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Condition - Monitoring für Windkraftanlagen

Zuverlässigere Zustandsdiagnosen

von Prof. Dr. Gert Goch, Jan F. Westerkamp

Getriebeschäden führen zu überproportional vielen Ausfällen von Windenergieanlagen. Erkenntnisse aus Forschungen zur Verzahnungs- sowie zur Mess- und Sensortechnik versprechen künftig zuverlässigere, vorausschauende Zustandsdiagnosen vor allem durch Condition Monitoring Systeme (CMS) zur Fernüberwachung der Anlagen. Einen Einblick geben Prof. Dr. Gert Goch und Jan F. Westerkamp.

Zu Herstellung und Betrieb von Großgetrieben wie zum Beispiel denen in Kraftwerken oder Schiffen bestehen langjährige Erfahrungen. Doch dieses Wissen lässt sich nur bedingt auf die Großgetriebe in Windenergieanlagen (WEA) übertragen. Besonders die WEA-Lager und -Getriebe sind extremen Belastungen ausgesetzt, was spezielle Ansprüche an Material, Fertigungsprozesse und Messtechnik stellt.

Besondere Anforderungen, extreme Belastungen und hohe Kosten

Über ihre gesamte Lebensdauer dreht sich eine WEA-Rotorwelle rund 144 Millionen Mal, die Generatorwelle sogar 15 Milliarden Mal. In seinen technischen Vorgaben für WEA-Getriebe sieht der Germanische Lloyd eine 20-jährige Laufzeit oder 130.000 Betriebsstunden vor. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V. ging auf der Basis des weltweit größten Monitoringprogramms vom Institut für Solare Energiesysteme lange davon aus, dass WEA-Getriebe mit 4 und Antriebsstränge mit 2 Prozent auf den letzten Plätzen der Ausfallstatistik liegen. Doch inzwischen rechnen Experten, dass 26 Prozent aller Ausfälle auf Getriebeschäden beruhen. Die alte Studie erfasste WEA zwischen 30 Kilowatt und 1,5 Megawatt, die bis 1997 errichtet wurden. Neuere Zahlen stammen von 2008 und basieren auf Inspektionen des Germanischen Lloyd an WEA einer Leistung von 100 Kilowatt bis 3 Megawatt. Das Errichten einer Windenergieanlage an Land kostet einen Euro pro Watt, eine 1,5 MW-Anlage also 1,5 Millionen Euro. Ein Getriebewechsel schlägt mit rund 250.000 Euro zu Buche. Im Offshore-Bereich liegen die Kosten wesentlich höher. Schon normale Wartungen sind höchst aufwändig, und Reparaturen erfordern logistische Höchstleistungen. Die schwere Zugänglichkeit der WEA-Getriebe und lange Lieferzeiten zum Beispiel von Zahnrädern erhöhen die Maschinenstillstandszeiten und treiben damit die Kosten in die Höhe. Spätestens hier wird deutlich, welch große Bedeutung den WEA-Getrieben und den CMS zukommt.

Das Ziel: „Graceful Degradation“ für eine höhere Effizienz und Effektivität von WEA

Unerlässlich für die umfassende Zustandsbeurteilung von WEA ist es, Daten mit zuverlässigen Mess- und Sensortechniken zu erfassen, sie zu verknüpfen und zu analysieren. Veränderungen müssen frühzeitig erkannt werden, so dass Schadensereignissen durch rechtzeitige Maßnahmen vorgebeugt werden kann. Doch die zu prüfenden Bauteile sind schwer zugänglich und können im laufenden Betrieb zumeist noch nicht messtechnisch analysiert werden. Hier ist die Forschung gefordert. Durch eine optimierte Wartungsplanung sollen Ausfallzeiten minimiert werden, und dafür bedarf es besserer CMS. Sie müssen zuverlässig und frühzeitig erste Verschleiß— erscheinungen melden und einen bevor— stehenden Reparaturbedarf oder Getriebewechsel signalisieren. Zum einen soll ein Versagen des Getriebes und damit einhergehende Folgeschäden an anderen Anlagenteilen vermieden werden. Zum anderen wird ein weiterer Betrieb der WEA im Sinne von „Graceful Degradation“ angestrebt, bis Ersatzteile verfügbar sind und eine Reparatur möglich ist. Der weitere Betrieb der WEA mit verringerter Leistungsfähigkeit und damit reduzierter Belastung der schadhaften Komponenten führt zu einer insgesamt höheren Effizienz.

Von der Fertigung bis zum Betrieb: prozess- und disziplinenübergreifende Forschung

Für die Weiterentwicklung von WEA-Getrieben und CMS empfiehlt es sich, auch die ganze Prozesskette der Zahnradfertigung zu betrachten – vom Drehen, Fräsen, Härten und dem Feinschliff bis hin zum Messen. Der Forschungsschwerpunkt Verzahnungstechnik am Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen, wo auch das Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) angegliedert ist, bietet hier mit seinen Laboren und Einrichtungen hervorragende Bedingungen. Impulse durch interdisziplinäre Wissenschaftskooperationen sowie durch die intensive Zusammenarbeit unter anderem mit der Windenergiewirtschaft ermöglichen eine anwendungsorientierte Forschung, die auf wertvollen Erkenntnissen aus der Grundlagenforschung aufbauen. So forscht das BIMAQ zum Beispiel an einem 5-Achsen-Bearbeitungszentrum, mit dem sich auch komplizierte Zahnräder in Kleinstserien ohne Sonderwerkzeuge hochpräzise und schneller fräsen lassen – durch eine neue zu entwickelnde Software. Das Ziel: erheblich verkürzte Auftragsdurchlaufzeiten, das Verhindern von Engpässen bei der Herstellung und Lieferung von Ersatzteilen und damit das Reduzieren von Stillstandszeiten.

Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung für bessere Monitoring-Systeme

Zudem setzt das BIMAQ seine Erfahrungen aus dem Sonderforschungsbereich „Distortion Engineering – Verzugsbeherrschung in der Fertigung“ (SFB 570) der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Weiterentwicklung von CMS ein. Verzug führt auch bei den großen WEA-Getriebezahnrädern zu erheblichen Qualitätseinbußen. Der SFB erforscht diese unerwünschten Verformungen und sucht nach besseren Fertigungsmethoden. Der Fokus der BIMAQ-Untersuchungen für den SFB liegt auf der „In-Prozess-Messtechnik“: Schon im Verlauf des Produktionsprozesses wird der Verzug gemessen, um dann noch während des Fertigungsverfahrens korrigierend eingreifen und Prozesse regeln zu können. Im laufenden Betrieb schränken die Bedingungen in den Getrieben die Wahl der Messmethoden ein. Am besten eignen sich berührungslose Messverfahren. Sie ermöglichen die dynamische Erfassung des Getriebezustandes unter Last hinsichtlich der lokalen Verteilung von Kräften, Momenten, Vibrationen und Temperaturen sowie die Beobachtung der Verschleiß- und Ermüdungszustände von Werkstoffen. Für das WEA-Monitoring eignen sich In-Prozess-Messverfahren, die zum Beispiel auf Streulicht, Ultraschall und thermografischen oder photothermischen Messprinzipien basieren. Mit ihnen sind auch schwer zugängliche Bereiche erfassbar. Sie arbeiten zerstörungsfrei, sind robust und erlauben eine hohe Messpunktdichte mit einer Messunsicherheit bis in den Sub-Mikrometerbereich.

Die Streulichtmessung ermöglicht die geometrische Prüfung von technischen Oberflächen vom Nanometerbereich bis hin zu großflächigen Schäden bei Zahnrädern. Sie kann auch effizient zur berührungslosen Messung von Bewegungen wie zum Beispiel Schwingungen eingesetzt werden. Das Verfahren basiert auf der Erzeugung und Detailanalyse von Streulichtmustern und kann kleine Bereiche hochgenau erfassen. Die Photothermik, ähnlich wie die Ultraschall- Messung, dient der Untersuchung von Randzonen, zum Beispiel bei Stählen bis zu einer Tiefe von einigen Millimetern. Daher werden sie zur Prüfung von Werkstück- und Schichtdicken oder zur Messung der Einhärtetiefe eingesetzt. Auch kleinste Risse lassen sich mit Hilfe der Photothermik aufspüren. Und mit einer schnellen Thermographie-Kamera kann man zum Beispiel die Reibungswärme von zwei aufeinander abwälzenden Zahnflanken erfassen. Sie zeigt das Tragbild, mit dem das Übertragungsverhalten von Zahnradpaaren beurteilt wird. Mit seinem neuen „Labor für Großverzahnungsmessungen“ eröffnen sich dem BIMAQ weitere Möglichkeiten zur Untersuchung von WEA-Getrieben. Herzstück dieser in der deutschen Forschungslandschaft einzigartigen Einrichtung ist ein Leitz-Koordinatenmessgerät, mit dem sich Zahnräder mit einem Durchmesser von bis zu 2,50 Meter hochgenau messen lassen. Erforscht werden unter anderem die Zusammenhänge zwischen Auslegung, Fertigung, Qualität und Funktionseigenschaften von Großverzahnungen und deren Auswirkungen zum Beispiel auf Verschleiß, Lebensdauer, Schadensart und Geräuschentwicklung. Ziel ist es auch, effizientere Messstrategien für Verzahnungen zu entwickeln. Parallel dazu gilt es, die Sensortechnik weiterzuentwickeln und die Einsatzmöglichkeiten vorhandener Systeme insbesondere für das WEA-Monitoring zu untersuchen. Mit dem Aufbau eines „Inside-Sensoring Labors“ trägt das BIMAQ diesem Forschungsbedarf Rechnung.

gg@bimaq.de
wes@bimaq.de