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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 6 Bild 3: Folgen der Rotorunwucht SCHÄDEN MASSEN- UNWUCHT STILLSTANDSZEITEN EFFIZIENZVERLUSTE SCHALL-EMISSION AERO- DYNAMISCHE UNWUCHT schinenträger und Windnachführung, aber auch Fundamentrisse. Daneben kann das permanente unwuchtbedingte „Gondel-Erdbeben“ auch zu vermehrten Ausfällen der Elektronikbauteile führen, vor allem wenn die Vibrationen deren Befestigungsschrauben lösen. Jährlich 20.000 € mittlerer Ertragsverlust bei 2 MW Anlagen MU und AU verursachen schwingungsbedingte Schäden und entsprechende Stillstandszeiten (Bild 3). AU bewirkt zusätzlich direkte Ertragsverluste, weil die veränderte Aerodynamik die Leistungskurve verschlechtert. Erhöhte Schallemissionen können weitere Ertragsverluste durch Lärmreduktionsauflagen (Leistungskurvenanpassung und/oder temporäre Abschaltung) bewirken. Klassiert man MU und AU der betroffenen WEA entsprechend ihrer prozentualen Grenzwertüberschreitung, erhält man Häufigkeitsverteilungen für die zu erwartende Unwucht [4]. Das Doppelte des MU-, bzw. AU-Grenzwerts, wird bei 25%, bzw. 50%, der betroffenen WEA überschritten. Bei 10% ist die Überschreitung sogar 3,4 mal so groß, also mehr als 1,75 Grad relative Blattwinkeldifferenz. Die Kombination mit den Kurven für Schadenskosten und Ertragsausfall bei steigender Unwucht ermöglicht, die Unwucht-Folgekosten abzuschätzen [4]. Diese stammen zu 22% aus MU und zu 78 % aus AU aufgrund der direkten Ertragsausfälle durch Effizienzverluste (Bild 3). Diese bewirken 39 %, die Schäden 61% der Folgekosten. In einer konservativen Kostenstudie wird dies auf einen Windpark mit 100 WEA der 2 MW- Klasse mit einem typischen deutschen Binnenlandertrag hochgerechnet [4]. Bei geschätztem Aufschlag von 10% auf die Schadenskosten für Stillstands-Ertragsausfälle summieren sich die durchschnittlichen Unwucht-Folgekosten je betroffener 2 MW WEA auf 4,6% des Jahresertrags, was jährlich rund 20.000 € entspricht [4].

WiD WHITEPAPER | Auswuchten von WEA-Rotoren 7 Nur im Betrieb lassen sich Unwuchten sicher feststellen Unwuchtursachen können in allen Schritten von der Produktion bis zum Betrieb auftreten, daher kann nur eine Prüfung des montierten Rotors im Betrieb den aktuellen Unwuchtzustand feststellen, mehrere Jahre alte Blatt-Wiegeprotokolle dagegen nicht. Das Thema Unwucht ist für die WEA-Zuverlässigkeit und Senkung der Lebenszykluskosten so wichtig, dass der BWE-Sachverständigenbeirat in den Grundsätzen für die „Wiederkehrende Prüfung von Windenergieanlagen“ [6] auf die Unwucht-Problematik hinweist. Weiterhin enthält die Revision 2015 des Blattes 1 der VDI-Richtlinie VDI 3834 „Messung und Beurteilung der mechanischen Schwingungen von Windenergieanlagen und deren Komponenten“ [7] einen separaten, mehrseitigen Anhang zum WEA-Betriebsauswuchten. Statistische Untersuchungen zeigten, dass die bisher in der Richtlinie beschriebene Messmethodik nicht geeignet ist, unzulässige Unwuchten zu detektieren [8]. Die Internationale Norm DIN ISO 21940-13:2012 zum Betriebsauswuchten mittlerer und großer Rotoren [9], in der Auswucht-Erfahrungen vieler Branchen gesammelt sind, betont, dass Betriebsauswuchten die einzig sinnvolle Auswuchtmethode ist, wenn: - die finale Rotormontage vor Ort geschieht und - die Unwucht sich offensichtlich im Betrieb verändert - (Verschleiß, Erosion, Verlust von Teilen, signifikante Reparatur, etc.). Beides trifft offensichtlich für WEA-Rotoren zu. Daher können basierend auf dieser Norm Kriterien zur Bewertung von Auswuchtstrategien erarbeitet werden [4, 10] (siehe Tabelle 2). Die Unwuchtstatistik und die Höhe der gefundenen MU zeigt, dass das Wiegen der Blätter im Werk allein nicht ausreicht, zudem es eine Vielzahl an möglichen MU-Entstehungsursachen ab dem Blatttransport bis hin zu betriebsbedingten Effekten gibt (Tabelle 1). Schwingungssensoren zeichnen Turm-Gondel-Schwingungen auf Das in der Auswuchtnorm DIN ISO 1940 zum Auswuchten starrer Rotoren [11] geschilderte Verfahren der indirekten MU-Bestimmung durch Betriebsschwingungsmessung ist vom Prinzip her auch bei WEA-Rotoren geeignet. Dabei müssen WEA-spezifische Besonderheiten beachtet werden und deren individuelle MU-Grenzwerte. Bewährt hat es sich bei WEA, mittels am Maschinenträger in der Gondel platzierten Schwingungssensoren die Turm-Gondel-Schwingungen zu messen (Schema in Bild 2). Die Amplitude der Lateralschwingung bei der zur Rotordrehzahl gehörenden Frequenz ist proportional zur MU-Fliehkraft (Tabelle 1). Solche Verfahren werden seit 2001 angewendet [12] und weiterentwickelt [13]. Inzwischen werden durch insgesamt drei Beschleunigungssensoren (Bild 2) zusätzlich die Axial- und die Torsionsschwingungen analysiert. Diese liefern Indikatoren zur Abschätzung der AU und zur Qualitätskontrolle der Blattwinkeljustage.

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