風能利用型減載聲屏障的制作方法

本發明涉及屬于鐵道工程技術領域，尤其是一種風能利用型減載聲屏障。

背景技術：

高速鐵路、城際鐵路及城市軌道交通帶來的環境噪聲污染問題是制約軌道交通健康、快速發展的關鍵問題之一。

傳統聲屏障是解決鐵路環境噪聲污染問題的好方法之一。聲屏障的降噪原理是在聲源和受聲者之間插入一個屏障，機車車輛運行過程中產生的噪聲聲波在向線路兩側傳播過程中，遇到屏障時，會發生反射、透射和繞射三種現象，這樣就可阻止聲的傳播，并使聲波的傳播產生一個顯著的附加衰減，從而達到降噪的目的。經過幾十年的發展聲屏障的種類繁多，根據所用的材料和結構形式分成多種類型的聲屏障。然而，伴隨著聲屏障的廣泛應用以及高速鐵路的快速發展，聲屏障所受風荷載的影響也越來越突出，一方面列車在通過聲屏障區域時，會在線路兩側聲屏障范圍內產生強大的風場，使得聲屏障承受巨大的列車風荷載。另一方面，隨著高鐵橋梁越建越高，從而導致鐵路橋梁兩側聲屏障承受巨大的自然風荷載，且方向反復無常，因此，研發能有效阻止聲傳播又能確保風順利通過的減載型聲屏障具有重要意義。

風能是一種無污染、可再生的清潔能源。風能利用則是將風運動時所具有的動能轉化為其他形式的能。由于其具有無環境污染、開發利用便捷、成本低等優點，風能的開發利用受到了世界各國普遍關注。風力發電是風能利用的重要形式。

技術實現要素：

本發明的目的為了能合理利用聲屏障所受風荷載產生的風能，本發明以轉化風能并利用為出發點，提供了一種風能利用型減載聲屏障，該聲屏障可在保障降噪效果不變的前提下，將聲屏障所受風荷載產生的巨大風能轉化為電能，并將之儲存利用。這不僅保障了聲屏障的降噪效果，還提高了聲屏障的使用價值。

本發明的技術方案為：一種風能利用型減載聲屏障，該風能利用型減載聲屏障由6部分組成，包括：聲屏障板、立柱、混凝土底座、頂板、發電風機和吸聲材料。聲屏障板固定在兩根立柱卡槽之間；立柱通過焊接固定在由底板上，底板通過螺栓孔由8個螺栓固定在混凝土底座上；混凝土底座通過現澆的方式澆筑在需要支設聲屏障的部位；頂板位于聲屏障板頂部，通過焊接方式與聲屏障板固定；發電風機采用升力型水平軸風機，采用螺栓錨固方式固定于頂板上；吸聲材料填充于聲屏障板、混凝土底座和頂板構成的空腔內；屏障結構除發電風機外，其余各部分在橫截面上均對稱。聲屏障包括塊框架板和集風器，框架板和集風器通過螺栓固定組合在一起的。框架板是一塊帶圓形孔洞的板，框架板上均勻分布4行6列圓形孔洞，圓形孔洞直徑為d，d取值20-25cm；，相鄰兩圓形孔洞預留最短長度為b的位置用于連接固定集風器8，b取值5-8cm；框架板左右兩側預留長度為a的位置用于和立柱連接固定，a取值10cm；框架板厚度為c，c取值3-5mm。集風器由4個部分構成，包括：錨固單元、集風漏斗、集風管和鐵絲網；錨固單元上預留8個螺栓孔，與框架板上每個圓形孔洞周邊8個螺栓孔對應，通過螺栓使集風器框架板連接固定；集風管上端穿過頂板為其預留的孔洞，連通集風漏斗與發電風機，并且集風管在發電風機的塔架內匯合成一根管道，管口與偏航旋轉器內的管道無縫相接；集風器外表面固定網格形狀鐵絲網，阻止雜物進入集風器內，以免堵塞管道，鐵絲網與錨固單元焊接。

發電風機包括：風葉、整流罩、塔架、底座、齒輪箱、發電機、尾舵、轉動軸和偏航旋轉器；發電機結構內部還有一段連接管道和密閉空間。

發電風機有3個風葉，風葉主體結構為輕木，表面敷設玻璃纖維蒙皮；風葉內部預留中空管道，中空管道的進氣口為，出氣口為。中空管道進氣口、轉動軸內部管道連通密閉空間，密閉空間通過連接管道與集風管連通。

發電機為小功率風力發電機，發出的交流電通過整流裝置轉換成直流電；尾舵為發電風機的對風裝置，偏航旋轉器是實現塔架和發電風機上部機艙相對旋轉的裝置，偏航旋轉器與尾舵構成整個發電風機的對風裝置，偏航旋轉器內部設有連接管道。

轉動軸頭部與風葉緊密固結，尾部連接齒輪箱，齒輪箱具有變速作用，轉動速度增加后的轉動軸再與發電機相接，產生電流；轉動軸內部留有轉動軸內部管道，內部管道與風葉進氣口連接，內部管道后端與密閉空間相通，連接管道也與密閉空間相通；這樣，屏障兩側的風經由集風漏斗、集風管、連接管道、密閉空間，內部管道、進氣口、中空管道至排氣口排出，形成推動風葉旋轉的推力。

本發明的優點在于：(1)聲屏障減載好：通過在有限元軟件ANSYS中建立傳統直立型屏障和風能利用型減載聲屏障模型，分析不同風速條件下的屏障面板支撐立柱底部承受的最大彎矩，其結果如下表所示。通過分析發現，減載率最高達60％左右，而且減載具有內外雙向減載等突出優點。

表1減載效果對比

(2)隔聲效果同傳統聲屏障相當：為了研究風能利用型減載聲屏障的隔聲效果，結合實際情況，選擇相同尺寸的減載屏障和傳統屏障作為研究對象，在LMS聲學軟件中建立聲學分析模型，計算離屏障結構中心點位置水平距離3m處的A記權噪聲級隔聲量，結果顯示：風能利用型減載聲屏障隔聲量為29.8dB(A)L，而傳統聲屏障的隔聲量為30.2dB(A)，兩者隔聲量相當。

(3)壽命周期成本低：與傳統聲屏障相比，風能利用型減載聲屏障最大的優點減載，在減載的同時能夠減少屏障結構的疲勞破壞，延長屏障結構的使用壽命，另外風能利用型減載屏障結構能充分利用風能發電，電能能產生一定的經濟效益，因此能夠充分降低減載屏障結構的壽命周期成本。

(4)環保節能：與傳統聲屏障相比，風能利用型減載聲屏障里一個大的優點是能發電并儲存電能，能為聲屏障區域附近的用電設備供電，例如照明、線路監控設備等，實現部分設備所需電能的自給自足，減少碳排放。雖然前期投入成本稍高，但后期長期的經濟利益卻較為樂觀。

(5)結構耐用：傳統聲屏障結構上為一塊單獨的聲屏障板，承受較大的往復的風荷載，容易使屏障結構產生疲勞破壞，而風能利用型減載聲屏障可以使兩側的風順利通過屏障結構，減少疲勞荷載，增加結構的使用壽命，使得屏障結構經久耐用。

附圖說明

圖1為本發明風能利用型減載聲屏障結構示意圖；

圖2為本發明A-A剖視圖；

圖3為立柱2平面圖；

圖4為立柱2正立面圖；

圖5為框架板7平面圖；

圖6集風器8正立面；

圖7集風器8剖面；

圖8發電風機5外觀圖；

圖9發電風機5內部結構圖；

圖10風葉16結構示意圖；

圖11翼型受力圖；

圖12轉動軸23內部結構圖；

圖13聲屏障內部風整體流向圖；

圖14集風器8內部風流向圖；

圖15發電風機5內風流向圖；

圖16聲屏障風能利用發電系統。

具體實施方式

風能利用型減載聲屏障如圖1所示，，其由6部分組成，包括：聲屏障板1、立柱2、混凝土底座3、頂板4、發電風機5和吸聲材料6等，其A-A剖面圖如圖2所示。

聲屏障板1固定在兩根立柱2卡槽之間；如圖2和圖3所示，立柱2通過焊接固定在由底板9上，底板9通過螺栓孔10由8個螺栓固定在混凝土底座3上；混凝土底座3通過現澆的方式澆筑在需要支設聲屏障的部位；頂板4位于聲屏障板1頂部，通過焊接方式與聲屏障板1固定；發電風機5采用升力型水平軸風機，采用螺栓錨固方式固定于頂板4上；吸聲材料6填充于聲屏障板1、混凝土底座3和頂板4構成的空腔內。屏障結構除發電風機5外，其余各部分在橫截面上均對稱。

聲屏障1由2塊框架板7和集風器8組成，框架板7和集風器8通過螺栓固定組合在一起的。

框架板7是一塊帶圓形孔洞的板，如圖5所示。框架板7上均勻分布4行6列圓形孔洞11，圓形孔洞11直徑為d，d取值為20-25cm；相鄰兩圓形孔洞預留最短長度為b的位置用于連接固定集風器8，b取值為5-8cm；框架板7左右兩側預留長度為a的位置用于和立柱2連接固定，a取值為10cm；框架板7厚度為c，c取值為3-5mm。

集風器8的正立面和剖面如圖6和圖7所示，由4個部分構成，包括：錨固單元12、集風漏斗13、集風管14和鐵絲網15。錨固單元12上預留8個螺栓孔，與框架板7上每個圓形孔洞11周邊8個螺栓孔對應，通過螺栓使集風器8框架板7連接固定；集風管14上端穿過頂板4為其預留的孔洞，連通集風漏斗13與發電風機5，并且集風管14在發電風機5的塔架內匯合成一根管道，管口與偏航旋轉器內的管道無縫相接；集風器外表面固定網格形狀鐵絲網15，阻止雜物進入集風器內，以免堵塞管道，鐵絲網15與錨固單元12焊接。

發電風機5的外觀如圖8所示，內部結構如圖9所示。發電風機5由9個部分構成，包括：風葉16、整流罩17、塔架18、底座19、齒輪箱20、發電機21、尾舵22、轉動軸23和偏航旋轉器24。發電機5結構內部還有一段連接管道25和密閉空間26。

發電風機5有3個風葉16，風葉16外觀如圖10所示；風葉16主體結構為輕木27，表面敷設玻璃纖維蒙皮28；風葉16內部預留中空管道29，中空管道29的進氣口為30，出氣口為31。中空管道29進氣口30、轉動軸內部管道32連通密閉空間26，密閉空間26通過連接管道25與集風管14連通。

利用空氣動力學特性，使得風葉16在上下表面產生的壓力差產生抬升風葉的升力F_y和阻力F_x，該升力F_y推動風葉16，使之旋轉，兩者合力為F，另外氣流由集風漏斗13經由集風管14、連接管道25、密閉空間26、中空管道29，最終從出氣口30排出，產生對風葉16產生與合力F同向的反向推力F_t，使其轉動。風葉16截面翼型受力如圖11所示，氣流速度矢量v與翼弦夾角i為攻角，攻角設置為8°～15°；風葉16安裝角的選取也以攻角為基準，安裝角為翼弦與旋轉面的夾角。

發電機21為小功率風力發電機，發出的交流電通過整流裝置轉換成直流電。

尾舵22為發電風機5的對風裝置，目的是使風輪的旋轉面經常對準風向，從而得到最高的風能利用率；偏航旋轉器24是實現塔架18和發電風機上部機艙相對旋轉的裝置，偏航旋轉器24與尾舵22構成整個發電風機5的對風裝置，偏航旋轉器24內部設有連接管道25。

轉動軸23頭部與風葉16緊密固結，尾部連接齒輪箱20，齒輪箱具有變速作用，轉動速度增加后的轉動軸23再與發電機21相接，產生電流。轉動軸23內部留有轉動軸內部管道32，內部管道32與風葉16進氣口30連接，內部管道32后端與密閉空間26相通，連接管道25也與密閉空間26相通。這樣，屏障兩側的風經由集風漏斗13、集風管14、連接管道25、密閉空間26，內部管道32、進氣口30、中空管道29至排氣口31排出，形成推動風葉16旋轉的推力。轉動軸23內部結構如圖12所示。

當列車通過聲屏障區域，列車風荷載作用于聲屏障靠近軌道的一面，或者自然風荷載作用于聲屏障上時，一方面，列車風或自然風吹動發電風機風葉16，使之旋轉發電；另一方面，列車風或自然風通過集風漏斗13、集風管14、連接管道25、密閉空間26，內部管道32、進氣口30、中空管道29至排氣口31排出，形成推動風葉16旋轉的推力，推動風葉旋轉發電。如圖13、圖14及圖15所示。發出的電流經過整流器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電通過逆變換器后變成220V的交流電，供用電設備用電，如圖16所示。