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Lauschen nach Fehlern und Mängeln bei Antriebssträngen von Windkraftanlagen

Im Rahmen eines EU-finanzierten Projekts wurde das erste nicht-invasive System vorgestellt, das Schallemissionen zur Erkennung von Fehlern im Antriebsstrang von Windkraftanlagen an Land nutzt. Das bahnbrechende kostengünstige Zustandsüberwachungssystem kann bis zu 50 % der jährlichen Instandhaltungskosten für den Antriebsstrang einsparen.

Industrielle Technologien
Energie

Der Antriebsstrang ist die Leistungsquelle einer Windkraftanlage. Hier befinden sich Getriebe und Generator – Komponenten, die zur Umwandlung der Rotation der Blätter (Drehmoment) in Elektrizität benötigt werden. Vibrationen sind zwar bei den meisten rotierenden Maschinen üblich, übermäßige Vibrationen können jedoch den Zustand der Komponenten beeinträchtigen und sind in der Regel ein frühes Anzeichen für eine Maschinenstörung. Im EU-finanzierten Projekt CMDrive wurde ein bahnbrechendes Zustandsüberwachungssystem für Windkraftanlagen entwickelt, mit dem die Ausfallzeiten für vorbeugende Instandhaltungsarbeiten drastisch reduziert werden können. „ACMWind ist das erste nicht-intrusive Zustandsüberwachungssystem auf dem Markt, das einen Akustiksensor verwendet, um Fehler in den Antriebsstrangkomponenten von Windkraftanlagen frühzeitig zu erkennen“, bemerkt Projektkoordinatorin Natalia Fernandes. Das kompakte und zuverlässige System kann die Betreiber von Windkraftanlagen vor einem möglichen Schaden warnen, bevor dieser gravierend wird und zu längeren Ausfallzeiten führt.

Schallempfindliches System

ACMWind besteht aus einem Mikrofon, das die von den Maschinen erzeugten Schallmuster abhört und speichert. Dieser Akustiksensor kann den Schall erkennen, der von den verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs, wie dem Hauptlager, dem Getriebe und dem Generator, abgestrahlt wird. Die Vibrationen aller rotierenden Komponenten in der Gondel werden durch den in der umgebenden Luft erzeugten Schall erfasst. Durch ein Signalverarbeitungswerkzeug kann das System erkennen, ob der Schall von einem fehlerhaften Maschinenteil ausgeht. Denn die Software erkennt automatisch die Zustandssignatur einer jeden überwachten Komponente durch Analyse der Frequenz- und Zeitabhängigkeit der akustischen Reaktionen. Über die quantitative Historie der strukturellen Integrität der Maschinenkomponenten sind die Betreiber zudem in der Lage, die verbleibende Zeit bis zum Ausfall der Komponente abzuschätzen. In zwei Ländern durchgeführte Feldtests haben erfolgreich gezeigt, dass mit ACMWind verschiedene Fehlermodi im Frequenzspektrum identifiziert werden können. Dabei wurden über ein einziges in der Gondel angebrachtes Mikrofon insbesondere die Frequenzsignaturen der Vibrationen von vier im Hauptlager, Getriebe und Generator von Windkraftanlagen installierten Beschleunigungssensoren erfasst.

Kostengünstig, nicht-intrusiv, einfach zu installieren

Windparkbetreiber investieren zunehmend in Lösungen, die Ausfälle verhindern sollen, anstatt den Betrieb einer Windkraftanlage solange aufrechtzuerhalten, bis Schäden auftreten. Typische Lösungen zur Fehlererkennung bei Komponenten von Windkraftanlagen umfassen Schwingungsanalyse- und Schallemissionssysteme oder auch Systeme zur Analyse von Ölrückständen. Fernandes führt weiter aus: „Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Zustandsüberwachungssysteme sind intrusiv und bereiten daher bei der Installation Schwierigkeiten. Solche Eingriffe wirken sich auch auf die ursprüngliche Garantie der Antriebsstrangkomponenten aus.“ Die Zustandsüberwachungssysteme werden häufig gemäß den Geräten des Herstellers kalibriert und können daher nicht an die spezifischen Anforderungen der Windkraftanlagen individueller Betreiber angepasst werden. Darüber hinaus lösen sie häufig Fehlalarme aus oder warnen das Bedienpersonal erst dann, wenn die Komponente kurz vor einem katastrophalen Ausfall steht. „ACMWind ist eine bahnbrechende Innovation, die die Durchführung der Zustandsüberwachung von Windkraftanlagen revolutionieren und von einem intrusiven in ein berührungsloses Verfahren umwandeln soll“, erklärt Fernandes. Die Kosten des Produkts liegen deutlich unter den Kosten kommerzieller Systeme, da das verwendete Mikrofon im Vergleich zu den auf dem Markt weit verbreiteten Beschleunigungssensoren relativ kostengünstig ist. Das neue System entspricht den Standards, die von der Europäischen Agentur für Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz festgelegt wurden, um einen sichereren Betrieb und eine sicherere Instandhaltung zu gewährleisten und die Erkennungswahrscheinlichkeit von Defekten an Windkraftanlagen zu erhöhen. Schließlich ist auch die Systeminstallation recht einfach und unkompliziert, da weniger Komponenten erforderlich sind.

Schlüsselbegriffe

CMDrive, Windkraftanlage, Antriebsstrang, Zustandsüberwachung, ACMWind, nicht-intrusiv, Vibrationen, Akustiksensor

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