Arten von Strukturverformungen

25. Spreewindtage
2016- Potsdam
Schwingungsminderung durch mehr geometrische Präzision
Dr. Edwin Becker –
Head of ServiceCenter
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PRÜFTECHNIK Condition Monitoring GmbH
Entwicklung und Produktion von Mess- und Prüfsystemen
zur Maschinenausrichtung, Maschinenüberwachung und
Service in den Bereichen der industriellen Instandhaltung
und Qualitätssicherung.
Firmensitz: Ismaning bei München
14 Niederlassungen und über 70 Distributoren weltweit
300 Patente und 150 Marken
Gegründet 1972 durch Dieter Busch
Mitglied der PRÜFTECHNIK Gruppe mit über 600 Mitarbeiter
weltweit
Homepage: www.pruftechnik.com
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Agenda
I.
Motivation
II. Schwingungen und Condition Monitoring Methoden
• Schwingungen als Informationsträger und zur Anlagenbeurteilung
• CMS als Datenlieferant und als Werkzeug zur Performanceoptimierung
III. Geometrische Fehlermöglichkeiten erfassen und durch geometrische Präzision
reduzieren
• Definition von Geometrieabweichungen
• Arten von Strukturverformungen
• Bewegungsbedingte Geometrieabweichungen und Messmöglichkeiten
IV. Beispiele und Zusammenfassung
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1. Motivation
2. Schwingungen und Condition Monitoring Methoden
• Schwingungen als Informationsträger und zur Anlagenbeurteilung
• CMS als Datenlieferant und als Werkzeug zur Performanceoptimierung
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Schwingungen als Informationsträger
 Windenergieanlagen sind komplexe Schwingungssysteme
 Triebstrangkomponenten auf Windenergieanlagen werden kompakter und
leistungsfähiger bei sinkender Einsatzmasse.
 Die dynamischen Beanspruchungen in der Windenergieanlage selbst sind
standortbezogen und je nach Betriebsweise unterschiedlich.
 Als Folgen entstehen oft Zusatzschwingungen, die beherrscht werden müssen.
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Schwingungsgüten als Beurteilungskriterium
 VDI 3834 und DIN ISO 10816-21 geben uns die Möglichkeit einzuschätzen,
welche Schwingungen tolerierbar und welche Zusatzschwingungen
grenzwertig sind.
Abschaltgrenzwert.
Schäden entstehen!
Alarmgrenzwert .
Begrenzt betreibbar
Dauerbetrieb
ohne Einschränkung
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Condition Monitoring Systeme als Datenlieferant
 Advanced CMS eignen sich, um das Laufverhalten online zu erfassen und kritische
Betriebszustände zu erkennen .
 Advanced CMS messen kontinuierlich Schwingungen, angefangen von sehr
niederfrequenten Maschinenschwingungen bis hin zu hochfrequenten
Körperschall.
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Condition Monitoring als Werkzeuge
 Es genügt jedoch nicht, die kritischen Schwingungs-, Beanspruchungs- und
Verschleißsituationen zu erkennen. Man sollte proaktiv handeln, um die
Schwingungen zu reduzieren und somit eine optimale Haltbarkeit der WEA zu
gewährleisten.
 PRUFTECHNIK Condition Monitoring bietet als Dienstleistungen hierfür :
• Remote Betriebswuchten und Pitchwinkeloptimierung
• Ausrichten mit Ausrichtvorgaben
• Geometrische Vermessungen am Turm, in der Gondel und am Triebstrang
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Weitere Condition Monitoring Methoden
 Geometrische Abweichungen zwischen den Wellen und Komponenten zueinander
lassen sich z.B. durch laseroptisches Ausrichten beherrschen.
 Wenn geometrische Präzision bei sehr großen WEA nicht mehr erreichbar sind,
werden zusätzliche geometrische Vermessungen erforderlich.
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3. Geometrieabweichungen erfassen und durch
geometrische Präzision reduzieren
• Definition von Geometrieabweichungen (allgemein, an der
Gondel und am Triebstrang)
• Arten von Strukturverformungen
• Bewegungsbedingte Geometrieabweichungen und
Messmöglichkeitem
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Definition von Geometrieabweichungen, allgemein
Mittels FMEA und FMECA lassen sich Kritizitäten von
Geometrieabweichungen in Systemen ableiten und Prioritäten zur
Optimierung ableiten.
Grundsätzlich ist bei den Geometrieabweichungen zwischen
•
•
•
•
Form- und Oberflächenabweichungen,
herstellbedingten Geometriefehlern,
Strukturverformungen (kinematisch, thermisch, gewichts- und
lastbedingt) und
Geometrieabweichungen im Bewegungsverhalten
zu unterscheiden.
FMEA…..Fehler Möglichkeiten Einfluss Analysen
FMECA.. Fehler Möglichkeiten Einfluss Kritizitäten Analysen
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Geometrische Fehlermöglichkeiten an WEA
Beispiel
einer FMEA
Drehen der Gondel
in Abhängigkeit von
der Windrichtung
Es ist anlagenbezogen festzustellen, wie hoch die Risiken sind von:
•
•
•
•
Form- und Oberflächenabweichungen
Herstell- & montagebedingte Geometriefehler
Strukturverformungen
Geometrieabweichungen im Bewegungsverhalten
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Geometrische Fehlermöglichkeiten am Triebstrang
Beispiel
einer FMEA
Veranschaulichung einiger
Fehlermöglichkeiten
Es ist anlagenbezogen festzustellen, wie hoch die Risiken sind von:
•
•
•
•
Form- und Oberflächenabweichungen
Herstell- & montagebedingte Geometriefehler
Strukturverformungen
Geometrieabweichungen im Bewegungsverhalten
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Arten von Strukturverformungen
Kinematisch begründete Strukturverformungen
Qualitätsabweichungen und nicht präzise Montage und Ausrichtung von Maschinenkomponenten zueinander führen zu kinematisch begründeten Strukturverformungen.
Diese herstellbedingten Fehler können sich aber auch langsam über die Zeit infolge von
Verschleiss, Materialermüdung und/oder Setzungen ändern.
Bei schlagartigen Veränderungen sind Lockerungen, Risse, Kollisionen und andere
Gewalteinflüsse in Erwägung zu ziehen.
Beispiel: Montageabweichung in der Ausrichtung Generator zum Getriebe
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Beispiel: Zusatzverformungen im Grundrahmen und
Verkippungen an der Momentenstütze
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Arten von Strukturverformungen
Last- und gewichtsbedingte Strukturverformungen
Bei WEA können das Gewicht und die Position von Komponenten einen signifikanten
Einfluss auf die Geometrie der Anlage und/oder Anlagenkomponenten haben.
Insbesondere bei Multimegawatt-WEA sind diese last- und gewichtsbedingten
Strukturverformungen zu erfassen und zu berücksichtigen.
Beispiel: Die Montage des Rotors führt zu Verkippungen, die bei
der Ausrichtung zu berücksichtigen sind.
Oder zu weiche Grundrahmen verformen sich.
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Beispiel: Spannsitze müssen korrekt zueinander stehen,
bevor sie verbunden werden
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Arten von Strukturverformungen
Thermisch bedingte Strukturverformungen
Interne und externe Temperaturänderungen können zu thermomechanischen
Verspannungen und Verformungen führen. Als Folge ändert sich das dynamische
Laufverhalten und bei axialen Änderungen entstehen oft Zusatzschwingungen.
Diese thermisch bedingten Einflüsse sollten vorab ermittelt werden, so dass sie unter
Betriebsbedingungen nicht das Lauf- und Betriebsverhalten beeinflussen.
Beispiel: Anordnung zur Laserbasierten online-Erfassung von Positionsveränderungen zwischen Hauptlager und Getriebegehäuse
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Arten von Strukturverformungen
Lastdynamisch begründete Strukturverformungen
Insbesondere bei elastisch nachgiebigen System- & Maschinenkomponenten entstehen
unter Betriebsbedingungen zusätzliche geometrische Abweichungen, die durch dynamische
Steifigkeiten beeinflusst werden.
Aber auch dynamische Kräfte aus dem Rotor oder Belastungen beim Beschleunigen &
Abbremsen, Regelvorgängen und Resonanzdurchläufen können zu
Geometrieabweichungen führen, was sich in Strukturverformungen und/oder als
Zusatzschwingungen wie dargestellt auswirkt.
Zweimonatige Aufzeichnung der Schwinggeschwindigkeitskennwerte
über die Rotordrehzahl am Hauptlagermesspunkt
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Verantwortliche Verformungen
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Beschreibung von bewegungsbedingten
Geometrieabweichungen und Messmöglichkeiten
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Bewegungsbedingte Geometrieabweichungen
Wie lassen sich Bewegungen allgemein beschreiben?
Jede Bewegung wird durch sechs Freiheitsgrade
beschrieben.
Drei Translationen und drei Rotationen.
X,Y und Z beschreiben die linearen Bewegungen.
A,B und C beschreiben die Drehungen um X,Y und Z
(entsprechend ISO 841)
Für eine angenommene lineare Bewegung z.B. der
Maschinengondel bestehen die 6
Komponentenabweichungen
- aus der Positionsabweichung
- Zwei Geradheitsabweichungen
- Einer Rollabweichung
- Zwei Neigungsabweichungen (Nick- und
Gierabweichungen bei horizontalen Maschinen)
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Messung von bewegungsbedingten
Geometrieabweichungen
Wie lassen sich bewegungsbedingte Geometrieabweichungen beschreiben?
Innovative Messtechnik wird benötigt, um z.B. die Turm & Gondelbewegungen
möglichst umfassend zu beschreiben. Lasermesstechniken und hybride
Beschleunigungssensoren sind dafür besonders geeignet. Oder es werden
entsprechende Messtechniken in der rotierenden Nabe montiert.
Damit läßt sich dann das bewegungsbedingte typische Verhalten ermitteln.
Wenn genügend Erfahrungen vorliegen, aber auch verwenden, um unerwünschte
bewegungsbedingte Geometrieabweichungen zu identifizieren.
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4. Beispiele
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Vermessung von Oberflächenprofilen
Folgende Oberflächenprofile lassen sich in der Windbranche
laseroptisch vermessen:
Maschinenfundamente
Turmflansche
Kreisförmige und rechteckige Flansche
Anschließend entstehen 3D Ansichten der Vermessung zur
Verdeutlichung der Messergebnisse sowie eine 2 D-Ansicht mit
den tatsächlichen Messwerten
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Vermessung von Formabweichungen
 Damit lassen sich aber auch Formabweichungen (Geradheiten und
Ebenheiten) gezielt verbessern.
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Vermessung von Lagegenauigkeiten
 Lagegenauigkeiten prüfen
• Ausrichtanweisungen erfordern Ausrichtvorgaben. Dazu sollten jedoch zuerst
die Lagegenauigkeiten zwischen Hauptlager und Getriebe überprüft werden.
• Erst wenn diese korrekt sind, sind die Ausrichtvorgaben zu ermitteln.
• Sind Lagegenauigkeiten nicht gegeben, entstehen Verzwängungen und
zusätzliche Verlagerungen, die sich über das Getriebe bis hin zum Generator
auswirken.
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Vermessung von relativen Bewegungen
 Relative Bewegungen zwischen Getriebegehäuse und den Lagerböcken prüfen
• Es lassen sich messtechnisch Verdrehungen und/oder unerwünschte
Verkippungen ermitteln, wenn der Rotor langsam dreht, die Gondel sich um
360 Grad dreht und/oder Seitenkräfte wirken.
• Erst wenn diese korrekt sind, sollte ausgerichtet werden.
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Vermessung von Parallelitäten von Achsen
 Messung der Parallelität der beiden Getriebebolzen zur Hauptwelle
• Plötzliche Getriebeausfälle können auch in Geometrieabweichungen
begründet sein. Mit dieser Anordnung läßt sich kontrollieren, wie hoch die
Korrekturen zum Herstellen der Parallelität sein sollten.
• Erst wenn diese korrekt sind, sollte das Ausrichten stattfinden.
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Vermessung von Ausrichtvorgaben
 Ausrichtvorgaben ermitteln und laseroptisches Ausrichten
• Sachgerechte Ausrichtanweisungen beinhalten Ausrichtvorgaben.
• Laseroptisch lassen sie sich ermitteln und beim Ausrichten benutzen
Mit Magnet und Kettenspannvorrichtung
Mit PRUFTECHNIK Special Messvorrichtung (Messung kann mit
Kupplungsschutz erfolgen!)
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Das laseroptische Ausrichten selbst
 Wellenausrichtung (radial, winklig) verbessern – Maschine Messen und
ausrichten
Gemessener
Istwert
Optimierter
Sollwert
Sollwert – Istwert
= Korrekturwert.
Betriebszustand
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Neu: Vermessung von Ausrichtgüten am
kompletten Triebstrang
 Die Gondel muß beim Ausrichten in Windrichtung stehen, seitlicher Wind
verfälscht den Ausrichtvorgang!
• In diesem Beispiel würde ein starker Parallelversatz entstehen und falsch
korrigiert werden.
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Thank you
[email protected]
www.telediagnose.com
PRÜFTECHNIK Condition Monitoring GmbH
Oskar-Messter-Str. 19-21,
85737 Ismaning,Germany
VIBGUARD XP,
Advanced Online
CMS
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