Softwarelösungen für Belastungs- und Ermüdungsanalysen an Windkraftanlagen

Ungeplante Ausfallzeiten von bis zu 300 Stunden – ein Horrorszenario für die Betreiber von Windkraftanlagen, das nur durch das perfekte Zusammenspiel sämtlicher Turbinen-Komponenten, optimal geplante Wartungsintervalle und die Berücksichtigung von Materialermüdungen bei unterschiedlichen Belastungsszenarien vermieden werden kann.

Aber wie lassen sich verlässliche Aussagen darüber treffen, wie die Betriebsbereitschaft ein Windturbine zum Beispiel in zwanzig Jahren aussieht? Nur spezielle Software für Ermüdungs- und Belastungsanalysen kann die Konstrukteure bei ihrer Arbeit um die Widerstandsfähigkeit der Materialien und Kosteneffizienz zu verbessern.

Die Nachfrage nach Windenergie wächst stetig. Allein in Deutschland sollen bis zum Jahr 2030 25.000 Megawatt aus Windkraftanlagen in Offshore-Parks stammen. Aber auch in zahlreichen anderen Ländern ist diese regenerative Energie auf dem Vormarsch. Dies zeigt sich insbesondere an den USA: Hier wuchs die aus Windanlagen gewonnene Energie in 2007 um 45% im Vergleich zum Vorjahr. Und China hat im August 2009 den massiven Ausbau der Windenergie angekündigt: Bis 2020 sollen landesweit 100.000 Megawatt aus entsprechenden Anlagen gewonnen werden.

Unplanmäßige Ausfallzeiten von bis zu 300 Stunden

Es liegt auf der Hand, dass diese neue Energiepolitik auch größere Anforderungen an das verwendete Material stellt, insbesondere an die Turbinen der Windkrafträder. Die Nichtverfügbarkeit einer Windanlage bedeutet hohe Kosten, die bei einer Offshore-Anlage schnell zu einem kritischen Faktor werden können, denn hier sind unplanmäßige Reparatur- und Wartungsarbeiten enorm aufwändig. Die Studie „Reliability of Different Wind Turbine Concepts with Relevance to Offshore Application“ der European Wind Energy Conference (EWEC) aus dem Jahr 2008 ergab, dass zum Beispiel Schwierigkeiten im Betrieb eines Turbinen-Getriebes eine durchschnittliche Ausfallzeit von bis zu 300 Stunden nach sich ziehen kann.

Materialanforderungen steigen

Dass generell die Notwendigkeit besteht, die Materialen widerstandsfähiger zu gestalten, zeigt auch, dass neuere Maschinen, die über 2 Megawatt produzieren, anfälliger für unerwartete Probleme sind. Dies liegt vor allem am steigenden Gewicht: Der Rotor wiegt normalerweise zwischen 10 bis 20 Tonnen, bei einigen neueren Maschinen kann das Gewicht aber auch bis zu 50 Tonnen betragen. Die Herausforderung besteht also darin, Gewicht einzusparen und gleichzeitig die strukturelle Festigkeit und Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Kumulierte Schadensmodelle lassen Rückschlüsse auf eine optimale Konstruktion zu

Auch mögliche Notausschaltungen, die in der Norm ISO-IEC 61400 definiert sind, und die Einflüsse des Kontrollsystems müssen berücksichtigt werden. Denn diese zusätzlichen Anforderungen können die zulässigen Belastungen im täglichen Betrieb um ein signifikantes Maß überschreiten. Diese Anforderungen müssen darüber hinaus auch noch in Zusammenhang mit den aktuellen Abnutzungsschäden gebracht werden, die die Anlage im normalen, laufenden Betrieb bislang genommen hat. Denn eine potentielle Notausschaltung kann auf eine gerade erst in Betrieb genommene Anlage natürlich ganz andere Einflüsse haben als auf eine Anlage, die bereits mehrere Jahre ihren Dienst verrichtet. Diese kumulierten Schadensmodelle, die eine Anlage in zwanzig Betriebsjahren theoretisch überstehen muss, lassen dann Rückschlüsse auf eine optimale Konstruktion und perfekt abgestimmte Wartungsintervalle zu.

Ermüdungsanalysen an Getriebekomponenten

Diese Rückschlüsse können natürlich nicht durch einen zwanzig Jahre dauernden Langzeittest gezogen werden. Nur spezielle Software für Ermüdungs- und Belastungsanalysen, mit der schon während der Entwicklung die richtigen Entscheidungen getroffen werden können, ist hier eine Lösung. So setzt Hansen Transmissions, ein weltweit führender Getriebe-Hersteller für Windturbinen, auf die Software DesignLife™ von HBM nCode, um Ermüdungsanalysen an Getriebekomponenten durchzuführen und die hohen Anforderungen, die an die Haltbarkeit der Turbinen gestellt werden, zu erfüllen.

Verbesserte Kosteneffizienz

Durch die Entscheidung für DesignLife™ konnte Hansen Transmissions sofort die Ermüdungs- und Belastungsanalysen optimieren. Die Software unterstützt die Ingenieure, mehr Konstruktionsvarianten in kürzerer Zeit zu berechnen und zu beurteilen, die Entwicklungs- und Testzyklen deutlich zu reduzieren und damit die Kosten drastisch zu verringern. Darüber hinaus arbeitet die Software problemlos mit der ANSYS® Software zusammen, die zur FEM-Analyse verwendet wird.

Komplexe Belastungsszenarien

Bevor sich Hansen Transmissions für DesignLife™ entschied, wurden zahlreiche Softwarelösungen einem intensiven Leistungsvergleich unterzogen. Dazu Dr. W. Meussen, Leiter der Antriebsstrang-Entwicklung bei Hansen Transmission: „Wir haben uns für DesignLife™ entschieden, da die Software eine intuitive Benutzeroberfläche mit den Analysefunktionen kombiniert, die wir für rotierende Maschinen benötigen, sowie die Möglichkeit, komplexe Belastungs-Szenarien nachzuvollziehen. Die nCode Entwickler haben uns während des gesamten Prozesses optimal unterstützt und sichergestellt, dass DesignLife™ genau unseren Anforderungen entspricht.“

Optimal für die Applikation geeignet

Jon Aldred, Produktmanager für DesignLife™ bei HBM nCode: „Windenergie ist ein rasch wachsender Markt für HBM nCode, da Haltbarkeit der wichtigste Faktor in der Windturbinen-Konstruktion und den damit verbundenen Systeme ist. Durch Ermüdung hervorgerufene Ausfälle sind äußerst kostenintensiv, sowohl was die Reparatur, als auch die Ausfallzeiten anbelangt. Dass Hansen Transmissions sich für DesignLife™ entschieden hat, um die wichtigsten Komponenten bereits während der Produktentwicklung optimal zu konstruieren, zeigt, wie hervorragend DesignLife™ sich für solche Applikationen eignet.“

Aber auch die weiteren Softwarelösungen von HBM nCode können die Effizienz steigern und die Kosten senken. Ein Überblick:

DesignLife™ – Lebensdaueranalysen während der Entwicklung

nCode DesignLife™ ist die Software für die Lebensdaueranalyse. Dabei nutzt nCode DesignLife FEM-Ergebnisse sowie Betriebsfestigkeitstests für die Lebensdauerabschätzung – noch während der Produktentwicklung. Zahlreiche Belastungs-Szenarien können dabei berücksichtigt werden, wie zum Beispiel unterschiedliche Windstärken oder einmalige oder seltene Ereignisse wie Notabschaltungen – und dies über die komplette zwanzig Jahre dauernde Nutzung.

GlyphWorks – Testdatenanalyse

nCode GlyphWorks ist die führende Software für die Testdaten-Analyse. GlyphWorks verarbeitet große Datenmengen und bietet eine grafische, prozessorientierte Benutzeroberfläche.

Automation – Monitoring

nCode Automation bringt Analyse und Test zusammen: In Echtzeit können die Belastungen, die eine Windturbine im realen Einsatz aushalten muss, ermittelt werden. Die gesammelten Daten können anschließend an die FEM-Software weitergeleitet werden, wo sie analysiert und mit den Konstruktions-Erwartungen verglichen werden. Die Ergebnisse können dann bei Neu-Entwicklungen berücksichtigt werden.

Funktionstests an Windanlagen mit Drehmoment-Messflanschen

Soll zusätzlich die Effizienz der Leistungsübertragung vom Motor an das Getriebe überprüft sowie der laufende Betrieb überwacht werden, bietet sich die Installation eines Drehmoment-Messflansches an. Diesen Ansatz verfolgt die Siemens Ltd. China bei ihren Funktionstests von Turbinen-Getrieben für Windkraftanlagen. Zum Einsatz kommt hier ein T10FM Flansch für die Messung von Drehmomenten von bis zu 50KNm, um die möglichst verlustfreie Leistungsübertragung von Motor an das Getriebe durch entsprechende Messdaten zu belegen.

Der T10FM wird dabei direkt zwischen Motor und Getriebe installiert, was durch die hohen zulässigen Querkräfte möglich wird. Die Signale werden anschließend vom MP60DP Einkanal-Messverstärker für Inkrementalgeber über Profibus ohne Verlust an einen PC, der mit entsprechender Datenverarbeitungs-Software ausgestattet ist, weitergeleitet.

nCode GlyphWorks

nCode Automation

nCode DesignLife

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