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2020 © Copyright Allianz Risk Consulting GmbH BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? Allianz Risk Consulting GmbH - Allianz Zentrum für Technik - Thomas Gellermann, 13.02.2020 München VDI Webinar

BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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Page 1: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

BRAUCHEN WINDTURBINEN

SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

UND CONDITION MONITORING

Allianz Risk Consulting GmbH

- Allianz Zentrum fuumlr Technik -

Thomas Gellermann

13022020 Muumlnchen

VDI Webinar

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01AZT-VORSTELLUNG amp EINFUumlHRUNG 05 SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

GEMAumlszlig VDI 3834

02BELASTUNGSDYNAMIKLEBENSDAUER ampINSTANDHALTUNG 06 UumlBERWACHUNG GROszligER

ANLAGENPOPULATIONEN

03ZUSTANDSBEURTEILUNG VSSCHWINGUNGSBEURTEILUNG 07 ZUSAMMENFASSUNG

04FALLBEISPIELTURMSCHWINGUNGEN

CONTENT TOPICS

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ALLIANZ ZENTRUM FUumlR TECHNIK

EINFUumlHRUNG

3

wwwaztallianzcom

01

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Erfahrungsbasis Windenergie

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ldquoLESSONS LEARNED SINCE MORE THAN 85 YEARSrdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1932 in Berlin als ldquoMaterialpruumlfanstaltrdquo der

Allianz Versicherung gegruumlndet

Seit 1969 in Muumlnchen

Allianz Zentrum fuumlr Technik

bull Firmierend als

Allianz Risk Consulting GmbH

bull 2007 integriert in AGCS

AZT Jubilaumlumsbroschuumlre Download wwwaztallianzcom

Allianz Risk Consulting GmbH ndash Allianz Zentrum fuumlr Technik

4

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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention

Belastungsmessung2 amp

Prototypvalidierung

Empfehlungen zu

Condition Monitoring3

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGenerator

T1

G2 G1

T2T3 T4

T5 T6

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor

GearboxBrake

CouplingGenerator

T1T1

G2 G1G2 G1

T2T3 T4

T2T3 T4

T5 T6T5 T6

AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung

von Windenergieanlagen

Schadenuntersuchung1 amp

Designpruumlfung

1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012

bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123

bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685

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CBA

ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

) Structural Health Monitoring Systems

6

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CBA

ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt

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02

Groumlszligenentwicklung

amp Belastungen

Lebensdauer

amp Instandhaltung

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

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BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 30

BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 31

STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32

STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36

BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 2: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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01AZT-VORSTELLUNG amp EINFUumlHRUNG 05 SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

GEMAumlszlig VDI 3834

02BELASTUNGSDYNAMIKLEBENSDAUER ampINSTANDHALTUNG 06 UumlBERWACHUNG GROszligER

ANLAGENPOPULATIONEN

03ZUSTANDSBEURTEILUNG VSSCHWINGUNGSBEURTEILUNG 07 ZUSAMMENFASSUNG

04FALLBEISPIELTURMSCHWINGUNGEN

CONTENT TOPICS

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ALLIANZ ZENTRUM FUumlR TECHNIK

EINFUumlHRUNG

3

wwwaztallianzcom

01

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Erfahrungsbasis Windenergie

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ldquoLESSONS LEARNED SINCE MORE THAN 85 YEARSrdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1932 in Berlin als ldquoMaterialpruumlfanstaltrdquo der

Allianz Versicherung gegruumlndet

Seit 1969 in Muumlnchen

Allianz Zentrum fuumlr Technik

bull Firmierend als

Allianz Risk Consulting GmbH

bull 2007 integriert in AGCS

AZT Jubilaumlumsbroschuumlre Download wwwaztallianzcom

Allianz Risk Consulting GmbH ndash Allianz Zentrum fuumlr Technik

4

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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention

Belastungsmessung2 amp

Prototypvalidierung

Empfehlungen zu

Condition Monitoring3

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGenerator

T1

G2 G1

T2T3 T4

T5 T6

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor

GearboxBrake

CouplingGenerator

T1T1

G2 G1G2 G1

T2T3 T4

T2T3 T4

T5 T6T5 T6

AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung

von Windenergieanlagen

Schadenuntersuchung1 amp

Designpruumlfung

1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012

bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123

bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685

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CBA

ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

) Structural Health Monitoring Systems

6

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CBA

ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt

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02

Groumlszligenentwicklung

amp Belastungen

Lebensdauer

amp Instandhaltung

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

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Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

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Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 3: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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ALLIANZ ZENTRUM FUumlR TECHNIK

EINFUumlHRUNG

3

wwwaztallianzcom

01

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Erfahrungsbasis Windenergie

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ldquoLESSONS LEARNED SINCE MORE THAN 85 YEARSrdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1932 in Berlin als ldquoMaterialpruumlfanstaltrdquo der

Allianz Versicherung gegruumlndet

Seit 1969 in Muumlnchen

Allianz Zentrum fuumlr Technik

bull Firmierend als

Allianz Risk Consulting GmbH

bull 2007 integriert in AGCS

AZT Jubilaumlumsbroschuumlre Download wwwaztallianzcom

Allianz Risk Consulting GmbH ndash Allianz Zentrum fuumlr Technik

4

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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention

Belastungsmessung2 amp

Prototypvalidierung

Empfehlungen zu

Condition Monitoring3

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGenerator

T1

G2 G1

T2T3 T4

T5 T6

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor

GearboxBrake

CouplingGenerator

T1T1

G2 G1G2 G1

T2T3 T4

T2T3 T4

T5 T6T5 T6

AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung

von Windenergieanlagen

Schadenuntersuchung1 amp

Designpruumlfung

1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012

bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123

bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685

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CBA

ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

) Structural Health Monitoring Systems

6

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CBA

ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt

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02

Groumlszligenentwicklung

amp Belastungen

Lebensdauer

amp Instandhaltung

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

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Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

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Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

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) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 4: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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ldquoLESSONS LEARNED SINCE MORE THAN 85 YEARSrdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1932 in Berlin als ldquoMaterialpruumlfanstaltrdquo der

Allianz Versicherung gegruumlndet

Seit 1969 in Muumlnchen

Allianz Zentrum fuumlr Technik

bull Firmierend als

Allianz Risk Consulting GmbH

bull 2007 integriert in AGCS

AZT Jubilaumlumsbroschuumlre Download wwwaztallianzcom

Allianz Risk Consulting GmbH ndash Allianz Zentrum fuumlr Technik

4

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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention

Belastungsmessung2 amp

Prototypvalidierung

Empfehlungen zu

Condition Monitoring3

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGenerator

T1

G2 G1

T2T3 T4

T5 T6

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor

GearboxBrake

CouplingGenerator

T1T1

G2 G1G2 G1

T2T3 T4

T2T3 T4

T5 T6T5 T6

AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung

von Windenergieanlagen

Schadenuntersuchung1 amp

Designpruumlfung

1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012

bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123

bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685

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CBA

ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

) Structural Health Monitoring Systems

6

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CBA

ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt

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02

Groumlszligenentwicklung

amp Belastungen

Lebensdauer

amp Instandhaltung

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

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Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 5: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention

Belastungsmessung2 amp

Prototypvalidierung

Empfehlungen zu

Condition Monitoring3

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGenerator

T1

G2 G1

T2T3 T4

T5 T6

Main bearingRotorGearbox

Brake

CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor

GearboxBrake

CouplingGenerator

T1T1

G2 G1G2 G1

T2T3 T4

T2T3 T4

T5 T6T5 T6

AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung

von Windenergieanlagen

Schadenuntersuchung1 amp

Designpruumlfung

1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012

bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123

bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685

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CBA

ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

) Structural Health Monitoring Systems

6

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CBA

ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt

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02

Groumlszligenentwicklung

amp Belastungen

Lebensdauer

amp Instandhaltung

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 6: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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CBA

ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

) Structural Health Monitoring Systems

6

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CBA

ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt

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02

Groumlszligenentwicklung

amp Belastungen

Lebensdauer

amp Instandhaltung

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

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Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

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Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 7: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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CBA

ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt

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02

Groumlszligenentwicklung

amp Belastungen

Lebensdauer

amp Instandhaltung

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

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Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

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Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 30

BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 8: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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02

Groumlszligenentwicklung

amp Belastungen

Lebensdauer

amp Instandhaltung

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 9: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Bundesverband Windenergie

12 MW Prototype bei Rotterdam

seit 112019 in Betrieb

Quelle GE Renewable Energy

Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum

Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen

28 x houmlhere Leistung

=2015

9

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

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Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 10: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Turm-

vorstau

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

10

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 29

BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 11: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten

Biegung in Schwenkrichtung

Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte

Drehmoment

Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an

Rotationen (gt 107 Umdrehungen)

Biegung in Schlagrichtung

Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher

Schubkraumlfte

Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der

Anstroumlmung befindlicher Anlagen

Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab

Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich

auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)

DYNAMISCHE BELASTUNGEN

Schubkraft

(Schlagrichtung)Umfangskraft

(Schwenkrichtung)

Gewichts-

kraft

Fliehkraft

Turbulenz

Boumlen

Schraumlg-

anstroumlmung

Wind

Scherung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Drehmoment

Turm-

vorstau

Kipp-

moment

Gear-

moment

Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung

der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage

11

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

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14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

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) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 12: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN

M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

MNm

GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)

Biegemoment Rotorwelle

Resultierendes Kippmoment

Reale Belastung durch

inhomogenes Windfeld

Schlagmomente

Blatt 13

Niedrige Windgeschwindigkeit auf

einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu

wiederholten Einbruumlchen der

Blattbiegemomente

Rotorumdrehung

Rotorblaumltter

Generator

Getriebe

Hauptlager

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Die stark ungleiche Rotorbelastung

fuumlhrt zu sehr groszligen

Kippmomenten auf den Triebstrang

Link zur Videosequenz12

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

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14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 13: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr

MNm

MNm

MNm

82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400

25508

Schlagmomente

der drei Rotorblaumltter

(13 Umin)

AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges

von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 14: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo

Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate

durch Alterung

Zufaumlllige Ausfaumllle

Betriebszeit

Uumlberholung sinnvoll

Au

sfa

llra

te

Designfehler

Materialqualitaumlt

Fertigungsfehler

Montagefehler

Inbetriebnahme

hellip

Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und

fruumlhes Versagen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

14

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

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17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

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) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

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Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

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Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 15: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

15

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 16: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL

Dam

pft

urb

inen bull Auslegungslebensdauer

30 Jahre (~240000 Std)

bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std

bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std

Win

d O

nsh

ore bull Auslegungslebensdauer

20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

Win

d O

ffshore bull Auslegungslebensdauer

25 Jahre (~ 200000 Std)

bull Keine geplante Uumlberholung

bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine

Lebensdauer von 20 Jahren erreichen

2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte

Stillstandszeiten aus

16

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 17: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

17

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 18: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

18

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 19: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

19

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 20: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN

Zustand

100

0

1980er

Zeitbasiert

(Praumlventiv)

2

2 Zeitbasierte Instandhaltung

1 Korrektive Instandhaltung

1960er

Korrektiv

1

Ausfall

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

2000erZustands-

basiert

(Praumlventiv)

3

Erkennung der Zustandsaumlnderung

Predictive Maintenance

Mustererkennung Machine

Learning-Algorithmen

Regelbasierte und

physikalische Modelle

Simulation des

Maschinenverhaltens mittels

Digtial Twin

Erkennung von Fehlfunktionen

Lebensdauervorhersage

Heute hellip

Predictive

4

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001

20

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 21: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Mindestumfang

Erweiterter Umfang

Schwierigkeit

Dynamisches Betriebsverhalten

R1 T1

180

215

250

285

320kNm

174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408

22301

hms

Drehmoment Rotorwelle T1

Drehzahlreferenz R1

Rotorwelle

Hauptlager

GetriebeGenerator

Gondel

Turm

(Rotor)

Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe

Aumluszligere Schwingungsanregung

Vielzahl innerer Erregermechanismen

) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 22: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 23: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 30

BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 24: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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BEISPIEL NUTZEN CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Vorteile von CMS

bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden

bull Verringerung der Folgeschaumlden

bull Planbarkeit der notwendigen

Instandhaltung

Verschiedene Studien nennen auf Basis

erkannter Schaumlden eine durchschnittliche

Amortisationszeit fuumlr die Investition in

CMS von 2 bis 4 Jahre

Der durch die fruumlhzeitige

Schadenerkennung und Planbarkeit der

Instandsetzung verminderte

Produktionsausfall ist darin nicht

beruumlcksichtigt

Quelle ua micro-Sen GmbH

bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -

detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr

die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo

Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt

Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 25: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anzahl schwingungsbasierter

Triebstrang CMS kumuliert

International 23861 CMS

An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben

Allianz Risk Consulting GmbH 2012

FAG Industrial Services

01db-Metravib ACOEM Bently Nevada

Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik

Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose

Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik

Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM

Bachmann Monitoring

CMC

Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25

Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000

dieser Systeme in Deutschland installiert

Bei einem Gesamtbestand in 2012 von

22297 Windturbinen waren etwa 22 der

Anlagen mit CMS ausgeruumlstet

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 26: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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03

Zustandsbeurteilung

amp Diagnose

Schwingungsbeurteilung

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 27: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

27

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 29

BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 28: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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Zustandsbeurteilung

Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit

Bezugswerten

Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in

einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung

Zustandsuumlberwachung

(Condition monitoring)

28

BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Diagnostik

Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)

Abweichung nach Art identifizieren betroffene

Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in

der Uumlberwachungsphase

Diagnostische

Uumlberwachung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 29: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 29

BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 30: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 30

BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen

Schwingungsbeurteilung

Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)

Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten

Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)

Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs

Schwingungs-

uumlberwachung

Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 31: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 32: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder

resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert

Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben

Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht

uumlberschritten werden

Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von

einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)

Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von

Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht

verbreitet

Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit

vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 33: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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04

33

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Turmschwingungen

FALLBEISPIEL

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 34: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ

0

100

200

300

400

500kNm

250

300

350

400

450

500 mHz

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

-3

-2

-1

0

1

2

3mssup2

1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250

18108

hm

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

043 ms2RMS | 66 mmsRMS

053 ms2RMS | 126 mmsRMS

Beurteilungsbeschleunigung |

-geschwindigkeit

nach VDI 3834

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 35: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

FFTpk_A_PL_axial

09995

10295

10595

10895

11195

11495

11795

12095

12395

12695

12995

13295

13595

13895

14195

14495

14795

15095

15395

15695

15995

1629510^3 s

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Hz

000

010

020

030

040

050

060

070

080

090

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200mssup2

Merkmale

Schwingungsanstieg bei

konstanter Frequenz

Keine direkte

Drehzahlabhaumlngigkeit

Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse

Zeit-

achse

Drehzahl 1s

Pitchwinkel deg

Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20

0

300

400

500

600

mHz

051015deg

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

103

s

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 36: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 37: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Link zum Video

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 38: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor

-500

0

500kNm

0

500 mHz

-5

0

5mssup2

-5

0

5mssup2

-1

0

1mssup2

-2

0

2mssup2

00

75

150deg

-3

0

3deg

123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800

18108

hms

Drehmoment Drehfrequenz

Schwingung transversal

Schwingung axial

Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz

Pitchwinkel bandpassgefiltert

Pitchwinkel

Ergebnis

Frequenz der Pitchregelung

trifft Turmbiegeeigenfrequenz

Ermittelte Beurteilungs-

beschleunigung

erreicht 053 ms2 eff

(01 Hz ndash 10 Hz)

Trotz dieser teilweise sehr

erheblichen Turmschwingungen

erfolgte aus dem

Steuerungssystem weder eine

Alarmierung noch eine

Abschaltung

Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

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Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

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05

Schwingungsbeurteilung

auf Basis von VDI 3834

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

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Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 40: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43

WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45

MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 41: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

41

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 42: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)

Wellenschwingungen von Turbosaumltzen

Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990

Wellen-

schwingungen

42

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN

VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)

Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von

Maschinen

DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1

Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)

DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)

Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von

Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -

Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)

Lager-

schwingungen

ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW

ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen

ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW

ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen

ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen

ISO 10816-72009 Kreiselpumpen

ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren

ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe

ISO 10816-212015 Windenergieanlagen

DIN ISO 20816-12017

Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von

Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)

abgeloumlst durch

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen

im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43

WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45

MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

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Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

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Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

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Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN

ANWENDBAR

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

W1

W2

W3

WGen

Moumlgliche Anwendung der

Wellenschwingungsmessung bei

Groszligwaumllzlagern und bei groszligen

Generatoren (Luftspaltmessung)

zur Schwingungsbeurteilung und

Zustandsuumlberwachung

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 44: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von

Maschinen durch Messungen an nicht-

rotierenden Teilen ndash

Teil 21 Windenergieanlagen mit

horizontaler Drehachse und Getriebe

VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der

mechanische Schwingungen von

Windenergieanlagen und deren

Komponenten ndash Wind-energieanlagen

mit Getrieben

Schwingungen von

Windenergieanlagen

VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit

Getriebe

DIN ISO 10816-21

VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne

Getriebe (direkt-angetriebener

Generator)

kurz vor der Fertigstellung

Link zur VDI 3834 Blatt 1

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

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Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 45: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 47: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird

Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen

bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten

bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen

und der von auszligen einwirkenden Schwingungen

(Schwingungsemission und ndashimmission)

VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen

bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit

bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen

01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz

bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten

Beurteilungsdauer

bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 49: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49

UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Quelle Hewlett Packard

Effektivwert

rms

Effektivwert in

verschiedenen

Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte

vs frequenzselektive

Kennwerte

Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband

Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung

von Maschinen und Anlagen

Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse

Klassisches CMS-Anwendungsgebiet

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 50: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Struktur Gondel | Structure Nacelle

1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing

2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange

3 Generatorseite | Generator side

Triebstrang | Drive train

A1 Hauptlager | Main bearing

B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3

Gearbox measurement plains 1 ndash 3

C1 C2 Generator | Generator

Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 51: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Bewertungszonen in VDI 3834

bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000

Windenergieanlagen ausgewertet

Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der

Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo

Effektivwert rms

Anlagen ohne

bdquoProblemeldquo

Anlagen mit

bdquoProblemeldquo

Haumlufigkeit

977

Zonengrenze BC

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834

BEWERTUNGSZONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1

Beschl

ms2 eff

Zone B

Zone C

Zone D

Komponente

75

10

03

1612

Beschl

01 ndash 10

Hz

Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator

05

03

Geschw

01 ndash 10

Hz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

60

100

2

32

Beschl

01 ndash 10

Hz

Beschl

001 ndash 2

kHz

Geschw

001 ndash 1

kHz

05

03

35

56

Beschl

001 ndash 5

kHz

6

10

Geschw

001 ndash 1

kHz

Geschw

mms eff

Kenngroumlszlige

Frequenz-

bereich

Zone B

Zone C

Zone D

Beschl

01 ndash 10

Hz

Zone B

Fuumlr Dauerbetrieb

geeignet

Zone C

Uumlblicherweise fuumlr

Dauerbetrieb

nicht geeignet

Ursache der

Schwingungen

untersuchen

Zone D

Schaumlden koumlnnen

entstehen

umgehende

Ursachenanalyse

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55

SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash

BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung

bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag

WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC

ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD

bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch

abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden

Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht

bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung

bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System

bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA

insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

Page 56: BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG … · 2020. 10. 27. · BRAUCHEN WINDTURBINEN SCHWINGUNGSÜBERWACHUNG UND CONDITION MONITORING? ... Wellen-

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06

56

Leistung 226 MW

Drehzahl 6864 min-1

(Bild exemplarisch)

Erfahrungen aus der

Uumlberwachung groszliger

Anlagenpopulationen

BEISPIELE

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung

1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA

2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens

zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen

und Bewertungszonen

3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung

und Anlagenoptimierung

Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281

und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

CMS

Steuerung SCADA

schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Kennwert

nach VDI 3834

CMS Service

detailliert

fruumlhzeitig

VDI 3834

Kennwert Innenring

VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess

) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik

VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler

bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren

den Energieinhalt eines Signals

bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum

Effektivwert liefern

Beispiele

bull Aufstellungs- Montagefehler

bull Ausrichtungsfehler

bull Fortgeschrittene Schaumlden

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH

ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE

bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D

bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel

bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen

60

UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator

Komponente

Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz

hellip10 16

212

Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10

126

Generator Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 5000 Hz

Beurteilungsgeschwindigkeit

10 ndash 1000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

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Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

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Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Zustandsuumlberwachung

mittels CMS

Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

07ZUSAMMENFASSUNG

65

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Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

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ZUSAMMENFASSUNG

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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

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CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren

Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

Getriebe Beurteilungsbeschleunigung

10 ndash 2000 Hz

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Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

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und Schaumlden

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Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

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Standardisierte

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VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe

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Fruumlhere Detektion von

energiearmen Fehlern

und Schaumlden

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Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

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und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

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CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

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CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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Fazit

Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen

Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug

zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen

Vorteile der Nutzung

bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)

bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes

Leitstandssystem SCADA

bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

CMS

CMS Kennwert

nach VDI 3834

Steuerung

SCADA schnelle Kopplung

unspezifisch

CMS Servicedetailliert

fruumlhzeitig

Kennwert

nach VDI 3834

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und Condition Monitoring

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Ja technisch sehr

sinnvoll

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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

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Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

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VIELEN DANK FUumlR IHRE

AUFMERKSAMKEIT

70

wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen

Thomas Gellermann

Vorsitzender des VDINALS FA623 C23

CATIV zertifiziert ISO 18436-2

Allianz Risk Consulting GmbH

Allianz Zentrum fuumlr Technik

Tel +49893800 ndash 6236

Email thomasgellermannallianzcom

Link zum Programm der Tagung

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Brauchen Windturbinen

Schwingungsuumlberwachung

und Condition Monitoring

Ja technisch sehr

sinnvoll

07ZUSAMMENFASSUNG

66

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ZUSAMMENFASSUNG

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

Anlagensteuerung und im SCADA

Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung

67

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)

AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik

Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

Ja = A Nein = B Neutral = C

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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)

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Sicherheitssystem

Schutzuumlberwachung

der Turmschwingungen

Condition Monitoring System

CMS + SHM

Standardisierte

Schwingungsuumlberwachung

VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll

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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen

sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen

Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde

2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit

erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren

Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)

3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten

Konfiguration an)

Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS

4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der

absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834

Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS

5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der

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Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet

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VDI 3834

Ja = A Nein = B Neutral = C

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