Windkraftanlagen: Gesunde Schwingungen sind die halbe Miete
Mit viel Hightech versuchen die Hersteller von Windenergieanlagen ihre Produkte weniger anfällig und die Wartungen weniger aufwendig zu machen. So sollen Sensoren nicht nur Daten für die Mechanik, sondern auch für andere Bauteile und die realen Lasten der schwingungsfreudigen Bauwerke liefern. Diese Daten müssen die Zustandsüberwachungssysteme dann verarbeiten. Alles dies nutzt aber wenig, wenn die mechanische Basis in der Anlage nicht stimmt.
Christoph Heilmann, Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung bei der Berlinwind GmbH, musste feststellen, dass bis zu 35 % der Windkraftanlagen, die sein Unternehmen als Dienstleister begutachtetet, mit Rotorunwuchten laufen, die über den Grenzwerten liegen. Diese ungesunden Schwingungen können in der Praxis dazu führen, dass sich Generatoren um mehrere Zentimeter verschieben: Schaltschränke reißen ab, Maschinenträger brechen.
Die Ursache dafür sind entweder Masseunwuchten oder aerodynamische Unwuchten, die sich aus dem falschen Anstellwinkel der Blätter ergeben. Heilmann forderte daher auf der dritten VDI-Konferenz zu „Schwingungen von Windenergieanlagen“ Anfang Februar in Bremen, dass „die periodische Prüfung von Rotorunwuchten zur Inspektion gehören sollte“.
Mögliche Unwuchten und deren Prüfung sind aber im Offshore-Geschäft eine knifflige Sache. Zum einen, weil die Maschinen aufgrund der Windbedingungen häufiger ihre Nenndrehzahl erreichen und unerwünschte Schwingungen schneller Schäden anrichten. Zum anderen funktionieren übliche Verfahren wie die Blattwinkelfotografie auf dem Meer nicht, weil der feste Boden für die Positionierung der Kamera fehlt.
Lasergestütztes Messverfahren erleichtert Überprüfung von Windkraftanlagen
Für dieses Problem hat sich Berlinwind ein neues lasergestütztes Messverfahren ausgedacht, dessen Technik auf dem Maschinenhaus aufgebaut wird. Der Vorteil der Methode liegt darin, dass sich die Anstellwinkel vor Ort neu kalibrieren oder Masseunwuchten durch Testgewichte egalisieren lassen.
Einen ähnlich Nachholbedarf für regelmäßige Prüfungen gibt es beim Triebstrang. Dessen Ausrichtung wird meist nur einmal bei der Inbetriebnahme geprüft. „Wenn die Flucht zwischen Triebstrang und Generator aber nicht mehr stimmt, entstehen Zwangskräfte die irgendwo hin müssen und den Generator um bis zu 10 mm versetzen“, erklärte Ole Holstein von der Prüftechnik GmbH.
Das Problem scheint angekommen zu sein, denn die Spezialisten für Messtechnik berichten von florierenden Geschäften für mobile Ausrichtgeräte, die Hersteller und unabhängige Servicedienstleister einkaufen.
Nachfrage nach Überwachungssystemen für Windkraftanlagen steigt
Generell nimmt das Interesse an Zustandsüberwachungssystemen bzw. Condition Monitoring Systems (CMS) in der Windkraftbranche zu. „CMS haben sich bewährt und amortisieren sich nach zwei bis fünf Jahren“, erklärte Thomas Gellermann vom Allianz Zentrum für Technik (AZT). „Vor allem beim Offshore-Wind ist die Fernüberwachung und Verfeinerung der Systeme ein Thema.“
Das AZT hatte unter dem Eindruck von Serienschäden bereits 2003 Anforderungen an die Systeme formuliert. Das Geschäft mit CMS verlief bisher aber schleppend, weil Betreiber die Kosten scheuen und im Zweifel Versicherungen die Schäden übernehmen.
Zur jüngsten VDI-Konferenz in Bremen hatte Gellermann deshalb bei 20 internationalen Anbietern frische Zahlen abgefragt. „Rückmeldungen gab es von 16 Unternehmen, die weltweit exakt 23 861 Systeme verkauft haben. Das sind durchaus beachtliche Zahlen, die wir so nicht erwartet hatten“, sagte er.
Allianz-Experte Gellermann schlugt vor, die Systeme nicht nur zu verfeinern, sondern standardmäßig auch auf den Turm, die Rotorblätter, das Blattlager, den Azimutantrieb sowie auf die Pitchmotoren für die Blattwinkelverstellung auszudehnen.
Dass die Maschinendiagnose angesichts teurer Technik und neuer Spieler wie Energieversorgern anzieht und Neuentwicklungen auf den Markt kommen, bestätigen führende Anbieter. So hat die dänische Brüel & Kjaer Vibro 1500 Systeme an Vestas verkauft und übernimmt in Dänemark auch die Diagnostik für den Windkraftanlagenbauer. Weitere 1500 Messsysteme stehen in den Büchern.
„Die Versicherungen und die Off-shore-Windentwicklung haben daran einen maßgeblichen Anteil“, berichtete Michael Hupfeld vom deutschen Brüel-&-Kjaer-Vibro-Vertrieb. „Für uns geht es darum, die Systeme zu verbessern und zu erweitern. Neben neuen Sensoren für das Rotorhauptlager wird es auch einen Sensor geben, der die geringen Frequenzen am Turm erfasst.“
CMS sollen in Zukunft genaue Vorhersagen über den Ausfall von Komponenten liefern
Das Fernziel liegt darin, über CMS exakt die betroffenen Bauteile zu ermitteln und genaue Vorhersagen zu liefern, wann eine Komponente ausfällt und wie viel Spielraum für den Austausch besteht. Obwohl die Branche davon noch ein ganzes Stück entfernt ist, werden die Ergebnisse besser.
So nutzt beispielsweise GE Measurement & Control Solutions für das System Adapt Wind unterschiedliche Methoden zur Schadensfrüherkennung an Lagern, der Getriebeeinheit oder den Zahneingriffen. „Wir können ziemlich genau sagen, welche Baugruppe in einem Getriebe betroffen ist, oder anhand abweichender Zahneingriffsfrequenzen feststellen, welcher Radsatz Ärger macht und ob der Schaden am Rad oder dem Ritzel auftritt. Die Kunst besteht darin, vom Groben ins Feine zu kommen“, erläuterte Wilfried Morbitzer.
Von dem System hat die GE-Sparte schon 6000 Einheiten verkauft. Um neben den dynamischen Kräften auch kurzfristige Stoßimpulse detektieren zu können, nutzt GE Measurement & Control Solutions etwa Sensoren im Hauptgetriebe, die die Durchgangsfrequenz und Größe von Ölpartikeln erfassen.
Dass es zukünftig darauf ankommt, mehr reale Messergebnisse in den Händen zu halten, unterstrich Thomas Korzeniewski von der Power Wind GmbH. In einem Modellversuch wurde eine 2,5-MW-Windenergieanlage mit 40 Sensoren gespickt und 2 km Kabel wurden verlegt. „Das ist ein guter Ansatz, denn mit gängigen Lastberechnungsverfahren ist man schnell am Ende. Wir spüren jetzt, was auf der Anlage wirklich passiert und können die Simulationsverfahren an die Realitäten anpassen und die Anlagen optimieren“, erklärte er.
An realen Lasten ist auch die BoschGruppe dran. Die Abteilung Engineering Sensor Systems will ab 2013 mit Sensoren zur serienmäßigen Lasterfassung auf den Markt. Im Auge haben die Ingenieure nicht nur Drehmoment, Torsion oder Rotorblätter, sondern die gesamte Laststeuerung.
„Wir verfolgen durch die Erfassung der tatsächlich erlebten und kumulierten Last über den Lebenszyklus mehrere Ziele. Zum einen lassen sich die Anlagen optimieren sowie besser auslegen und Überlastungen im Betrieb vermeiden. Zum anderen verlängert sich die Betriebsdauer, wenn die Maschinen weniger Lasten gesehen haben als angenommen“, so Ralf Schmidt von der Sensorabteilung bei Bosch.
Steuerbarer Blattanstellwinkel soll dynamische Lasten bei Windkraftanalgen ausgleichen
Felix Heß aus der zentralen Forschungseinheit der Robert Bosch GmbH stellte unterdessen Möglichkeiten der individuellen Pitchregelung von Rotorblättern vor. Hier sind sich alle Experten einig, dass in der individuellen Steuerung der Blattanstellwinkel der Schlüssel liegt, um die durch den Wind auftretenden dynamischen Lasten an den immer größer werdenden Rotoren in den Griff zu bekommen.
Im Kern geht es darum, die aerodynamischen Kräfte bei hohen Windgeschwindigkeiten zu verringern und gleichzeitig die Leistung konstant zu halten. „Uns ist es in Simulationen und an einem Prüfstand gelungen, die Nick- und Giermomente am Rotor auf null zu bringen. Leider hatten dabei die seitlichen Turmkopfschwingungen zugenommen“, berichtete er.
Die Lösung soll ein Regler bringen, der diese Schwingungen sowie die Gier- und Nickkräfte aktiv dämpft. Das Problem ist eher die hohe Geschwindigkeit von 6 Grad bis 8 Grad pro Sekunde, mit der die Pitchmotoren arbeiten müssten. Die Lösung könnten im Test befindliche Lidargeräte (laser detection and ranging) bringen, die das Windfeld weit vor der Anlage erfassen und die Steuerung mit den richtigen Informationen füttern.
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