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WID-WHITEPAPER Auswuchten von WEA-Rotoren - Wirtschaftliche Vorteile und technische Umsetzung

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Das von Auswuchtexperten per mobiler Messung gefundene Niveau von Massenunwucht und aerodynamischer Unwucht verdeutlicht das wirtschaftliche Potential des Auswuchtens. Der Artikel macht deutlich, dass auch bei WEA mit Vollwartungsverträgen alle Beteiligten vom Auswuchten profitieren. WID-Whitepaper 3/2015

WiD

WiD WHITEPAPER | Auswuchten von WEA-Rotoren 10 Bild 5: Schematischer Drehzahl- und Resonanzeinfluss auf die gemessene Unwucht-Schwingungsamplitude sowie Unterschied zwischen Unwucht- und Notabschalt-Schwingungsgrenzwert ROTORDREHZAHL, BZW. ZUGEHÖRIGE -DREHFREQUENZ DREHZAHLBEDINGTE UNWUCHT-SCHWINGUNGS- AMPLITUDE DURCH MASSENUNWUCHT Notabschaltung wegen Standsicherheitsgefahr Notabschalt-Schwingungsgrenzwert Unzulässig, da erhöhte Unwuchtlasten und beschleunigte Materialermüdung MU-Schwingungsgrenzwert Tolerierbar Niedrig WEGEN RESONANZGEFAHR VERBOTENER DREHZAHLBEREICH UNZULÄSSIGE MU NIEDRIGE MU EINSCHALTDREHZAHL MESSDREHZAHL NENNDREHZAHL RESONANZDREHZAHL (TURMEIGENFREQUENZ) Großer Einfluss der Messbedingungen und Auswertung Bei Unwuchtmessungen sind unbedingt festgelegte Messbedingungen einzuhalten und sorgfältige Kalibriermessungen durchzuführen, um Fehlaussagen zu verhindern. Denn bei gleicher MU am Rotor variiert die als Antwort gemessene Schwingungsamplitude nicht nur mit der Rotordrehzahl, sondern deren Nähe zur Turmeigenfrequenz (Resonanznähe), die Schwingungen werden überhöht (Bild 5). Weil der Wind schwankt, können WEA nur bedingt per Knopfdruck auf einer konstanten Drehzahl gefahren werden, im Gegensatz zu fast allen anderen auszuwuchtenden Maschinen. An einer WEA variiert bei gleicher MU zu fast allen die gemessene Unwucht-Schwingungsamplitude stark mit der Drehzahl (Bild 5). Die Umrechnung von MU-Grenzwert in einen MU-Schwingungsgrenzwert gilt also nur für die verwendete Messdrehzahl. Zudem stört im Normalbetrieb bei drehzahlkonstant laufenden Stall-WEA der Stall-Effekt die MU-Messung, bei diversen modernen Pitch-WEA die Drehzahlvariabilität und ggf. eine (aktive) Turmschwingungsdämpfung.

WiD WHITEPAPER | Auswuchten von WEA-Rotoren 11 Daher ist es bei Pitch-WEA empfehlenswert, die WEA in einem lastfreien, bzw. -armen Betriebsmodus zu fahren, bei dem die Messdrehzahl durch Pitchen relativ konstant bleibt. Auch das Auswerteverfahren beeinflusst stark die Ergebnisqualität, selbst leichte Drehzahlschwankungen „verschmieren“ die Unwucht auf mehrere Frequenzen. Die einfache Auswertung von Amplitude und Winkellage der zur Messdrehzahl gehörenden Frequenz mittels der so genannten Fast-Fourier-Transformation unterschätzt die MU unter Umständen um mehr als 10 %. Zusätzlich kann die errechnete Winkellage der MU im Rotor um mehr als 10 Grad verfälscht sein, was zu falsch aufgeteilten Ausgleichsmassen führt. Daher ist es notwendig, basierend auf simultaner Drehzahlmessung (Schema in Bild 2) die sogenannte Ordnungsanalyse anzuwenden. Nur dieses Verfahren bereinigt die Drehzahlschwankungen und liefert den korrekten Wert und die Lage der MU im Rotor. Für ein statistisch belastbares, reproduzierbares Ergebnis ist weiterhin eine ausreichende Messzeit, meist mehr als 30 Minuten nötig (weitere Kriterien: Tabelle 2). Zerlegt man z.B. eine 40-minütige Messung in vier separat ausgewertete 10-Minuten-Abschnitte, weichen die Ergebnisse um bis zu 20 % voneinander ab. Daher muss die Auswertesoftware statistische Analysen der Messung und Auswertung ermöglichen, damit der Auswuchtexperte die Ergebnisqualität beurteilen kann. Blattwinkel nur bei 7% der Anlagen in den zulässigen Grenzen Die Auswertung der absoluten Blattwinkel ist die einzige Möglichkeit, die optimale Blattwinkeljustage auf den Sollwert der Auslegung vorzunehmen. Dies ist aufwändiger als die Bestimmung der relativen Blattwinkeldifferenzen zueinander. Aktuell ist bekannt, dass nur die photometrische Blattwinkelmessung vom Boden aus, mit Fotoserie je stehendem Blatt als statistische Basis es schafft, absolute Blattwinkel an mehreren Blattschnitten zuverlässig auf 0,1 Grad genau zu messen. Schwingungsmessungen zur Qualitätskontrolle zeigen den Justageerfolg durch ein gesenktes Schwingungsniveau. Die WEA-Auslegung für eine Zertifizierung/Typenprüfung gemäß [1-3] verlangt die Festlegung der zulässigen absoluten Abweichung vom optimalen Soll-Blattwinkel. Sie beträgt in [2] +/- 0,3 Grad, sofern keine anderen Angaben vorliegen. Daraus kann ein Grenzwert für relative Blattwinkeldifferenz abgeleitet werden, hier 0,6 Grad. Dies ermöglicht eine Bewertung der aktuellen Einstellung und eine Blattjustage, welche zumindest die AU-bedingten Schwingungen reduziert. Ist der relative Grenzwert überschritten, ist automatisch auch der absolute Grenzwert überschritten. Da jedoch alle Rotorblätter auch kollektiv vom absoluten Sollwert abweichen können, kann ein noch größerer Anteil aller Serien-WEA als die in Bild 1 genannten 30 % eine unzulässige Blattwinkelfehlstellung aufweisen. Dies wurde durch eine statistische Auswertung der Messungen der absoluten Blattwinkel an 277 WEA-Rotoren mit und ohne Unwuchtverdacht (Bild 6) bestätigt.

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