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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 4 Unzulässige Unwuchten fast bei der Hälfte aller WEA Bei WEA verursachen Rotorunwuchten vermehrte Ermüdungsschäden sowie Ertragsverluste. Die Unwuchtlasten aus asymmetrischer Kraftverteilung wirken bei jeder Rotorumdrehung vom Rotor auf die gesamte WEA. Daher müssen bei der WEA-Auslegung schon seit Jahren Unwucht-Grenzwerte festgelegt und bei der Betriebslast-Simulation eingerechnet werden [1-3]. Eine WEA hat in ihrer gesamten Nutzungsdauer diese Unwucht-Grenzwerte einzuhalten. Zuverlässige Unwucht- Messmethoden inklusive Blattwinkelmessverfahren, wurden von unabhängigen Experten in den letzten Jahren an über 1100 WEA angewendet, ihre Effizienz und Messgenauigkeit wurde dabei kontinuierlich verbessert. Die Statistik von über 240 verdachtslos geprüften WEA [4] ergibt, dass 45% aller WEA eine unzulässige Rotorunwucht oberhalb ihrer Grenzwerte haben (siehe Bild 1). Dabei besaßen alle WEA einen im Werk verwogenen Blattsatz und waren per Blattmarke oder anderen üblichen Hersteller-Verfahren einjustiert worden. Dies zeigt, dass diese Verfahren unzureichend sind und durch unabhängige Unwuchtmessungen ergänzt werden müssen. Bei weiteren 25% liegt die Unwucht über der Bild 2: Unwuchtkräfte am Rotor und daraus folgende WEA-Schwingungen sowie Sensorik in der Gondel zur Messung unwuchtbedingter WEA-Schwingungen FLIEHKRAFT AUS MASSENUNWUCHT (MU) LATERAL MESSBARE GESAMTWUCHT (RU) AXIAL LATERAL MU RU NICKEN AU SCHUBKRAFT AUS AERODYNAMISCHER UNWUCHT (AU) TORSION BIEGUNG UMFANGSKRAFT AUS AU BIEGUNG GONDEL-SENSORIK DREHZAHL AXIAL VORN HINTEN LATERAL

WiD WHITEPAPER | Auswuchten von WEA-Rotoren 5 Hälfte des Grenzwerts, so dass wegen der betriebsbedingten Unwuchtzunahme bereits ein Optimierungspotenzial bezüglich Schwingungsreduktion und/oder Ertragsverbesserung durch Auswuchten besteht. Werden die betroffenen, unzulässig unwuchtigen WEA nach Unwuchtart aufgeschlüsselt (Bild 1), hat jeweils rund ein Drittel eine - rein massenbedingte Unwucht (MU), - rein aerodynamische Unwucht (AU) aus relativen Blattwinkeldifferenzen und - kombinierte Unwucht (RU=AU+MU, Bild 2) an ein und demselben Rotor, so dass sich die Effekte überlagern. Die AU-Kräfte verfälschen die MU-Schwingungsmessung, die nur die Gesamtunwucht (RU) detektiert. Zusätzlich gibt es die weiter unten beschriebene absolute Blattwinkelabweichung vom Soll-Blattwinkel der Auslegung. Daher ist es wichtig, die Unwuchtarten genauer kennen zu lernen. Unwuchtarten und -folgen Es gibt zwei Unwuchtarten, die bei der WEA-Auslegung durch separate Grenzwerte berücksichtigt werden müssen [1-3]: - massenbedingte Unwucht (MU) aufgrund ungleicher Massenverteilung im - Rotor, was zu schädlichen umlaufenden Fliehkräften in der Rotorebene - führt (Bild 2), sowie - aerodynamisch bedingte Unwucht (AU),etwa aus Blattwinkeldifferenzen - und Verwindungsunterschieden (Twistdifferenz), was zu asymmetrisch - verteilten, umlaufenden Kräften sowohl in der Rotorebene als auch - in Schubrichtung führt (siehe Bild 2, rote Pfeile sowie Tabelle 1). Zudem gibt es Entstehungsursachen, die nicht durch die Grenzwerte erfasst sind. Entsprechend muss ein Auswuchtverfahren in der Lage sein, beide Unwuchtarten sicher und separat zu identifizieren, denn MU und AU sind bei einem Drittel der betroffenen WEA zeitgleich vorhanden (Bild 1 und 2). Ansonsten entstehen Fehldiagnosen für zwei Drittel der betroffenen WEA und entsprechend falsche Auswuchtempfehlungen, die sogar die Vibrationen erhöhen können. Die mit jeder Rotordrehung umlaufenden Unwuchtkräfte erhöhen die materialermüdenden Schwingungen (siehe gestrichelte Pfeile in Bild 2), die auf alle WEA-Komponenten wirken, bis hinunter ins Fundament. In der 20jährigen Nutzungsdauer resultieren allein aus der Rotordrehzahl zwischen 10 bis 100 Millionen Lastwechsel, mit durch Unwucht erhöhter Amplitude. Typische Unwucht-Folgeschäden sind nach wenigen Jahren Rotorblattrisse und defekte Pitchsysteme sowie Schäden an Lagern, Triebstrangkomponenten, Ma-

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