GESAMTSCHÄDIGUNG WENIGSTENS EINER ROTIERENDEN KOMPONENTE EINES ANTRIEBSSTRANGS Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer theoretischen Gesamtschädigung wenigstens einer rotierenden Komponente eines Antriebsstrangs sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Wenngleich die vorliegende Erfindung vornehmlich in Bezug auf Windenergieanlagen (WEA) beschrieben wird, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern prinzipiell bei allen Arten von Kraftwerken und Anlagen einsetzbar, bei denen eine Auslegung eines Antriebsstrangs im Hinblick auf ein zu erwartendes Lastkollektiv erfolgt. Die Erfindung entfaltet jedoch besondere Vorteile für Anlagen, bei denen ein Austausch besonders aufwendig ist, bspw. bei Offshore-Anlagen. Antriebsstränge aufweisend Komponenten wie beispielsweise Getriebe, Kupplungen und Verbindungselemente (Wellen) sind wichtige Bestandteile verschiedener elektrischer Energieerzeugungsanlagen, wie z.B. von Windenergieanlagen, Wasserkraftanlagen etc. Der Antriebsstrang erfüllt die Aufgabe, eine mechanische Verbindung zwischen einem Antrieb (beispielsweise einem Rotor einer Windenergieanlage) und einem Abtrieb (beispielsweise einem entsprechenden Generator) herzustellen, über welche durch eine Drehbewegung Energie übertragen wird. Antriebsstrangkomponenten, wie Getriebe, dienen dazu, die Drehzahl (bzw. Rotationsgeschwindigkeit) und das Drehmoment, die am Antrieb anliegen, auf Werte zu übersetzen, die dem Arbeitsbereich des Generators entsprechen. Wellen stellen die mecha- nische Verbindung zwischen den beteiligten Komponenten her. Auch weitere Komponenten, wie mechanische Bremsen oder dergleichen, können im Antriebsstrang integriert sein. Kupplungen können bei Bedarf zwischen zwei Komponenten bspw. zum Ausgleich von Versatz angeordnet sein.

Antriebsstränge bzw. dessen Komponenten haben eine gewisse Lebensdauer, die im Wesentlichen von der Belastung (Drehmoment, Torsion, Schwingungen usw.) abhängt. Antriebsstränge können deshalb im Hinblick auf ein zu erwartendes (im Vorhinein berechnetes) Lastkollektiv ausgelegt werden.

Ein möglichst unterbrechungsfreier Betrieb von Windenergieanlagen ist eine wesentliche Voraussetzung für ihre Wirtschaftlichkeit. Insbesondere ungeplante Betriebsunterbrechungen generieren beträchtliche Reparaturkosten und führen häufig zu Versicherungsfällen. Zur Vermeidung derartiger Nachteile ist bei WEA häufig eine sogenannte zustandsorientierte Instandhaltung vorgesehen, die beispielsweise auf Basis einer schwingungsbasierten Zu- standsüberwachung (Condition Monitoring, CM) von Rotorblättern in entsprechenden Zu- standsüberwachungseinrichtungen bzw. -Systemen (Condition Monitoring Systems, CMS) erfolgt. Durch derartige Maßnahmen lassen sich z.B. beginnende Schäden in Rotorblättern frühzeitig erkennen. CMS sind häufig zur Ferndiagnose eingerichtet, wobei die Zustands- meldungen in zertifizierten Diagnosezentren, häufig durch speziell geschultes Personal, ausgewertet werden.

Jedoch kommen in WEA auch Komponenten zum Einsatz, für die keine Überwachungsmög- lichkeiten bekannt sind, wobei die Erfindung auf den Antriebsstrang und dessen Komponenten abzielt. Diese können, wie erwähnt, anhand der voraussichtlichen Lastbedingungen ausgelegt werden. Die tatsächliche Lebensdauer ist jedoch während des Betriebes nicht bekannt, so dass die Wartung nicht zustandsorientiert erfolgt. Es besteht daher der Bedarf nach einer Möglichkeit, die Lebensdauer von Komponenten eines Antriebsstrangs in Ener- gieanlagen zur Laufzeit ("online") zu bestimmen.

Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Bestimmung einer Gesamtschädigung wenigstens einer rotierenden Komponente eines Antriebsstrangs, insbesondere einer Wind- oder Wellenenergieanlage, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende eingerichtete Recheneinheit zu dessen Durchführung vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestal- tungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, eine Gesamtschädigung wenigstens einer rotieren- den Komponente eines Antriebsstrangs, insbesondere in Wind- oder Wellenenergieanlagen, zur Laufzeit zu bestimmen und einer zustandsorientierten Wartung zugänglich zu machen. Die Erfindung bedient sich dazu insbesondere einer Erfassung von durch die zu überwachende Komponente übertragenem Drehmoment und der Drehzahl, um eine Klassierung in Richtung Belastungskollektiv durchzuführen. Durch die tatsächliche Erfassung des

Istkollektivs der Beanspruchung und dem Vergleich mit dem Auslegungskollektiv lässt sich die bisher eingetretene Gesamtschädigung (entspricht einem Abnutzungsgrad) der Komponente bestimmen.

Bevorzugte Methoden zum Bestimmen des Istkollektivs bedienen sich insbesondere aus dem Gebiet der Betriebsfestigkeit bekannter Methoden. Insbesondere eignen sich Zählverfahren, Spitzenwert- Momentanwert- und Verweildauerverfahren oder eine Rainflow- Klassierung.

Vorzugsweise wird lediglich eine das Drehmoment kennzeichnende Größe über die Zeit er- fasst. Eine die Drehzahl kennzeichnende Größe kann aus dem Verlauf des Drehmomentsignals ermittelt werden. Beispielsweise bei einer Windkraftanlage resultiert aus dem Turmschatten eine periodische Ungleichförmigkeit im Signal. Periodische Elemente können ggf. auch in Drehzahlsignalen anderer Anlagen identifiziert werden. Die Erfindung eignet sich besonders zur Verwendung in Wind- und Wellenenergieanlagen (Strömungs- und Gezeitenkraftwerke im Bereich der Fluss- und Meeresenergienutzung), da hier, wie erwähnt, eine Wartung besonders aufwendig ist. Da die momentan an der Anlage angreifenden Belastungen (bedingt durch stark variierende Windgeschwindigkeit bzw. Strö- mung) auch höchst unterschiedlich sind, ist eine Kenntnis über die Gesamtschädigung besonders vorteilhaft.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. als Bestandteil einer Überwachungseinrichtung (CMS), ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash- Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten

Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 zeigt einen beispielhaften Drehmomentverlauf in einer zu überwachenden

Komponente, bspw. des Getriebes aus Figur 1. Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt in einer schematischen Ansicht den grundlegenden Aufbau einer Energieerzeugungsanlage 100, die zur Durchführung der Erfindung eingerichtet ist. Die Energieerzeu- gungsanlage 100 ist als Windenergieanlage mit einem Rotor 1 und einem elektrischen Generator 6 ausgebildet, die durch einen Antriebsstrang aufweisend eine Rotorabtriebswelle 2, ein Getriebe 3, eine Kupplung 4 und eine Generatorantriebswelle 5 mechanisch miteinander verbunden sind. Der Rotor 1 ist als Antrieb an einem antriebsseitigen Ende 1' des Antriebsstrangs 2-5, der Generator 6 als Abtrieb an einem abtriebsseitigen Ende 6' angebracht. Zwei Drehwinkelsensoren 7, 8 an der Rotor- 1' und der Generatorseite 6' des Getriebes 3 ermitteln je einen Winkel φ·, bzw. φ ₂ als das Drehmoment kennzeichnende Größen. Die Winkeldifferenz entspricht einem Torsionswinkel über das Getriebe 4, welcher einem Torsionsmoment und damit einem Drehmoment proportional ist. Eine bevorzugte Drehmomenterfassung kann sich auch eines oder mehrerer Dehnungsmessstreifen bedienen, die auf einer Welle angebracht sind und deren Signal proportional einer Wellenverdrehung (Torsion) ist. Eine Torsionsmessung kann auch mittels eines in der Welle verlaufenden Magnetfeldes bzw. aus einer Verzerrung desselben erfolgen. Die Messwerte werden an eine Recheneinheit 9 übermittelt, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. In der Recheneinheit 9 wird auf Grundlage der Sensorsignale eine Gesamtschädigung des Getriebes berechnet.

Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet, die Messsignale über die Zeit zu erfassen. Insbe- sondere bei Windenergieanlagen resultiert aus dem Turmschatten eine Ungleichförmigkeit des Signals, woraus die eine gegenwärtige Drehzahl des Rotors bzw. der Welle 2 bestimmt werden kann. Vorteilhaft können so Drehmoment und gleichzeitig Drehzahl durch Erfassung lediglich eines das Drehmoment kennzeichnenden Signals ermittelt werden. Die Differenz der Drehwinkel φ-ι und φ ₂ ergibt den Torsionswinkel über das Getriebe 4, welcher dem Torsi- onsmoment und damit Drehmoment proportional ist.

Ein zeitlicher Verlauf des ermittelten Drehmoments ist in Figur 2 aufgetragen. Aus dem Verlauf ist eine regelmäßige Drehmomentschwankung aufgrund des Turmschattens bestimm- bar. Die Zeitdauer entspricht dem Winkel zwischen zwei Rotorblättern, bei herkömmlichen Anlagen 120°. Aus der Zeitdauer ist die Drehzahl bestimmbar.

Die Zeitdauer, Drehzahl und die dem Drehmoment proportionale Messgröße werden in der Recheneinheit zu einem Belastungskollektiv klassiert und kontinuierlich aufsummiert. Dadurch entsteht ein über die Lebensdauer des Antriebsstrangs der Windenergieanlage gültiges Beanspruchungskollektiv, welches mit dem ursprünglich den Kernkomponenten der Anlage zu Grunde liegenden Lastkollektiv verglichen werden kann. Unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Wöhlerlinienexponenten (z.B. für Wälzlager, Verzahnungen usw.) lässt sich ein sogenannter Gesamtschädigungsgrad bestimmen und mit einer zulässigen Sollschädigung vergleichen. Aus diesem Vergleich kann eine Restlebensdauereinschätzung für die Kernkomponenten einer WEA erfolgen, die u.a. für eine vorbeugende Instandhaltung und ggf. Ersatz bestimmter Komponenten genutzt werden kann.