Condition Monitoring

Rotorblätter von Windanlagen überwachen

28.08.12 | Autor / Redakteur: Herbert Friedmann, Carsten Ebert, Peter Kraemer / Jan Vollmuth

Structural Health Monitoring an Rotorblättern ermöglicht eine zustandsorientierte Wartung und schützt damit die Investition. Das Blattüberwachungssystem SHM.Blade von Wölfel überwacht das komplette Rotorblatt mit wenigen Sensoren und stützt sich auf die Messung integraler Größen wie Schwingungen und Schall.

Rotorblätter gehören zu den Hauptkomponenten einer Windenergieanlage ( WEA). Robert Gasch spricht in seinem weit verbreiteten Lehrbuch sogar vom „Herzstück“ einer WEA. Rotorblätter sind die Schnittstelle zwischen den Windlasten, die durch Böen und Turbulenzen gekennzeichnet sind, und einer zur Linearisierung neigenden Technik.

Im Rotorblatt wird die kinetische Energie des Windes in ein mechanisch nutzbares Drehmoment umgesetzt, und es werden die dynamischen Lasten aus der Aerodynamik, Betriebsmanövern und Eigengewicht abgetragen.

Die Lasten haben sich in den letzten Jahren durch das rapide Größenwachstum der Anlagen vervielfacht. Waren noch vor wenigen Jahren 1,5 MW-Anlagen mit Blattlängen um 37 m der Standard, so sind heute 60- oder 70-m-Blätter an der Tagesordnung. Und mit einer projektierten Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren gehören Rotorblätter mit ca. 2 mal 108 Lastwechseln zu den am stärksten belasteten technischen Großstrukturen überhaupt.

Schließlich stellen Rotorblätter einen erheblichen Teil der Investitionssumme einer Windenergieanlage dar. Je nach Hersteller, Blattlänge und Bauweise ist mit rund 250.000 € und mehr pro Blatt zu rechnen. Die Kosten für den Blattersatz und den mit einem Blattbruch verbundenen Produktionsausfall summieren sich so zu einer Höhe, die sogar die Gesamtinvestition für eine WEA in Frage stellen kann. Ein Erhalt der Rotorblätter zahlt sich deshalb auf jeden Fall aus.

SHM.Blade überwacht die Rotorblätter

Deshalb hat Wölfel das Blattüberwachungssystem SHM.Blade entwickelt. Der Grundgedanke von Health Monitoring und damit von SHM.Blade leitet sich aus der Biologie ab. So wie Lebewesen von Nervenbahnen durchzogen sind und beispielweise bei einer drohenden Verbrennung die Gefahr in Form von Hitze fühlen und deshalb die Hand aus der Gefahrenzone bringen können, so können Rotorblätter mit Sensoren ausgerüstet werden. Ist Gefahr für das Rotorblatt in Form von einer beginnenden Schädigung in Verzug, wird eine Warnung gesendet. Das ist die Grundlage für Gegenmaßnahmen.

Will man ein komplettes Rotorblatt überwachen, muss man entweder ein Sensornetzwerk installieren oder Indikatoren finden, die mit wenigen Sensoren den Zustand des ganzen Blattes erfassen können. SHM.Blade kommt mit wenigen Sensoren pro Rotorblatt aus und stützt sich auf die Messung integraler Größen wie Schwingungen und Schall. Denn Eigenfrequenzen von Rotorblättern verändern sich, wenn infolge eines Schadens die Steifigkeit abnimmt oder wenn durch Eisbesatz die schwingende Masse größer wird. Eisbesatz ändert auch das aerodynamische Profil eines Blattes und damit schließlich auch das Strömungsgeräusch.

Gemessen werden Schwingungen und Schall

Schwingungen und Schall werden in jedem Rotorblatt mit sogenannten SNS (Structural Noise Sensor) gemessen. Sie erfassen Beschleunigungen, Schalldruck und Temperatur, sind hochempfindlich und besitzen einen ausgezeichneten Signal-Rauschabstand. Die Sensorsignale werden in der DAU (data acquisition unit, basierend auf Bachmann-Komponenten) digitalisiert, zwischengespeichert und dann über eine TCP/IP-Verbindung in die Gondel geschickt und dort weiter verarbeitet.

In der Gondel befindet sich die DPU (data processing unit) in Form eines Industrie-PCs. Hier werden die Messdaten ausgewertet und weiter verarbeitet. Dazu müssen aus der Anlage die aktuellen Betriebsdaten wie Windgeschwindigkeit, elektrische Leistung, Generator- oder Rotordrehzahlen und Pitchwinkel abgerufen werden.

Bezüglich der Elektronikkomponenten setzt SHM.Blade auf Bauteile, die in der Windindustrie bewährt sind. Die Sensorsignale werden einer automatischen Plausibilitätskontrolle unterworfen und das komplette System ist nach Störungen selbststartfähig.

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