inVETra: Intelligente Verbindungselemente in Tragstrukturen und Antriebssträngen von Windenergiekonvertern

Auf einen Blick

• Condition Monitoring Systeme überwachen automatisiert Großkomponenten von Windenergieanlagen (WEA) während des Betriebs, um Schadensfälle möglichst frühzeitig zu erkennen.
• Um diese Früherkennung zu verbessern und so Instandhaltungskosten zu senken, entwickeln die Partner im Projekt inVETra eine neuartige Sensorschraube, die mit einem Messwandler sowie einer Auswerteelektronik ausgestattet ist, und ein dynamisch nachgeführtes CMS.
• Das Fraunhofer IWES ist in einem Teilprojekt unter anderem für die Erprobung und die Validierung der Sensorschrauben für eine spezifische Anwendung in WEA verantwortlich.

Herausforderung

Condition-Monitoring-Systeme (CMS) werden bereits seit vielen Jahren zur automatisierten Zustandsüberwachung von WEA im Betrieb gesetzt. Sie sorgen dafür, dass Schäden an wichtigen Bauteilen möglichst früher erkannt werden, um Wartungen planbarer zu machen und so Reparaturen möglichst zu vermeiden. Eingesetzte Techniken sind in der Regel die Nutzung bestehender Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-Daten, vibrationsbasierte Systeme oder die Analyse von Öl-Eigenschaften.

Obwohl aktuelle Systeme wirtschaftlich eingesetzt werden, betragen die Instandhaltungskosten heutiger Windenergieanlagen etwa 20-35 Prozent der Lebensdauerkosten. Eine Kostensenkung im Betrieb ist daher von großem Interesse.

Lösung

Hier setzt das Forschungsprojekt inVETra an. Ziel ist es, ein innovatives CMS basierend auf einem neuartigen Sensorkonzept zu entwickeln. Die Kerninnovationen sind eine Sensorschraube, bei der genormte Schrauben, die schon jetzt in WEA eingesetzt werden, als Sensorträger zum Einsatz kommen und mit einem Messwandler sowie einer Auswerteelektronik ausgestattet sind, und ein dynamisch nachgeführtes CMS.

Das patentierte Konzept der Sensorschraube, die bisher lediglich als handgefertigter Prototyp zum Einsatz gekommen ist, wird im Projekt inVETra zu einem marktreifen Produkt entwickelt. Die Schrauben liefern hochaufgelöste Informationen über die auf die WEA einwirkenden Kräfte, welche neben der direkten Schraubenüberwachung zusätzlich mithilfe des speziell für die Sensorik konzipierten CMS detaillierte Rückschlüsse auf die Belastungen sowie den Zustand einzelner Tragstruktur- und Antriebsstrangkomponenten geben. Da der Einbau wie bei normalen Schraubverbindungen erfolgt, ist die Sensorschraube als Retrofit-Lösung auch in bestehenden Anlagen nachrüstbar.

Mehrwert  

In einem Teilprojekt ist das Fraunhofer IWES für die Erprobung und die Validierung der Sensorschrauben für die spezifische Anwendung in WEA verantwortlich. Dazu werden die Schrauben an institutseigenen Großprüfständen mit realen Schnittstellenbauteilen in verschiedenen Versuchen eingebaut. Hierbei wird der Fokus auf die Verbindung von Hauptwelle und Nabe sowie Blattlager und Rotorblatt gelegt. Neben der Bestimmung der WEA-spezifischen Anforderungen an die Montage und Datenerfassung, fällt auch die Auswertung der Messdaten in den Projektbereich des IWES. Darüber hinaus unterstützt das IWES mit seinem Systemwissen bei der Interpretation der Messdaten und der Erstellung von Modellen.