隔而固振動控制高星亮：智能調(diào)諧質(zhì)量減振器的研制及在海上風電安裝中的應用

2023年10月16日-19日，2023北京國際風能大會暨展覽會（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風電行業(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國內(nèi)外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京，聚焦中國能源革命的未來。

本屆大會以“構(gòu)筑全球穩(wěn)定供應鏈 共建能源轉(zhuǎn)型新未來”為主題，將歷時四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對話、創(chuàng)新劇場以及關(guān)于“全球風電產(chǎn)業(yè)布局及供應鏈安全”“雙碳時代下的風電技術(shù)發(fā)展前景”“國際風電市場發(fā)展動態(tài)及投資機會”“風電機組可靠性論壇”等不同主題的21個分論壇。能見APP全程直播本次大會。

在10月17日下午舉辦的海上風電工程裝備論壇II上，隔而固（青島）振動控制有限公司總工程師高星亮發(fā)表了題為《智能調(diào)諧質(zhì)量減振器的研制及在海上風電安裝中的應用》的主題演講。

以下為發(fā)言全文：

大家好，我是來自隔而固公司，我們是一家德國的企業(yè)，成立于1906年，有100多年歷史，我們有四個板塊，第一個地鐵，第二個建筑，第三個工業(yè)，我們有個板塊是電力，在電力板塊，我們在核電，中國的核電站主機都是我們做的，也只有我們有資質(zhì)，目前做了60多臺。

今天給大家匯報的技術(shù)也是我們的電力領(lǐng)域，針對風電我們可以為大伙服務(wù)的技術(shù)。我的匯報分這么及部分，第一部分講講什么是TMD，就是調(diào)諧質(zhì)量減振器，力學上動力吸振器，中間核心內(nèi)容就是我們用于我們風電的TMD的研制過程，還有就是我們在海上風電葉片安裝中的應用。第四部分講講除了我們第二部分講的應用領(lǐng)域之外，在風電領(lǐng)域里面還有哪些應用場景。

第一部分就是我們介紹一下TMD的構(gòu)成原理以及工程應用。這是兩個視頻，我們TMD是可以控制風振的，一個是高層結(jié)構(gòu)，還有一個大跨度橋梁，虎門大橋風振是可以控制的，就是用的TMD技術(shù)。這是一個動畫，就是我們對高層結(jié)構(gòu)，TMD是怎么工作的，高層建筑在風的作用下會左右派動，TMD對于高層結(jié)構(gòu)采用單擺式，里面掛一個很大的質(zhì)量塊，利用質(zhì)量塊的反向運動吸能減振，所以說力學書上把它叫動力吸振器，質(zhì)量或者運動耗能減振。

另外我們風機塔筒我們在振動的時候，通常是以模建模態(tài)來振，所以說我們研究工作原理的時候，會把我們這個塔筒簡化成一個單自由度的系統(tǒng)，我們有模態(tài)質(zhì)量，有模態(tài)鋼度，有模態(tài)組機。單自由度它有一個很大的共振風，TMD在原來的單自由度的基礎(chǔ)上，再耦合一個振動系統(tǒng)，這樣整個大系統(tǒng)是兩個自由度，兩個自由度是兩個共振方，我們優(yōu)化參數(shù)可以把兩個風壓下來，TMD作為一個打自由系統(tǒng)，有一個質(zhì)量，有最佳頻率和最佳比。工程上用到TMD，抗風振，有這么幾種類型，單擺式，雙擺式，滑軌式，滑軌式高度比較小，比較省空間，還有一個集成式。

剛才我們也看到，像虎門大橋大橋的渦振也可以用TMD，這就是我們用虎門大橋的TMD，另外就是我們?nèi)俗卟叫幸鸬恼駝樱部梢杂肨MD控制，當然這個不是我們今天研究的內(nèi)容。那么TMD作為一個產(chǎn)品是有標準的，德國有關(guān)于TMD本身的一個完整的標準，但TMD在國內(nèi)它沒有一個單獨的標準，現(xiàn)在我們國家剛剛頒布的工程隔振設(shè)計標準里面有一節(jié)調(diào)諧質(zhì)量減振器，一節(jié)是我們主編的，大家有什么意見可以反饋給我們。

TMD的應用就是對于高聳結(jié)構(gòu)，我們可以抗風振，剛才那個專家介紹了，就是他們做的那個酒店，他們用涂料，那個酒店的減振是我們做的，另外國內(nèi)杭州灣大橋觀光塔，里面掛了1000噸的TMD，另外風力發(fā)電。當然就是還有一類橋梁，我們在那一塊有一個標準是我們編的，所以我們在國內(nèi)這一塊是絕對領(lǐng)先的。像最重要的工程港珠澳大橋，虎門大橋，如果出現(xiàn)問題都是我們解決的，虎門大橋是5月5日出現(xiàn)振動，6月5日我們就把產(chǎn)品做出來，這是當時專家評審的時候，院士牽頭專家評審的一個視頻。

從第二部分開始，我們就介紹我們用于風電的TMD。我們今天所介紹的這個TMD，是基于德國Borkum 西二期，它有32臺風機，水深大概在40米左右，輪轂高度110米。針對這個項目，我們TMD用于安裝階段的，我們風機葉片安裝的時候，在海浪作用下，塔筒機艙在動，葉片也在動，兩個不好裝，特別浪費時間，我們?yōu)榱私鉀Q風機的塔筒的機倉，在風的作用下，我們把它的振動控制住，實際上就是安裝的快一些。

首先我們是要研究機艙的振動，機艙它有左右擺動，也有前后的晃動，那么綜合起來，機艙它是在平面上一個曲線運動，就是它的運動是比較復雜的，我們設(shè)計的時候就是，我們首先要算成整個機艙內(nèi)塔筒模態(tài)質(zhì)量510噸，這是我們設(shè)計的天氣條件，另外就是這種結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一是比較低的，只有0.6%，這種頻率是0.23，它基于一倍的轉(zhuǎn)動頻率給葉片之間，就是當時設(shè)計的頻率。

我們是根據(jù)這個參數(shù)，然后我們假定一個載荷波形，我又可以把我們TMD的參數(shù)設(shè)計出來了，TMD它是通過質(zhì)量控制反向運動，最關(guān)鍵確定質(zhì)量，我們通過分析計算選擇是一個8T的TMD，是8%，研究階段，這是理論研究，我們要計算整個塔筒和機艙安裝TMD和沒有TMD它的響應，這是對比體現(xiàn)。這個是我們TMD在車間里面做一些測試，底下的安裝架，這種類型就是為了給我在機艙里面相配，這個就是我們在機艙里面安裝的這么一個效果圖，我們這個TMD的特點就是說，這個項目它是一個臨時用的，就是我安裝的時候裝進去，安完之后再拆下來，另外它的結(jié)構(gòu)比較緊湊，另外就是我們一臺TMD它跟我們安裝成本相比是很低很低的。

下面我們看一下在這個項目的，我們的效果。這是我們現(xiàn)場的安裝的圖，它是在我們齒輪箱的上面，這個架子就是剛才我們看到的，車間實驗的架子，通過這個架子我們安裝下部結(jié)構(gòu)上，上面就是我機艙的上頂板，這是我的產(chǎn)品。剛才我們介紹的TMD已經(jīng)介紹了，就是我們TMD它是利用一個質(zhì)量塊運動吸能，就是我們直觀看TMD起不起作用，我們首先看TMD擺動幅度大不大，大了就能起到效果。

這是我們直觀的看，這個是我們測試數(shù)據(jù)，我們這個安裝TMD，就是為了減少機艙振動，就是我們TMD不安裝的時候，這是它的機艙的振幅的一個隨時間變化圖，這是兩天的變化圖，紅的是它的瞬時值，白色就是我為了更好的對比，我是取一個十分鐘的平均值，這個是每點取前后五分鐘，所以它也是一個曲線，黑色曲線是德國人根據(jù)經(jīng)驗定的一個值，這個機倉振動超過這個值我就裝不了了，下面這個曲線是安裝TMD以后，我的平均值大幅度下降，我的瞬時值也大幅度下降。

上邊那兩個圖，機艙運動兩個方向，兩個方向的振動驅(qū)動，它是振動+速度，所以時間的體現(xiàn)，下面這個圖是視聽分析圖，我們看這個圖，就是橫軸是時間，縱軸是頻率，它的強弱程度代表了我振動強弱，一開始我TMD，我們TMD可以鎖住，我們一開始TMD不讓他起作用，TMD讓他起作用，頻率不變，亮度小了，我們看這有一個拐點，安裝的第一個葉片以后，上面重量增加了，它頻率有一個下降，這個頻率下降，這個頻率下降，這個頻率下降，三個月安裝完了，因為我們的TMD是臨時的，我要把它拆了，裝到另一臺，我把TMD一拆一關(guān)，振動又大了，這個看頻率更大了，這是我們做的一個曲線。

另外就是從理論上分析，我們從測試結(jié)果上也能反映出來，安裝TMD以后，直觀的看這個小了，從內(nèi)涵上看它的阻尼比提高了，這剛才那個圖，一開始我們TMD不起作用，就是比較低，我們把TMD起作用，然后阻尼比比上升了，安裝完畢以后，我把TMD鎖緊華到下一臺，這樣阻尼比又下去了。這個就是我們這個在安裝過程中，我們測的這個是總機筆，看看我們這個塔總的變化，剛才我們用白色曲線反映的是，我們用點來表示，這個浪，就是說我們這個藍點是TMD工作的時候，就是我們TMD不工作的時候，我們是浪越大，我們塔筒的振動是越來越大的，安裝TMD以后，塔筒的振動在一個量級上頭。

這個圖反映我們有沒有TMD，對于我們?nèi)~片安裝的影響，我們先看三個不同顏色，就是說這個綠色顏色反映的是，我沒有裝TMD，但是我葉片能夠裝上用了多長時間，這一點它反映就是我浪高，將近1米的時候，我這個葉片雖然安裝上去了，但是用了很長時間，用了12個半小時，這個就是說我是最后放棄了，我裝不上去，三角點是我們用了TMD以后，葉片都能裝上去，裝上去所用的時間。我們看看，就是說當浪比較大的時候，超過1米以上，那就是我經(jīng)常裝不上去，另外就是我要勉強裝上去，用的時間很長，有了TMD以后，就是說我浪再大一些，我也可以把葉片安裝成功，根據(jù)包括二期安裝經(jīng)驗，就是說裝了TMD以后，機艙振動減少55%，安裝時間節(jié)省將近60%，安裝時間節(jié)省差不多四分之一。

TMD減振除了安裝之外，在其他領(lǐng)域也可以應用，就是其他場景，下面說的快一些，我們一個標準的風機塔筒可以在里面放個TMD，TMD設(shè)計的時候要量身定做，比方這地方有電梯，我要把這個電梯避開。第二個領(lǐng)域就是升壓站，因為升壓站上面有一些電氣設(shè)備，在風光作用下它擺動過大會影響我電氣設(shè)備工作的可靠性，我們給他裝了一個TMD，這是現(xiàn)場吊裝照片，這是我TMD的效果圖，這是裝上去之后的照片，這是我的一個減振效果對比圖，就是TMD不工作，振動很大，工作以后振動很小，這是它的頻譜圖。

另外就是國外現(xiàn)在開始實行塔筒要豎立運輸，豎立運輸是光筒，我們搞風的知道，光筒是最容易產(chǎn)生風振的，那么為了解決這個問題，我們是專門做了一種用于運輸?shù)腡MD，就是它就做的樣子像個帽子一樣，但是這是一個TMD，我們把它放到塔筒頂部，運輸時候振動就小了，另外就是歐洲風電比我們國家走的早，現(xiàn)在有的風機就需要維修，需要風機維修的時候，有時候他需要把我們的葉片，機艙都摘下來，這時我們，它整個塔筒又剩了一個光筒，光筒風率比較大，防止產(chǎn)生比較大的振動，在頂上臨時加一個減振器。

最后一個就是說德國比較注重環(huán)保，我們知道風機會產(chǎn)生噪聲，他噪聲是由多種，比如說葉片噪聲，機艙振動本身會產(chǎn)生噪聲，那種噪聲我們可以通過加TMD解決，我們做的工程，他是能夠降低10db。

最后簡單說一下我們公司，我們青島公司今天有展臺，在德國展區(qū)，我們?yōu)榱藢χ袊蛻糇龊梅?wù)，我們總公司給我們技術(shù)支持，另外我們自己還有一個設(shè)計公司，結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所，這是國內(nèi)振動控制領(lǐng)域唯一一個甲級設(shè)計事務(wù)所。

今天匯報內(nèi)容主要就是，首先就是通過研究調(diào)諧質(zhì)量減振器，TMD是解決風電發(fā)電機豐振問題的有效手段，安裝階段，我們節(jié)省安裝時間60%，安裝時間四分之一，整個風機領(lǐng)域，包括垂直運輸，風機運輸，升壓站還有噪聲控制，也都是可以應用的。

（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）