專利名稱：緩沖材料、緩沖配置以及設(shè)計(jì)緩沖配置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種緩沖材料、緩沖配置以及設(shè)計(jì)緩沖配置的方法，特別是本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)或相關(guān)結(jié)構(gòu)的緩沖材料、緩沖配置以及設(shè)計(jì)緩沖配置的方法。
背景技術(shù)：
特別是發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)裝備的噪音釋放是嚴(yán)重的問(wèn)題。立法規(guī)定了在某個(gè)位置的噪音源可連續(xù)產(chǎn)生的許可聲壓級(jí)，適當(dāng)減小噪音釋放是減小對(duì)環(huán)境影響的關(guān)鍵要求。當(dāng)前調(diào)控這些許可聲壓級(jí)的規(guī)章根據(jù)國(guó)家而不同。在歐洲，歐洲條例2000-194-EC以及2002-49-EC提供多種標(biāo)準(zhǔn)。在德國(guó)，標(biāo)準(zhǔn)值取決于VDI標(biāo)準(zhǔn)2058，并被法律規(guī)定的有關(guān)抑止噪音的技術(shù)條例所采納。最大許可值取決于環(huán)境特性以及每天的時(shí)間段。例如，白天工業(yè)園區(qū)中允許65分貝，而夜間居住社區(qū)只允許35分貝。這些條例同樣適用于風(fēng)力渦輪機(jī)的操作。
另外，由于會(huì)受到風(fēng)力渦輪機(jī)聲音測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)IEC-61400-11支持的條例的懲罰，特別是音調(diào)噪音是不希望的。根據(jù)歐洲國(guó)家不同，規(guī)定音調(diào)噪音從2分貝到6分貝。另外，沒(méi)有或至少很少的音調(diào)噪音是給予風(fēng)力渦輪機(jī)操作者的重要和典型的合同保證。
由風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的噪音部分是機(jī)械的，并且部分是空氣動(dòng)力的。盡管同樣可來(lái)自于冷卻風(fēng)扇、輔助設(shè)備(例如泵和壓縮機(jī))、軸承以及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，機(jī)械噪音主要來(lái)自于機(jī)艙中的特別是齒輪箱和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械。特別是，在功率轉(zhuǎn)換步驟中的高頻動(dòng)態(tài)力使得風(fēng)力渦輪機(jī)的大結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)并產(chǎn)生噪音。這些機(jī)械噪音或結(jié)構(gòu)引起的噪音通常與單個(gè)或多個(gè)頻率或音調(diào)相關(guān)，這是由于它與機(jī)電功率轉(zhuǎn)換級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相關(guān)，例如齒輪箱一級(jí)的接合頻率。
通過(guò)機(jī)械的不同級(jí)(齒輪嚙合動(dòng)態(tài)力和/或軸承內(nèi)的滾動(dòng)動(dòng)態(tài)力)以及電(由于轉(zhuǎn)子/定子相互作用造成的電磁嚙合動(dòng)態(tài)力)轉(zhuǎn)換的內(nèi)部高頻動(dòng)態(tài)力經(jīng)由機(jī)械殼體安裝連接的界面注入。振動(dòng)動(dòng)態(tài)力頻譜傳遞到例如底盤和軸的風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)上，并且隨后傳入例如轉(zhuǎn)子葉片、機(jī)艙或塔的大輻射結(jié)構(gòu)中。由于結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛性以及在較高頻率范圍的振動(dòng)波傳播，對(duì)于中等頻率來(lái)說(shuō)，大多數(shù)振動(dòng)傳遞結(jié)構(gòu)是力傳遞的。近年來(lái)多兆瓦風(fēng)力渦輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)具有較大和較輕的表面，由于較低的內(nèi)部阻尼，該表面對(duì)于噪音輻射越來(lái)越敏感。特別是，轉(zhuǎn)子葉片和由玻璃纖維增強(qiáng)的塑料(FGRP)制成的機(jī)艙以及碳鋼塔顯示出1％級(jí)的較低的模態(tài)阻尼。高頻動(dòng)態(tài)力在20Hz到2Hz的頻率范圍內(nèi)是顯著的，其中在被大的風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)輻射時(shí)在遠(yuǎn)距離處可以產(chǎn)生可聽到的音調(diào)噪音。
機(jī)械噪音可傳遞通過(guò)系統(tǒng)。由于強(qiáng)度和剛度，齒輪箱的嚙合通過(guò)齒輪箱箱體、機(jī)艙底板、葉片以及塔傳遞。噪音因此傳遞到這些結(jié)構(gòu)上；另外在該結(jié)構(gòu)中所釋放的聲音具有顯著的共振放大。例如，中空的鋼塔正是用于輻射所產(chǎn)生噪音的理想共振主體，噪音通常在0到500Hz的范圍內(nèi)。因此，齒輪箱是明顯的音調(diào)-機(jī)械噪音的來(lái)源。
由齒輪箱產(chǎn)生的噪音應(yīng)該進(jìn)行緩沖，使得風(fēng)力渦輪機(jī)的聲壓級(jí)不超過(guò)法律規(guī)定的極限。通常，聲音通過(guò)空氣的傳播不造成嚴(yán)重的問(wèn)題。這可通過(guò)對(duì)機(jī)艙進(jìn)行適當(dāng)聲音隔離來(lái)防止。但是噪音通過(guò)實(shí)體部件的傳播更加難以防止。因此，應(yīng)該降低風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)音調(diào)噪音。
在2001年5月1日授予專利并轉(zhuǎn)讓給Edge Innovations &Technology，LLC的J.R.Fricke的US6224341B1中描述一種緩沖振動(dòng)系統(tǒng)，其中中空轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件填充緩沖轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件振動(dòng)的低密度顆粒材料。在1999年7月2日提交的F.Mitsch的DE19930751A1中描述一種用于減小風(fēng)力渦輪機(jī)部件振動(dòng)的方法。按照所述方法，由非常柔軟的彈性材料制成的多個(gè)支承件用來(lái)緩沖振動(dòng)。在結(jié)合于此作為參考的US6764754中描述用作航空器內(nèi)的第一或第二結(jié)構(gòu)部件的合成層壓材料。該合成層壓材料由層壓到至少一種纖維樹脂合成緩沖層壓件上的至少一種高強(qiáng)度、高剛度的纖維樹脂緩沖結(jié)構(gòu)層壓件制成，其中結(jié)構(gòu)層壓件的樹脂基體處于其玻璃狀態(tài)，并且緩沖層壓件的樹脂基體處于粘彈性狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于提供一種克服至少與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的所述問(wèn)題的緩沖配置。另外，本發(fā)明的目的在于提供一種具有改進(jìn)的緩沖配置的風(fēng)力渦輪機(jī)。
所述目的通過(guò)權(quán)利要求1的材料、權(quán)利要求7的緩沖配置、權(quán)利要求26所述的方法以及權(quán)利要求30所述的風(fēng)力渦輪機(jī)來(lái)解決。本發(fā)明的其它方法和優(yōu)點(diǎn)以及特征從所附權(quán)利要求、說(shuō)明書和附圖中得到明白。
按照本發(fā)明的第一方面，提供一種用于緩沖結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式的層壓材料。所述層壓材料包括粘彈性層和粘接在所述粘彈性層上的硬限制層，其中所述粘彈性層基于彈性體，并且所述限制層由最好是鋼、電鍍鋼或鋁的金屬制成。
由于其粘彈性層，所述層壓材料具有出色的緩沖性能，而且由于其限制層，所述層壓材料具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。特別是，該材料不如同公知的纖維層壓材料那樣受到振動(dòng)應(yīng)力，這是由于與具有玻璃狀的樹脂基體的纖維材料相比，金屬限制層更具有彈性。通常，具有足夠拉伸和剪切模量的所有彈性體都可用于粘彈性層。特別是，可以使用聚亞安酯、丁基橡膠、天然橡膠、丙烯酸橡膠、聚丁橡膠、氯丁二烯橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠、軟木彈性體混合物作為用于粘彈性層的材料。
按照本發(fā)明的第二方面，提供一種用于緩沖結(jié)構(gòu)的至少一種振動(dòng)形式的緩沖配置。該緩沖配置包括緩沖材料，最好是所述緩沖材料具有柔軟的粘彈性層和硬的限制層，其中以至少兩個(gè)長(zhǎng)帶或條的形式提供所述緩沖材料，其中所述至少兩個(gè)帶或條的柔軟粘彈性層粘接在所述結(jié)構(gòu)的表面上，并且所述至少兩個(gè)帶或條相互之間在0°-180°上取向，優(yōu)選的是在60°-120°上取向，更優(yōu)選的是在90°上取向。條帶之間的準(zhǔn)確角度取決于在所需頻率范圍內(nèi)將被緩沖的結(jié)構(gòu)的模態(tài)等級(jí)。
按照本發(fā)明所述方面的緩沖配置可適用于振動(dòng)金屬表面、合成纖維增強(qiáng)塑料表面以及混凝土表面。通常，條帶粘接到振動(dòng)表面上，如果需要也可以通過(guò)其它方式固定。由于只使用層壓材料條帶，緩沖配置重量輕，并且相對(duì)于附加物質(zhì)與緩沖性能的比率來(lái)說(shuō)，使其配置最佳。
另外，條帶可以與振動(dòng)結(jié)構(gòu)分開和單獨(dú)預(yù)制。同樣，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可以改裝成具有緩沖配置。采用所述的緩沖配置，可以實(shí)現(xiàn)顯著的音調(diào)噪音的降低。特別是，緩沖配置可特別設(shè)計(jì)成緩沖某些選定形式，而不是進(jìn)行全部緩沖。因此，可以節(jié)省大量材料以及重量和成本。通常，緩沖材料包括具有105N/m2和106N/m2范圍內(nèi)的剪切模量的柔軟粘彈性層以及由金屬制成的硬限制層。作為選擇，也可以只使用具有大約108N/m2的剪切模量而沒(méi)有限制層的硬彈性材料。
按照本發(fā)明的實(shí)施例，緩沖配置的至少兩個(gè)條帶在其交叉處形成重疊交叉。因此，由于重疊的圖案配置提高緩沖效果，并且由于多層循環(huán)或反復(fù)的圖案造成緩沖的分組結(jié)構(gòu)，提高緩沖配置的疊加緩沖效果。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，至少兩個(gè)條帶的重疊交叉位于所述結(jié)構(gòu)的將被緩沖的至少一種振動(dòng)形式的波腹。因此，雙粘彈性層的增加的緩沖作用施加在最大聲音輻射的位置上。因此，緩沖配置的緩沖作用顯著增加。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，兩個(gè)螺旋條帶設(shè)置在管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)。通過(guò)這種條帶配置，與具有軸向和周向定位的條帶的配置相比，可以節(jié)省大量材料以及重量和成本。通常，管狀結(jié)構(gòu)是風(fēng)力渦輪機(jī)的塔或轉(zhuǎn)子葉片。
按照本發(fā)明的又一實(shí)施例，提供一種具有幾乎矩形表面的結(jié)構(gòu)的緩沖配置。其中，至少兩個(gè)條帶交叉配置，其中至少兩個(gè)條帶相對(duì)于該表面的側(cè)部以大約45°傾斜。因此，與條帶平行于矩形表面的側(cè)部取向的配置相比，可以節(jié)省大量的材料以及重量和成本。通常，這種緩沖配置用于風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙。
按照本發(fā)明的再一實(shí)施例，緩沖配置的第一條帶在相交處交替地在第二條帶之上和之下與第二條帶交叉。因此，形成具有固有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的編織結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，層壓材料形成預(yù)定彎曲形狀。因此，可以進(jìn)行預(yù)制條帶的標(biāo)準(zhǔn)化成形加工。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種用于設(shè)計(jì)振動(dòng)表面的緩沖配置的方法，其中計(jì)算振動(dòng)表面對(duì)于單位力的模態(tài)響應(yīng)，計(jì)算所述振動(dòng)表面對(duì)于給定單位振動(dòng)速度的聲音響應(yīng)，從所述計(jì)算的模態(tài)和聲音響應(yīng)確定所述振動(dòng)表面的聲音輻射形式，并且確定緩沖材料至少兩個(gè)條帶的配置，其中至少兩個(gè)條帶相互之間以60°-120°的角度取向，其中所述條帶重疊部位于所述振動(dòng)表面的所述聲音輻射形式的波腹。
通過(guò)這種方法，可以設(shè)計(jì)對(duì)于所選聲音形式具有有效緩沖性能的低質(zhì)量緩沖結(jié)構(gòu)。通常，這種方法在重復(fù)所述步驟時(shí)特別有效，其中該結(jié)構(gòu)加上最后迭代中確定的緩沖配置以用作下一次迭代的起始點(diǎn)。
按照本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于設(shè)計(jì)的方法通常在一個(gè)和五個(gè)形式之間選擇最主要的聲音輻射形式。通常對(duì)于這些主要結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)只增加緩沖已經(jīng)足夠了，這些主要結(jié)構(gòu)形式是實(shí)現(xiàn)顯著減小音調(diào)噪音的有效聲音輻射形式。因此，與所有的緩沖方法相比，可以節(jié)省大量的材料以及重量和成本。
按照本發(fā)明的另一方面，風(fēng)力渦輪機(jī)裝備如上描述的緩沖配置。通常，緩沖配置布置在塔、機(jī)艙和/或轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)。


參考附圖，在以下說(shuō)明書中，針對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更加特別地描述包括其最佳形式的本發(fā)明，附圖中圖1是按照本發(fā)明一個(gè)方面的材料的截面圖；圖2a表示按照本發(fā)明另一方面的緩沖配置的非優(yōu)化配置；圖2b表示按照本發(fā)明又一實(shí)施例的緩沖配置的優(yōu)化配置；圖2c表示按照本發(fā)明另一實(shí)施例的優(yōu)化配置；圖3a表示按照本發(fā)明實(shí)施例的緩沖配置的條帶的第一配置；圖3b表示按照本發(fā)明實(shí)施例的緩沖配置的條帶的第二配置；圖3c表示按照本發(fā)明實(shí)施例的緩沖配置的條帶的第三配置；圖3d表示按照本發(fā)明實(shí)施例的緩沖配置的條帶的第四配置；圖4表示在按照本發(fā)明的緩沖配置施加到結(jié)構(gòu)上之前和之后振動(dòng)結(jié)構(gòu)的聲音輻射固有形式的頻率響應(yīng)函數(shù)的模擬形式；圖5表示具有和不具有本發(fā)明緩沖結(jié)構(gòu)的錐形輻射結(jié)構(gòu)的輻射噪音的遠(yuǎn)場(chǎng)的模擬形式。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)描述本發(fā)明的不同實(shí)施例，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例表示在附圖中。每個(gè)實(shí)例通過(guò)說(shuō)明本發(fā)明方式來(lái)提供，而不意味著限制本發(fā)明。例如，作為一個(gè)實(shí)施例一部分描述或說(shuō)明的特征可用于或結(jié)合到其它實(shí)施例中，以便產(chǎn)生其它的實(shí)施例。所打算的是本發(fā)明包括這種變型和改型。
聲音輻射形式的緩沖可以通過(guò)圖1所示的層壓材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，層壓材料粘接到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)表面上。層壓材料包括粘彈性層和硬限制表面。通常，粘彈性層由基于彈性體的材料制成，并且具有105N/m2到106N/m2范圍內(nèi)的剪切模量。通常，具有足夠拉伸和剪切模量的所有的彈性體可用作粘彈性層。特別是，聚亞安酯、丁基橡膠、天然橡膠、丙烯酸橡膠、聚丁橡膠、氯丁二烯橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠、軟木彈性體混合物作為用于粘彈性層的材料。通常，限制層由通常是鋼、電鍍鋼或鋁的金屬形成，也可以使用纖維增強(qiáng)的材料。作為選擇，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以使用沒(méi)有限制層的剛性粘彈性緩沖材料。通常這種剛性粘彈性材料具有大約108N/m2的剪切模量。緩沖材料以其粘彈性側(cè)粘接到振動(dòng)結(jié)構(gòu)的表面上。通常，層壓材料布置在結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)上，由此保護(hù)它不受到例如雨雪等環(huán)境影響。
粘彈性層緩沖結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)。通過(guò)限制層提供另外的緩沖，即系統(tǒng)用作粘接的三層振動(dòng)結(jié)構(gòu)表面(例如鋼、FGRP或甚至水泥)、粘彈性(彈性體)層以及限制層(鋼或鋁)。通常，在減小重量是重要因素的情況下使用鋁。當(dāng)振動(dòng)結(jié)構(gòu)在給定頻率下受到激勵(lì)時(shí)，粘彈性層在采取特定變形形狀(振動(dòng)形式形狀)的振動(dòng)表面和限制表面之間變形。由于振動(dòng)表面的變形形狀迫使硬限制層變形，其中柔軟的粘彈性層必須跟隨顯著的平面內(nèi)變形。該平面內(nèi)變形產(chǎn)生剪切應(yīng)力和相關(guān)應(yīng)力，特別是每個(gè)粘彈性層變形越大，應(yīng)力越高。由于在彈性變形時(shí)粘彈性材料具有高的粘度性能，粘彈性層內(nèi)高剪切應(yīng)力的區(qū)域造成高的粘度損失，即產(chǎn)生熱量，由此產(chǎn)生高模態(tài)緩沖。
對(duì)于長(zhǎng)度和寬度/周邊來(lái)說(shuō)，限制層需要足夠大來(lái)覆蓋全部波腹或腹部形狀(即兩個(gè)波節(jié)之間的距離)或者振動(dòng)結(jié)構(gòu)上的振形特征長(zhǎng)度，以便引入有效緩沖。由于對(duì)于典型的1.5MV風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，音調(diào)噪音開始于100Hz，典型的特征長(zhǎng)度的范圍是從0.35m到2m。因此，典型的緩沖元件設(shè)計(jì)成至少2米長(zhǎng)。當(dāng)考慮到面海風(fēng)力渦輪機(jī)的情況，對(duì)于較大的結(jié)構(gòu)采用比例因數(shù)。對(duì)于高于100Hz的較高頻率來(lái)說(shuō)，特征長(zhǎng)度變得較小，使得設(shè)計(jì)用于100Hz的緩沖元件也可適用于這種較高頻率形式。因此設(shè)計(jì)用于100Hz的緩沖元件具有最大效率。
通常，100Hz緩沖元件包括2到8毫米厚的粘彈性層(彈性體基材)以及1到4毫米厚的鋼或鋁限制層。對(duì)于具有6毫米粘彈性層和1.5毫米電鍍鋼層的層壓材料來(lái)說(shuō)，典型的每平方米質(zhì)量為15kg/m2。通常，緩沖元件形成為具有1000毫米到4000毫米的典型長(zhǎng)度以及100毫米到400毫米寬度的條或帶。這些條或帶粘接到振動(dòng)和噪音輻射結(jié)構(gòu)的表面上。
接著，參考圖2a-2c描述按照本發(fā)明另一方面的緩沖配置。圖2a表示緩沖配置的非優(yōu)化配置。其中最好具有所述緩沖材料的緩沖材料的條或帶布置在風(fēng)力渦輪機(jī)的鋼塔(左側(cè))和機(jī)艙(右側(cè))上。緩沖材料由黑色虛線表示。按照此配置，條帶沿著軸向和周向(左側(cè))取向并且平行于振動(dòng)矩形表面(右側(cè))的側(cè)部。在其交叉處，條帶重疊，使得在交叉處具有雙層結(jié)構(gòu)，即具有至少兩個(gè)粘彈性層和可能的兩個(gè)限制層的結(jié)構(gòu)。因此，在交叉處提供提高的緩沖效果。另外，交叉部位于形式的波腹，使得緩沖特別出現(xiàn)在這些位置。因此，通過(guò)圖2a所示的緩沖配置可以實(shí)現(xiàn)音調(diào)噪音的有效降低。
但是，圖2a所示的配置對(duì)于附加質(zhì)量與附加緩沖的比例來(lái)說(shuō)不理想，其中與現(xiàn)在參考圖2b和2c描述的優(yōu)化配置相比需要相對(duì)多的緩沖材料(質(zhì)量)。圖2a表示具有更好的附加質(zhì)量與附加緩沖比例的優(yōu)化配置。其中，用于鋼塔(左側(cè))的循環(huán)結(jié)構(gòu)的螺旋配置以及機(jī)艙箱形結(jié)構(gòu)上的對(duì)角線網(wǎng)格通過(guò)灰色虛線表示。由于在每個(gè)波腹振形的對(duì)角線上出現(xiàn)緩沖，這些配置是解決縱向和周向/徑向輻射形式兩者的中間方式。但是，雖然具有與圖2a所示實(shí)施例幾乎相同的性能，只需要40％到60％的緩沖材料。因此，在幾乎沒(méi)有影響音調(diào)噪音降低的情況下節(jié)省大量的重量和成本。和圖2b所示的雙螺旋緩沖配置裝配的錐形結(jié)構(gòu)的實(shí)例表示在圖2c中。
接著，參考圖3a-3d描述用于緩沖配置的交叉條帶配置的不同實(shí)施例。圖3a表示其中第一條帶在兩個(gè)交叉部與第二條帶交叉的第一實(shí)施例。在第一交叉部，第一條帶位于第二條帶之上，并且在第二交叉部，第一條帶位于第二條帶之下。因此，條帶以交替方式交叉。如截面A-A所示，每個(gè)條帶包括限制層和粘彈性層。在交叉部，截面B-B表示條帶形成其中一個(gè)條帶疊置在另一條帶上的雙層結(jié)構(gòu)。因此，在交叉部實(shí)現(xiàn)提高的緩沖效果。
圖3b表示另一實(shí)施例，其中具有第三條帶和第四條帶。如同第一和第二條帶，第三條帶在交叉部交替地在第四條帶之上和之下交叉。另外，第三條帶平行于第一條帶延伸，并且第四條帶平行于第二條帶延伸。另外，第三和第四條帶分別與第一和第二條帶隔開，使得第三和第四條帶的交叉部靠近所述第一和第二條帶的交叉部。因此，與圖3a覆蓋的區(qū)域相比，由相鄰交叉部覆蓋的區(qū)域更大。這從交叉部的截面圖C-C中可以看出。應(yīng)該注意到交叉區(qū)域具有垂直于線C-C的類似截面。采用按照此實(shí)施例的條帶配置，可以有效地緩沖具有大波腹的特殊輻射形式。
圖3b的緩沖配置的變型表示在圖3c中。其中，第三和第四條帶分別與第一和第二條帶隔開，使得第三和第三條帶的交叉部在第一和第二條帶的兩個(gè)相繼交叉部之間的大致一半處定位。
另外，第三和第四條帶具有比第一和第二條帶(見截面A’-A’)較小的厚度和寬度。采用按照此實(shí)施例的條帶配置，由于交叉部在振動(dòng)結(jié)構(gòu)上有效分布，可以有效地緩沖具有大量波腹的形式。但是，由于由第三和第四條帶形成的第二螺旋結(jié)構(gòu)由較薄和較窄的條帶形成，可以節(jié)省材料。
圖3d表示用于緩沖配置的帶配置的另一實(shí)施例。其中，帶具有帶有粘接到較厚和較寬的條帶上的較薄和較窄條帶雙層結(jié)構(gòu)(見截面A-A)。在第一(較低)交叉部，第一條帶位于第二條帶的較低條帶和第二條帶的較高條帶之間。在第二(較高)交叉部，第二條帶位于第一條帶的較低條帶和第一條帶的較高條帶之間。因此，第一和第二條帶相互交叉，其中一個(gè)雙層條帶以交替方式介于另一條帶之間。采用按照此實(shí)施例的條帶配置，條帶不僅通過(guò)膠或其它粘合劑而且通過(guò)其它條帶的張力固定。另外，四個(gè)條帶按照此實(shí)施例在條帶配置中重疊。
相對(duì)于緩沖配置的所述實(shí)施例，應(yīng)該理解在交叉部可以重疊四個(gè)以上的條帶。同樣，按照不同實(shí)施例的條帶配置可以相互組合。通常，條帶具有1000毫米到4000毫米的長(zhǎng)度以及100毫米到400毫米的寬度。但是，按照將要緩沖的振形需要，可以使用或長(zhǎng)或短以及或?qū)捇蛘臈l帶。另外，條帶可以制成預(yù)定彎曲形狀，使得可以進(jìn)行預(yù)制條帶的標(biāo)準(zhǔn)化成形加工。另外，應(yīng)該理解到條帶通常以60°到120°交叉，最好是以90°交叉。但是該角度范圍不是必須的，如果需要可以使用例如45°或135°或其之間的角度。通常，具有足夠拉伸和剪切模量的所有彈性體可以用于粘彈性層。特別是可以使用聚亞安酯、丁基橡膠、天然橡膠、丙烯酸橡膠、聚丁橡膠、氯丁二烯橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠或軟木彈性體混合物作為用于粘彈性層的材料。作為選擇，也可以只使用具有大約108N/m2的剪切模量而沒(méi)有限制層的硬彈性體材料作為緩沖材料。大約108N/m2的剪切模量為緩沖材料提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其可以進(jìn)行使用而沒(méi)有另外的限制層。
接著描述按照本發(fā)明另一方面設(shè)計(jì)用于振動(dòng)表面的緩沖配置的方法。首先計(jì)算振動(dòng)表面對(duì)于單位力的模態(tài)響應(yīng)以及振動(dòng)表面對(duì)于給定單位振動(dòng)速度的聲音響應(yīng)。通常，還計(jì)算力激勵(lì)頻譜。為了計(jì)算這些函數(shù)，通常使用有限元(FE)方法。接著由FE模擬函數(shù)計(jì)算所述振動(dòng)表面的聲音輻射形式，并且確定所述振動(dòng)表面的聲音輻射形式的波腹的位置。通常足夠的是選擇用于緩沖的幾個(gè)最主要的形式，例如一到五。在另一步驟中，確定用于緩沖配置的條帶配置。通常條帶的重疊交叉部將放置在將要緩沖形式的波腹。通常，實(shí)現(xiàn)具有附加緩沖配置的振動(dòng)結(jié)構(gòu)的FE模擬。接著以緩沖結(jié)構(gòu)作為起始點(diǎn)重復(fù)整個(gè)過(guò)程。以此方式，在多個(gè)反復(fù)過(guò)程中例如可以改進(jìn)附加質(zhì)量與附加緩沖的比例。
圖4表示在緩沖配置施加到結(jié)構(gòu)上之前和之后根據(jù)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的FE模擬的聲音輻射的固有形式的頻率響應(yīng)函數(shù)。已經(jīng)附加緩沖之后的頻率響通過(guò)厚的灰色曲線來(lái)表示。從中可明白的是使用輻射形式緩沖大約10的系數(shù)，即大約30分貝。但是，這種阻尼系數(shù)似乎取決于頻率。同樣機(jī)械力響應(yīng)靈活性(即對(duì)于給定力的振動(dòng)響應(yīng))降低高達(dá)10分貝。緩沖效果可以在這種情況中看到，如圖4較低部分所示。
圖5表示來(lái)自錐形輻射結(jié)構(gòu)的輻射噪音的典型遠(yuǎn)場(chǎng)。黑色曲線表示具有低于10％的覆蓋區(qū)域的雙螺旋結(jié)構(gòu)的附加緩沖配置的結(jié)果。如同所示，在高頻范圍內(nèi)，音調(diào)噪音緩沖了高達(dá)30分貝的阻尼系數(shù)。但是，同樣在此情況下，阻尼系數(shù)取決于頻率。
最后，當(dāng)適用于風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)，所述的緩沖材料、緩沖配置和設(shè)計(jì)方法特別有用，以便減小這些結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生或引起的音調(diào)噪音。特別是，轉(zhuǎn)子葉片、中空鋼塔以及箱形機(jī)艙是音調(diào)噪音的來(lái)源，這些噪音可以通過(guò)本發(fā)明所述實(shí)施例來(lái)有效減小。
已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解部分可以進(jìn)行不同的變型而不偏離以下權(quán)利要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于緩沖結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式的層壓材料，包括粘彈性層和粘接到所述粘彈性層上的硬限制層，其中所述的限制層由金屬制成。
2.如權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于，金屬是鋼、電鍍鋼或鋁。
3.如權(quán)利要求1或2所述的材料，其特征在于，粘彈性材料具有2毫米和8毫米之間的厚度。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的材料，其特征在于，限制層具有1毫米到4毫米的厚度。
5.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的材料，其特征在于，粘彈性層具有6毫米的厚度，并且限制層由1.5毫米厚的電鍍鋼制成。
6.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的材料，其特征在于，粘彈性層具有105N/m2到106N/m2范圍內(nèi)的剪切模量。
7.一種用于緩沖結(jié)構(gòu)的至少一種振動(dòng)形式的緩沖配置，包括緩沖材料，最好是如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的材料；其中所述緩沖材料以至少兩個(gè)長(zhǎng)條帶的形式設(shè)置，其中所述至少兩個(gè)條帶的粘彈性層粘接到所述結(jié)構(gòu)的表面上；以及所述至少兩個(gè)條帶相互之間以0°到180°的角度取向，優(yōu)選為以60°-120°的角度取向，更優(yōu)選為90°取向。
8.如權(quán)利要求7所述的緩沖配置，其特征在于，至少兩個(gè)條帶在其交叉部形成重疊交叉。
9.如權(quán)利要求8所述的緩沖配置，其特征在于，至少兩個(gè)條帶的重疊交叉位于所述結(jié)構(gòu)的將要緩沖的至少一個(gè)振動(dòng)形式的波腹處。
10.如權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的緩沖配置，其特征在于，該結(jié)構(gòu)是管狀的，并且至少兩個(gè)條帶的每個(gè)條帶是螺旋形的。
11.如權(quán)利要求10所述的緩沖配置，其特征在于，該結(jié)構(gòu)是風(fēng)力渦輪機(jī)的塔或轉(zhuǎn)子葉片。
12.如權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的配置，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括幾乎矩形的表面，并且至少兩個(gè)條帶交叉布置，其中至少兩個(gè)條帶相對(duì)于該表面的側(cè)部以大約45°傾斜。
13.如權(quán)利要求12所述的緩沖配置，其特征在于，該結(jié)構(gòu)是風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)艙。
14.如權(quán)利要求8-13任一項(xiàng)所述的緩沖配置，其特征在于，第一條帶在所述交叉部在第二條帶之上和之下交替地與第二條帶交叉。
15.如權(quán)利要求14所述的緩沖配置，其特征在于，第三條帶在所述交叉部在第四條帶之上和之下交替地與第四條帶交叉；以及其中所述第三條帶平行于所述第一條帶延伸，并且所述第四條帶平行于所述第二條帶延伸；以及其中所述第三和第四條帶在所述第一和第二條帶之上與所述第一和第二條帶交叉。
16.如權(quán)利要求15所述的緩沖配置，其特征在于，所述第三和第四條帶分別與所述第一和第二條帶隔開，使得所述第三和第四條帶的交叉部靠近所述第一和第二條帶的交叉部。
17.如權(quán)利要求15所述的緩沖配置，其特征在于，所述第三和第四條帶分別與所述第一和第二條帶隔開，使得所述第三和第四條帶的交叉部位于所述第一和第二條帶的兩個(gè)相繼交叉部之間的大致一半處。
18.如權(quán)利要求7-17任一項(xiàng)所述的緩沖配置，其特征在于，至少兩個(gè)條帶具有相同的厚度和寬度。
19.如權(quán)利要求7-17任一項(xiàng)所述的緩沖配置，其特征在于，第三和第四條帶具有比第一和第二條帶較小的厚度和寬度。
20.如權(quán)利要求7-19任一項(xiàng)所述的緩沖配置，其特征在于，緩沖材料是具有大約108N/m2的剪切模量的彈性體材料。
21.如權(quán)利要求19所述的緩沖配置，其特征在于，緩沖材料包括柔軟的粘彈性層和硬的限制層；以及其中第三條帶的粘彈性層粘接到第一條帶的硬的限制層上，并且第四條帶的粘彈性層粘接到第二條帶的硬限制層上。
22.如權(quán)利要求21所述的緩沖配置，其特征在于，所述第一條帶在所述交叉部在所述第二條帶之上和之下交替地與所述第二條帶交叉；以及其中所述第三條帶在所述第四條帶之下和之上交替地與所述第四條帶交叉。
23.如權(quán)利要求7-22任一項(xiàng)所述的緩沖配置，其特征在于，所述層壓材料具有預(yù)定的彎曲形狀。
24.如權(quán)利要求7-23任一項(xiàng)所述的緩沖配置，其特征在于，條帶具有1000毫米到4000毫米的長(zhǎng)度以及100毫米到400毫米的寬度。
25.如權(quán)利要求7-24任一項(xiàng)所述的緩沖配置，其特征在于，在交叉部重疊四個(gè)以上的條帶。
26.一種用于設(shè)計(jì)振動(dòng)表面的緩沖配置的方法，最好是用于設(shè)計(jì)如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的緩沖配置的方法，該方法包括如下步驟(a)計(jì)算振動(dòng)表面對(duì)于單位力的模態(tài)響應(yīng)；(b)計(jì)算所述振動(dòng)表面對(duì)于給定單位振動(dòng)速度的聲音響應(yīng)；(c)由所述計(jì)算的模態(tài)和聲音響應(yīng)，確定所述振動(dòng)表面的聲音輻射形式；(d)確定所述振動(dòng)表面的所述聲音輻射形式的波腹位置；以及(e)確定緩沖材料的至少兩個(gè)條帶的配置，所述至少兩個(gè)條帶相互之間以0°到180°的角度取向，優(yōu)選為以60°-120°的角度取向，更優(yōu)選為90°取向，其中所述條帶的交叉部位于所述振動(dòng)表面的所述聲音輻射形式的波腹。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括在步驟(c)之間計(jì)算力激勵(lì)頻譜的步驟，以及在步驟(c)中，同樣考慮所述力激勵(lì)頻譜，以便確定所述振動(dòng)表面的所述聲音輻射形式的波腹。
28.如權(quán)利要求26或27所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟(f)重復(fù)步驟(a)到(e)，同時(shí)用振動(dòng)表面和步驟(e)中確定的配置一起來(lái)代替該振動(dòng)表面。
29.如權(quán)利要求26-28任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟(c)中只在一個(gè)或五個(gè)最主要的聲音輻射形式中進(jìn)行選擇。
30.一種包括如權(quán)利要求7-25任一項(xiàng)所述緩沖配置的風(fēng)力渦輪機(jī)，或者按照如權(quán)利要求26-29任一項(xiàng)所述方法制造的風(fēng)力渦輪機(jī)。
31.如權(quán)利要求30所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，緩沖配置布置在塔和/或機(jī)艙和/或至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片上。
全文摘要
提供一種用于緩沖結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式的層壓材料，所述層壓材料包括粘彈性層和粘接到粘彈性層上的硬限制層，其中粘彈性層基于彈性體，并且限制層由鋼、電鍍鋼或鋁制成。另外，提供一種用于緩沖結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)振動(dòng)形式的緩沖配置，其包括具有柔軟粘彈性層和硬限制層的層壓材料，其中所述層壓材料設(shè)置成至少兩個(gè)條帶形式，至少兩個(gè)條帶的柔軟粘彈性層粘接到結(jié)構(gòu)的表面上，并且至少兩個(gè)條帶相互之間以0°到180°的角度取向，優(yōu)選為90°取向。
文檔編號(hào)B32B5/14GK1775522SQ20051012548
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月17日
發(fā)明者L·邦尼特 申請(qǐng)人:通用電氣公司