隔而固振动控制高星亮:智能调谐质量减振器的研制及在海上风电安装中的应用

能见App 2023年10月21日 7128

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见APP全程直播本次大会。

在10月17日下午举办的海上风电工程装备论坛II上,隔而固(青岛)振动控制有限公司总工程师高星亮发表了题为《智能调谐质量减振器的研制及在海上风电安装中的应用》的主题演讲。

以下为发言全文:

大家好,我是来自隔而固公司,我们是一家德国的企业,成立于1906年,有100多年历史,我们有四个板块,第一个地铁,第二个建筑,第三个工业,我们有个板块是电力,在电力板块,我们在核电,中国的核电站主机都是我们做的,也只有我们有资质,目前做了60多台。

今天给大家汇报的技术也是我们的电力领域,针对风电我们可以为大伙服务的技术。我的汇报分这么及部分,第一部分讲讲什么是TMD,就是调谐质量减振器,力学上动力吸振器,中间核心内容就是我们用于我们风电的TMD的研制过程,还有就是我们在海上风电叶片安装中的应用。第四部分讲讲除了我们第二部分讲的应用领域之外,在风电领域里面还有哪些应用场景。

第一部分就是我们介绍一下TMD的构成原理以及工程应用。这是两个视频,我们TMD是可以控制风振的,一个是高层结构,还有一个大跨度桥梁,虎门大桥风振是可以控制的,就是用的TMD技术。这是一个动画,就是我们对高层结构,TMD是怎么工作的,高层建筑在风的作用下会左右派动,TMD对于高层结构采用单摆式,里面挂一个很大的质量块,利用质量块的反向运动吸能减振,所以说力学书上把它叫动力吸振器,质量或者运动耗能减振。

另外我们风机塔筒我们在振动的时候,通常是以模建模态来振,所以说我们研究工作原理的时候,会把我们这个塔筒简化成一个单自由度的系统,我们有模态质量,有模态钢度,有模态组机。单自由度它有一个很大的共振风,TMD在原来的单自由度的基础上,再耦合一个振动系统,这样整个大系统是两个自由度,两个自由度是两个共振方,我们优化参数可以把两个风压下来,TMD作为一个打自由系统,有一个质量,有最佳频率和最佳比。工程上用到TMD,抗风振,有这么几种类型,单摆式,双摆式,滑轨式,滑轨式高度比较小,比较省空间,还有一个集成式。

刚才我们也看到,像虎门大桥大桥的涡振也可以用TMD,这就是我们用虎门大桥的TMD,另外就是我们人走步行引起的振动,也可以用TMD控制,当然这个不是我们今天研究的内容。那么TMD作为一个产品是有标准的,德国有关于TMD本身的一个完整的标准,但TMD在国内它没有一个单独的标准,现在我们国家刚刚颁布的工程隔振设计标准里面有一节调谐质量减振器,一节是我们主编的,大家有什么意见可以反馈给我们。

TMD的应用就是对于高耸结构,我们可以抗风振,刚才那个专家介绍了,就是他们做的那个酒店,他们用涂料,那个酒店的减振是我们做的,另外国内杭州湾大桥观光塔,里面挂了1000吨的TMD,另外风力发电。当然就是还有一类桥梁,我们在那一块有一个标准是我们编的,所以我们在国内这一块是绝对领先的。像最重要的工程港珠澳大桥,虎门大桥,如果出现问题都是我们解决的,虎门大桥是5月5日出现振动,6月5日我们就把产品做出来,这是当时专家评审的时候,院士牵头专家评审的一个视频。

从第二部分开始,我们就介绍我们用于风电的TMD。我们今天所介绍的这个TMD,是基于德国Borkum 西二期,它有32台风机,水深大概在40米左右,轮毂高度110米。针对这个项目,我们TMD用于安装阶段的,我们风机叶片安装的时候,在海浪作用下,塔筒机舱在动,叶片也在动,两个不好装,特别浪费时间,我们为了解决风机的塔筒的机仓,在风的作用下,我们把它的振动控制住,实际上就是安装的快一些。

首先我们是要研究机舱的振动,机舱它有左右摆动,也有前后的晃动,那么综合起来,机舱它是在平面上一个曲线运动,就是它的运动是比较复杂的,我们设计的时候就是,我们首先要算成整个机舱内塔筒模态质量510吨,这是我们设计的天气条件,另外就是这种结构,统一是比较低的,只有0.6%,这种频率是0.23,它基于一倍的转动频率给叶片之间,就是当时设计的频率。

我们是根据这个参数,然后我们假定一个载荷波形,我又可以把我们TMD的参数设计出来了,TMD它是通过质量控制反向运动,最关键确定质量,我们通过分析计算选择是一个8T的TMD,是8%,研究阶段,这是理论研究,我们要计算整个塔筒和机舱安装TMD和没有TMD它的响应,这是对比体现。这个是我们TMD在车间里面做一些测试,底下的安装架,这种类型就是为了给我在机舱里面相配,这个就是我们在机舱里面安装的这么一个效果图,我们这个TMD的特点就是说,这个项目它是一个临时用的,就是我安装的时候装进去,安完之后再拆下来,另外它的结构比较紧凑,另外就是我们一台TMD它跟我们安装成本相比是很低很低的。

下面我们看一下在这个项目的,我们的效果。这是我们现场的安装的图,它是在我们齿轮箱的上面,这个架子就是刚才我们看到的,车间实验的架子,通过这个架子我们安装下部结构上,上面就是我机舱的上顶板,这是我的产品。刚才我们介绍的TMD已经介绍了,就是我们TMD它是利用一个质量块运动吸能,就是我们直观看TMD起不起作用,我们首先看TMD摆动幅度大不大,大了就能起到效果。

这是我们直观的看,这个是我们测试数据,我们这个安装TMD,就是为了减少机舱振动,就是我们TMD不安装的时候,这是它的机舱的振幅的一个随时间变化图,这是两天的变化图,红的是它的瞬时值,白色就是我为了更好的对比,我是取一个十分钟的平均值,这个是每点取前后五分钟,所以它也是一个曲线,黑色曲线是德国人根据经验定的一个值,这个机仓振动超过这个值我就装不了了,下面这个曲线是安装TMD以后,我的平均值大幅度下降,我的瞬时值也大幅度下降。

上边那两个图,机舱运动两个方向,两个方向的振动驱动,它是振动+速度,所以时间的体现,下面这个图是视听分析图,我们看这个图,就是横轴是时间,纵轴是频率,它的强弱程度代表了我振动强弱,一开始我TMD,我们TMD可以锁住,我们一开始TMD不让他起作用,TMD让他起作用,频率不变,亮度小了,我们看这有一个拐点,安装的第一个叶片以后,上面重量增加了,它频率有一个下降,这个频率下降,这个频率下降,这个频率下降,三个月安装完了,因为我们的TMD是临时的,我要把它拆了,装到另一台,我把TMD一拆一关,振动又大了,这个看频率更大了,这是我们做的一个曲线。

另外就是从理论上分析,我们从测试结果上也能反映出来,安装TMD以后,直观的看这个小了,从内涵上看它的阻尼比提高了,这刚才那个图,一开始我们TMD不起作用,就是比较低,我们把TMD起作用,然后阻尼比比上升了,安装完毕以后,我把TMD锁紧华到下一台,这样阻尼比又下去了。这个就是我们这个在安装过程中,我们测的这个是总机笔,看看我们这个塔总的变化,刚才我们用白色曲线反映的是,我们用点来表示,这个浪,就是说我们这个蓝点是TMD工作的时候,就是我们TMD不工作的时候,我们是浪越大,我们塔筒的振动是越来越大的,安装TMD以后,塔筒的振动在一个量级上头。

这个图反映我们有没有TMD,对于我们叶片安装的影响,我们先看三个不同颜色,就是说这个绿色颜色反映的是,我没有装TMD,但是我叶片能够装上用了多长时间,这一点它反映就是我浪高,将近1米的时候,我这个叶片虽然安装上去了,但是用了很长时间,用了12个半小时,这个就是说我是最后放弃了,我装不上去,三角点是我们用了TMD以后,叶片都能装上去,装上去所用的时间。我们看看,就是说当浪比较大的时候,超过1米以上,那就是我经常装不上去,另外就是我要勉强装上去,用的时间很长,有了TMD以后,就是说我浪再大一些,我也可以把叶片安装成功,根据包括二期安装经验,就是说装了TMD以后,机舱振动减少55%,安装时间节省将近60%,安装时间节省差不多四分之一。

TMD减振除了安装之外,在其他领域也可以应用,就是其他场景,下面说的快一些,我们一个标准的风机塔筒可以在里面放个TMD,TMD设计的时候要量身定做,比方这地方有电梯,我要把这个电梯避开。第二个领域就是升压站,因为升压站上面有一些电气设备,在风光作用下它摆动过大会影响我电气设备工作的可靠性,我们给他装了一个TMD,这是现场吊装照片,这是我TMD的效果图,这是装上去之后的照片,这是我的一个减振效果对比图,就是TMD不工作,振动很大,工作以后振动很小,这是它的频谱图。

另外就是国外现在开始实行塔筒要竖立运输,竖立运输是光筒,我们搞风的知道,光筒是最容易产生风振的,那么为了解决这个问题,我们是专门做了一种用于运输的TMD,就是它就做的样子像个帽子一样,但是这是一个TMD,我们把它放到塔筒顶部,运输时候振动就小了,另外就是欧洲风电比我们国家走的早,现在有的风机就需要维修,需要风机维修的时候,有时候他需要把我们的叶片,机舱都摘下来,这时我们,它整个塔筒又剩了一个光筒,光筒风率比较大,防止产生比较大的振动,在顶上临时加一个减振器。

最后一个就是说德国比较注重环保,我们知道风机会产生噪声,他噪声是由多种,比如说叶片噪声,机舱振动本身会产生噪声,那种噪声我们可以通过加TMD解决,我们做的工程,他是能够降低10db。

最后简单说一下我们公司,我们青岛公司今天有展台,在德国展区,我们为了对中国客户做好服务,我们总公司给我们技术支持,另外我们自己还有一个设计公司,结构设计事务所,这是国内振动控制领域唯一一个甲级设计事务所。

今天汇报内容主要就是,首先就是通过研究调谐质量减振器,TMD是解决风电发电机丰振问题的有效手段,安装阶段,我们节省安装时间60%,安装时间四分之一,整个风机领域,包括垂直运输,风机运输,升压站还有噪声控制,也都是可以应用的。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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