风能利用型减载声屏障的制作方法

本发明涉及属于铁道工程技术领域，尤其是一种风能利用型减载声屏障。

背景技术：

高速铁路、城际铁路及城市轨道交通带来的环境噪声污染问题是制约轨道交通健康、快速发展的关键问题之一。

传统声屏障是解决铁路环境噪声污染问题的好方法之一。声屏障的降噪原理是在声源和受声者之间插入一个屏障，机车车辆运行过程中产生的噪声声波在向线路两侧传播过程中，遇到屏障时，会发生反射、透射和绕射三种现象，这样就可阻止声的传播，并使声波的传播产生一个显著的附加衰减，从而达到降噪的目的。经过几十年的发展声屏障的种类繁多，根据所用的材料和结构形式分成多种类型的声屏障。然而，伴随着声屏障的广泛应用以及高速铁路的快速发展，声屏障所受风荷载的影响也越来越突出，一方面列车在通过声屏障区域时，会在线路两侧声屏障范围内产生强大的风场，使得声屏障承受巨大的列车风荷载。另一方面，随着高铁桥梁越建越高，从而导致铁路桥梁两侧声屏障承受巨大的自然风荷载，且方向反复无常，因此，研发能有效阻止声传播又能确保风顺利通过的减载型声屏障具有重要意义。

风能是一种无污染、可再生的清洁能源。风能利用则是将风运动时所具有的动能转化为其他形式的能。由于其具有无环境污染、开发利用便捷、成本低等优点，风能的开发利用受到了世界各国普遍关注。风力发电是风能利用的重要形式。

技术实现要素：

本发明的目的为了能合理利用声屏障所受风荷载产生的风能，本发明以转化风能并利用为出发点，提供了一种风能利用型减载声屏障，该声屏障可在保障降噪效果不变的前提下，将声屏障所受风荷载产生的巨大风能转化为电能，并将之储存利用。这不仅保障了声屏障的降噪效果，还提高了声屏障的使用价值。

本发明的技术方案为：一种风能利用型减载声屏障，该风能利用型减载声屏障由6部分组成，包括：声屏障板、立柱、混凝土底座、顶板、发电风机和吸声材料。声屏障板固定在两根立柱卡槽之间；立柱通过焊接固定在由底板上，底板通过螺栓孔由8个螺栓固定在混凝土底座上；混凝土底座通过现浇的方式浇筑在需要支设声屏障的部位；顶板位于声屏障板顶部，通过焊接方式与声屏障板固定；发电风机采用升力型水平轴风机，采用螺栓锚固方式固定于顶板上；吸声材料填充于声屏障板、混凝土底座和顶板构成的空腔内；屏障结构除发电风机外，其余各部分在横截面上均对称。声屏障包括块框架板和集风器，框架板和集风器通过螺栓固定组合在一起的。框架板是一块带圆形孔洞的板，框架板上均匀分布4行6列圆形孔洞，圆形孔洞直径为d，d取值20-25cm；，相邻两圆形孔洞预留最短长度为b的位置用于连接固定集风器8，b取值5-8cm；框架板左右两侧预留长度为a的位置用于和立柱连接固定，a取值10cm；框架板厚度为c，c取值3-5mm。集风器由4个部分构成，包括：锚固单元、集风漏斗、集风管和铁丝网；锚固单元上预留8个螺栓孔，与框架板上每个圆形孔洞周边8个螺栓孔对应，通过螺栓使集风器框架板连接固定；集风管上端穿过顶板为其预留的孔洞，连通集风漏斗与发电风机，并且集风管在发电风机的塔架内汇合成一根管道，管口与偏航旋转器内的管道无缝相接；集风器外表面固定网格形状铁丝网，阻止杂物进入集风器内，以免堵塞管道，铁丝网与锚固单元焊接。

发电风机包括：风叶、整流罩、塔架、底座、齿轮箱、发电机、尾舵、转动轴和偏航旋转器；发电机结构内部还有一段连接管道和密闭空间。

发电风机有3个风叶，风叶主体结构为轻木，表面敷设玻璃纤维蒙皮；风叶内部预留中空管道，中空管道的进气口为，出气口为。中空管道进气口、转动轴内部管道连通密闭空间，密闭空间通过连接管道与集风管连通。

发电机为小功率风力发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电；尾舵为发电风机的对风装置，偏航旋转器是实现塔架和发电风机上部机舱相对旋转的装置，偏航旋转器与尾舵构成整个发电风机的对风装置，偏航旋转器内部设有连接管道。

转动轴头部与风叶紧密固结，尾部连接齿轮箱，齿轮箱具有变速作用，转动速度增加后的转动轴再与发电机相接，产生电流；转动轴内部留有转动轴内部管道，内部管道与风叶进气口连接，内部管道后端与密闭空间相通，连接管道也与密闭空间相通；这样，屏障两侧的风经由集风漏斗、集风管、连接管道、密闭空间，内部管道、进气口、中空管道至排气口排出，形成推动风叶旋转的推力。

本发明的优点在于：(1)声屏障减载好：通过在有限元软件ANSYS中建立传统直立型屏障和风能利用型减载声屏障模型，分析不同风速条件下的屏障面板支撑立柱底部承受的最大弯矩，其结果如下表所示。通过分析发现，减载率最高达60％左右，而且减载具有内外双向减载等突出优点。

表1减载效果对比

(2)隔声效果同传统声屏障相当：为了研究风能利用型减载声屏障的隔声效果，结合实际情况，选择相同尺寸的减载屏障和传统屏障作为研究对象，在LMS声学软件中建立声学分析模型，计算离屏障结构中心点位置水平距离3m处的A记权噪声级隔声量，结果显示：风能利用型减载声屏障隔声量为29.8dB(A)L，而传统声屏障的隔声量为30.2dB(A)，两者隔声量相当。

(3)寿命周期成本低：与传统声屏障相比，风能利用型减载声屏障最大的优点减载，在减载的同时能够减少屏障结构的疲劳破坏，延长屏障结构的使用寿命，另外风能利用型减载屏障结构能充分利用风能发电，电能能产生一定的经济效益，因此能够充分降低减载屏障结构的寿命周期成本。

(4)环保节能：与传统声屏障相比，风能利用型减载声屏障里一个大的优点是能发电并储存电能，能为声屏障区域附近的用电设备供电，例如照明、线路监控设备等，实现部分设备所需电能的自给自足，减少碳排放。虽然前期投入成本稍高，但后期长期的经济利益却较为乐观。

(5)结构耐用：传统声屏障结构上为一块单独的声屏障板，承受较大的往复的风荷载，容易使屏障结构产生疲劳破坏，而风能利用型减载声屏障可以使两侧的风顺利通过屏障结构，减少疲劳荷载，增加结构的使用寿命，使得屏障结构经久耐用。

附图说明

图1为本发明风能利用型减载声屏障结构示意图；

图2为本发明A-A剖视图；

图3为立柱2平面图；

图4为立柱2正立面图；

图5为框架板7平面图；

图6集风器8正立面；

图7集风器8剖面；

图8发电风机5外观图；

图9发电风机5内部结构图；

图10风叶16结构示意图；

图11翼型受力图；

图12转动轴23内部结构图；

图13声屏障内部风整体流向图；

图14集风器8内部风流向图；

图15发电风机5内风流向图；

图16声屏障风能利用发电系统。

具体实施方式

风能利用型减载声屏障如图1所示，，其由6部分组成，包括：声屏障板1、立柱2、混凝土底座3、顶板4、发电风机5和吸声材料6等，其A-A剖面图如图2所示。

声屏障板1固定在两根立柱2卡槽之间；如图2和图3所示，立柱2通过焊接固定在由底板9上，底板9通过螺栓孔10由8个螺栓固定在混凝土底座3上；混凝土底座3通过现浇的方式浇筑在需要支设声屏障的部位；顶板4位于声屏障板1顶部，通过焊接方式与声屏障板1固定；发电风机5采用升力型水平轴风机，采用螺栓锚固方式固定于顶板4上；吸声材料6填充于声屏障板1、混凝土底座3和顶板4构成的空腔内。屏障结构除发电风机5外，其余各部分在横截面上均对称。

声屏障1由2块框架板7和集风器8组成，框架板7和集风器8通过螺栓固定组合在一起的。

框架板7是一块带圆形孔洞的板，如图5所示。框架板7上均匀分布4行6列圆形孔洞11，圆形孔洞11直径为d，d取值为20-25cm；相邻两圆形孔洞预留最短长度为b的位置用于连接固定集风器8，b取值为5-8cm；框架板7左右两侧预留长度为a的位置用于和立柱2连接固定，a取值为10cm；框架板7厚度为c，c取值为3-5mm。

集风器8的正立面和剖面如图6和图7所示，由4个部分构成，包括：锚固单元12、集风漏斗13、集风管14和铁丝网15。锚固单元12上预留8个螺栓孔，与框架板7上每个圆形孔洞11周边8个螺栓孔对应，通过螺栓使集风器8框架板7连接固定；集风管14上端穿过顶板4为其预留的孔洞，连通集风漏斗13与发电风机5，并且集风管14在发电风机5的塔架内汇合成一根管道，管口与偏航旋转器内的管道无缝相接；集风器外表面固定网格形状铁丝网15，阻止杂物进入集风器内，以免堵塞管道，铁丝网15与锚固单元12焊接。

发电风机5的外观如图8所示，内部结构如图9所示。发电风机5由9个部分构成，包括：风叶16、整流罩17、塔架18、底座19、齿轮箱20、发电机21、尾舵22、转动轴23和偏航旋转器24。发电机5结构内部还有一段连接管道25和密闭空间26。

发电风机5有3个风叶16，风叶16外观如图10所示；风叶16主体结构为轻木27，表面敷设玻璃纤维蒙皮28；风叶16内部预留中空管道29，中空管道29的进气口为30，出气口为31。中空管道29进气口30、转动轴内部管道32连通密闭空间26，密闭空间26通过连接管道25与集风管14连通。

利用空气动力学特性，使得风叶16在上下表面产生的压力差产生抬升风叶的升力F_y和阻力F_x，该升力F_y推动风叶16，使之旋转，两者合力为F，另外气流由集风漏斗13经由集风管14、连接管道25、密闭空间26、中空管道29，最终从出气口30排出，产生对风叶16产生与合力F同向的反向推力F_t，使其转动。风叶16截面翼型受力如图11所示，气流速度矢量v与翼弦夹角i为攻角，攻角设置为8°～15°；风叶16安装角的选取也以攻角为基准，安装角为翼弦与旋转面的夹角。

发电机21为小功率风力发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。

尾舵22为发电风机5的对风装置，目的是使风轮的旋转面经常对准风向，从而得到最高的风能利用率；偏航旋转器24是实现塔架18和发电风机上部机舱相对旋转的装置，偏航旋转器24与尾舵22构成整个发电风机5的对风装置，偏航旋转器24内部设有连接管道25。

转动轴23头部与风叶16紧密固结，尾部连接齿轮箱20，齿轮箱具有变速作用，转动速度增加后的转动轴23再与发电机21相接，产生电流。转动轴23内部留有转动轴内部管道32，内部管道32与风叶16进气口30连接，内部管道32后端与密闭空间26相通，连接管道25也与密闭空间26相通。这样，屏障两侧的风经由集风漏斗13、集风管14、连接管道25、密闭空间26，内部管道32、进气口30、中空管道29至排气口31排出，形成推动风叶16旋转的推力。转动轴23内部结构如图12所示。

当列车通过声屏障区域，列车风荷载作用于声屏障靠近轨道的一面，或者自然风荷载作用于声屏障上时，一方面，列车风或自然风吹动发电风机风叶16，使之旋转发电；另一方面，列车风或自然风通过集风漏斗13、集风管14、连接管道25、密闭空间26，内部管道32、进气口30、中空管道29至排气口31排出，形成推动风叶16旋转的推力，推动风叶旋转发电。如图13、图14及图15所示。发出的电流经过整流器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电通过逆变换器后变成220V的交流电，供用电设备用电，如图16所示。