為子系統 i 的內損耗因子， E_i 為子系統 i 的輸入功率； F_i 為外部對子系統 i 輸入的總功率； B_ij 為SEA子系統 i 和 j 的耦合損耗因子； d_i?d_j 為統計能量響應； D_i?D_j 為子系統的模態密度； B_dj 為FE子系統部分和SEA子系統間的耦合損耗因子；A為振動圓頻率； m 為子系統數量。

步驟6：確定SEA模型主要參數。

模態密度是統計能量分析中描述子系統在特定頻率范圍內模態數量的重要參數。

式（2）中， D 為模態密度； G（w） 為模態數量； w 為頻率。

內部損耗因子描述了子系統內部能量耗散的能力。

B_i=b₁+b₂+b₃

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

耦合損耗因子描述了子系統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 i 的表面積； H_ij 為子系統 i 和 j 之間波傳播系數。

步驟7：在VAONE軟件中，將有限元分析模型和統計能量分析模型進行耦合。

步驟8：噪聲激勵載荷源自風載荷振動、海浪噪聲、機械設備運行振動與噪聲，及平臺結構環境振動，作用于海上風電平臺FE－SEA模型，引發結構振動與動態響應。這些噪聲激勵會通過空氣或結構傳播，對風電平臺的結構產生動態影響。針對這些噪聲激勵，設置合適的激勵載荷。

步驟9：將計算頻域范圍設置成 100～1000Hz ，求解能量平衡方程，經計算得到各個頻段的噪聲聲壓級。然后，將計算得到的聲壓級結果進行整理和分析，繪制出頻域范圍內的聲壓級分布圖。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]。

經過上述過程，完成基于SEA與FE的海上風電平臺噪聲污染分析方法研究。

2.2 噪聲污染結果與分析

求解能量平衡方程，得到各子系統的能量響應，結果見圖1。

從圖1中可以看出海上風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，這對于后續的噪聲控制和優化至關重要。

3海上風電平臺低噪音污染優化

基于上述分析的噪聲分析，進行海上風電平臺低噪音污染設計的研究。針對每種噪聲源，采用不同的方式進行低噪聲設計。具體見圖2。

下面針對這些低噪音裝置進行具體分析。

齒輪箱和發電機主要噪聲污染源主要包括齒輪嚙合、軸承運轉等。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、震動等干擾信號的設備。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構的形變能量來實現振動的隔離。橡膠隔振器以其高彈性和黏彈性有效吸收齒輪箱振動，轉化為熱能散發，保護設備并減少環境振動影響。而發電機降噪則選用彈簧隔振器，利用彈性結構吸收振動能量，減少振動傳遞，需根據發電機特性選型，并確保安裝牢固，定期檢查維護。

風輪旋轉是風力發電機組的主要噪聲源之一。風力發電機組噪聲主要源于風輪旋轉產生的空氣動力學噪音、發電機與傳動系統運轉聲及塔身結構影響。針對風力發電機組產生的噪聲，采用消音器進行降噪。消聲器由管道和消聲單元構成。海上風電平臺多選用反射式消聲器，安裝于機組進、出風口，通過渦流與湍流效應減弱噪音，安裝時需確保連接緊密無泄漏，以保障降噪效果。

4 應用效果分析

在平臺上周圍選取10個監測點，并布置聲級計，實時監測噪聲水平，評估低噪音污染設計的效果。聲級計是測量聲音強度的常用儀器，廣泛應用于環境噪聲監測、工業噪聲控制、交通噪聲監測等領域。聲級計的工作原理可以概括為：聲級計內部裝有一個音頻傳感器，可以感知周圍環境中的聲波，當聲波通過傳感器時，會引起傳感器內部的震動。傳感器（壓電或磁電材料）將聲波轉為電壓，電信號經放大器放大后，通過濾波器濾除雜頻，最后聲級計將純凈信號轉換為分貝值，聲壓級依特定公式計算。聲壓級的計算公式為式（5）：

其中， P 是聲壓， P₀ 是標準參考值（一般為20微帕）； Y 是聲壓級。

通過對比優化前后的噪聲數據，驗證降噪效果。結果見表2。

從表2中可以看出，各個監測點的降噪前聲壓級普遍較高，而經過降噪措施后，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 結束語

隨著全球能源需求的持續增長與環境保護意識的普遍提升，海上風電平臺的設計正積極向低噪音污染方向邁進。在這一背景下，科研人員巧妙融合SEA與FE兩大技術，對海上風電平臺的噪聲問題進行深入剖析，精準繪制出各關鍵區域的聲壓級分布圖。通過高度仿真的多頻振動與噪聲傳播模擬，不僅揭示了平臺各部件的噪聲特性及其隨頻率變化的規律，還深入探究了噪聲在平臺結構內部的傳播路徑與衰減機制。針對識別出的各異源噪聲，研究團隊創新性地提出了三種高效降噪策略，并成功應用于實踐中，顯著降低了平臺運行時的噪音污染，有效保護了周邊海洋生態環境。這一系列研究成果為海上風電平臺的低噪音設計提供了科學依據。

參考文獻：

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