Détection préventive des dommages sur les pales du rotor d’éolienne

En développant ce système SHM, l'occasion s'est présentée d’employer la métrologie pour accompagner un essai de fatigue réaliste sur un banc d'essai de pales. L'essai comportait plusieurs cycles de quelques millions de charge dans la direction du battement de la pale et avec des interruptions, cela a pris environ 2 mois et demi. La configuration des capteurs, déjà décrite, a été montée sur la pale pour cet essai. Deux capteurs de déflexion ont donc été installés de manière à détecter les amplitudes de déplacement de la pale sur le côté et dans la direction du débattement, à 23 m à partir de la fixation de la pale, et quatre jauges de contrainte optiques. Ces jauges de contrainte toujours étaient installées, décalées de 90° et positionnées dans la direction longitudinale de la pale, afin de détecter l'effort de flexion. L'objectif de l'essai était de contrôler la structure de la pale en amplitudes de contrainte aux endroits définis sur la pale, selon les exigences des autorités de certification.

Une structure comme celle-ci doit pouvoir résister sans dommages à des efforts dynamiques appliqués en continu, au-delà du nombre exigé de cycles de charge. Après l'accomplissement officiel de l'essai de fatigue, des dommages ont été constatés et l'essai a été remis en marche. Il était possible de détecter métrologiquement ces dommages sur la pale, l'essai a été alors interrompu, les dommages réparés et après un changement structurel, l'essai a été de nouveau remis en marche. L'analyse selon la méthodologie appliquée, basée sur la méthode de proportionnalité, est reproduite dans figs. 11 et 12.

Fig. 11 Progression dans le temps du facteur de proportionnalité du capteur à gauche (bord d'attaque) Fig. 12 Progression dans le temps du facteur de proportionnalité du capteur à droite (bord d'attaque)

Les résultats du facteur de proportionnalité déterminés à partir des deux capteurs de déflexion et des jauges optiques de corrélation sont évidents là. Car les diagrammes montrent, que l'essai a été arrêté pendant deux jours après que l'enregistrement ait commencé. Peu avant, les deux facteurs de proportionnalité avaient clairement laissé leur niveau commençant jusqu'à la ligne rouge, en raison de l'augmentation des dommages qui ont été présents. Après une période courte d'arrêt, indiquée par la ligne pointillée, l'essai a été de nouveau remis en marche, comme marqué par 2. Au cours de la période d'arrêt, les dommages qui avaient été détectés ont été réparés, comme déjà mentionné ci-dessus, et les changements structurels ont été faits dans le secteur du plat de liaison. L'essai a été fini sans autre interruption imprévue. Il est à remarquer qu'après que l'essai ait été remis en marche, les niveaux de facteur de proportionnalité ont beaucoup changé. La raison de ce changement est que les changements structurels cruciaux dans le secteur du plat de liaison, ont radicalement changé l'exécution dynamique de la pale. En plus de ceci, une fois que l'essai est remis en marche, les facteurs sont vus pour diminuer lentement, qui est expliqué par autre, et les changements structurels évidemment non critiques. Les facteurs de proportionnalité doivent fondamentalement être considérés avec le temps, comme c'est la seule manière de s'assurer que le changement est discernable. Les différentes valeurs seulement ont limité la validité, mais ne peuvent pas logiquement indiquer le développement des dommages.

Perspectives

La technologie évoluée de mesure, comportant la sonde de déflexion, jauges de contrainte à fibre optique, le traitement électrique et optiques des données de mesure, le raccordement en réseau radio et l'alimentation par batteries, est vraiement optimale pour un usage sur les pales d'éoliennes. Il est utile d'installer les capteurs par paires, premièrement, pour détecter l'ovalisation de la section transversale et deuxièmement, pour former un système redondant qui améliore la fiabilité de l'analyse de l'état. Les résultats simulés et les vraies données mesurées sur un banc d'essai de pales, prouvent que la technologie des capteurs employés et que la méthodologie utilisée sont appropriés pour la détection préventive des dommages sur les pales d'éoliennes et offre une système de surveillance idéal des pales. Ce système sera bientôt installé et fonctionnera sur une pale d'une éolienne en fonctionnement et cela pour la première fois. Les partenaires impliqués dans ce projet sont confiants et pensent que ce produit sera commercialisable dans l'avenir.

Photo: Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology (IWES)

La technologie des capteurs est appropriée pour être utilisée sur les éoliennes afin de détecter assez tôt les dommages sur les pales du rotor et de réduire ainsi au minimum les conséquences économiques.

Les capteurs doivent pouvoir résister à des conditions ambiantes sévères et doivent être facilement disponibles. Les méthodes d'évaluation qui complètent cette technologie doivent premièrement détecter les dommages dans d’importantes zones de la structure aussi rapidement que possible et deuxièmement les montrer clairement. Ces systèmes de surveillance de la santé des structures (SHM) ne doivent pas faire d’erreurs, sinon leur objectif n’est pas atteint.

Ces dernières années en Allemagne, le développement rapide de l'énergie éolienne confirme bien que les objectifs du gouvernement fédéral Allemand de satisfaire, d'ici 2020, les besoins du pays en énergie jusqu'à 30% à partir de sources énergétiques renouvelables seront atteintes. Les pales de rotor des éoliennes, avec leur longueur de plus de 60 mètres, sont les composantes clés en ce qui concerne la performance d’une éolienne. La conception de pales plus petites est également continuellement recherchées, afin de gagner sur les coûts et d’améliorer l'efficacité des futures éoliennes.

C'est toujours le cas, quand il y a une petite automatisation dans la production des pales d’éolienne et seulement quand certaines des inexactitudes et d’erreur de fabrication par rapport aux spécifications ne peuvent jamais être identifiées une fois que la pale est construire. Jusqu'à aujourd'hui, dans l'histoire de l'énergie éolienne, il y a eu différents cas de pales qui ont subit des dommages structurels qui ont été imputés à des défauts de fabrication, non détectés au préalable. La technologie des capteurs doit être utilisée pour détecter les dommages assez tôt et ainsi réduire au minimum les conséquences économiques. Les capteurs doivent pouvoir résister aux conditions environnantes qui sont très exigeantes et doivent aussi être facilement disponibles. Les systèmes de mesure qui complètent cette technologie doivent premièrement détecter les dommages dans des zones importantes de la structure aussi rapidement que possible et deuxièmement les montrer sans ambiguïté. Ces systèmes de surveillance de la santé des structures (SHM) ne doivent pas commettre d’erreurs, sinon ils seraient guère utiles et leur objectif ne serait pas atteint.

Nouvelle technologie de mesure pour les pales de rotor

La technologie de mesure utilisée sur les pales d’éoliennes doit répondre à de nombreuses exigences. Les principales exigences demandées vis-à-vis de la technologie de mesure sont de pouvoir supporter à la fois les très grandes différences de température et d'humidité sur de courtes périodes et les contraintes dynamiques et mécaniques extrêmes appliquées sur les jauges ainsi que travailler dans un environnement susceptible d’être touché, par surprise, par la foudre. En dépit de ces conditions difficiles, une incertitude minimale sur une longue période d’utilisation doit être garantie.

Fig. 1 Principe d'installation et de fonctionnement d'un capteur de déflexion
Fig. 2 Vue du capteur de déflexion avec l'électronique de mesure AED

Capteur de déflexion

Un capteur de déflexion, spécialement développé, semble convenir pour un usage sur les pales et sur les longues et larges structures. Ce capteur est conçu pour être totalement insensible aux effets de la foudre qui, même si elles n'endommagent pas réellement la structure de l’éolienne, détruisent habituellement les systèmes de mesure installés sur les pales. Le capteur, qui peut être installé pendant la fabrication de la pale ou être monté plus tard, utilise le principe de fonctionnement montré dans la Fig. 1 : Un fil plastique renforcé de fibre de verre (GRP) est étiré entre les deux points d’attache. Un point d’attache réside à l'intérieur de la pale et forme le «point de mesure» réel (unité passive du capteur). L'autre point d'attache est situé à la base de la pale et forme «le point de mesure», l'unité active du capteur. La Fig. 1 montre que le lien principal de la pale est idéal pour l'installation du capteur de déflexion. L'amplitude du mouvement de la pale dans le secteur «du point de mesure;» change l'angle du fil GRP dans l'unité active du capteur.

Ce changement d'angle est converti en signal de déflexion par deux capteurs de force dans un montage orthogonal [1]. Le système est décrit dans la fig. 2. La sensibilité du capteur est définie par la tension du fil, qui est maintenu constante à l'aide d'un ressort mécanique. Des pièces rapportées GRP sont stratifiées au lien et le capteur est attaché à la fois aux extrémités passive et active, suivant les indications de la fig. 3 et 4.

Fig. 3 Unité active du capteur de déflexion                 Fig. 4 Points d'attache dans  la pale (point de mesure)

L'unité active est très étroitement scellée dans la zone centrale du rotor car il est nécessaire d’avoir une protection adéquate contre la foudre. Tous les composants du capteur situés sur la lame sont non métalliques et ne présente pas de risque. Si la distance entre l'unité active et passive du capteur est de 20 m et que la tension du fil est constante à 300 N, les caractéristiques suivantes sont appropriées à la déflexion.


Fig. 5 Capteur de déflexion HBM avec électroniques de mesure
 
  • Non linéarité: < 0.1%
  • Coefficient de température du capteur
  • sur le zéro (TK0): < 3*10-5/K
  • Coefficient de température du capteur
  • sur la sensibilité (TKC): < 3*10-5/K
  • Sensibilité: 20 μm à 20 m de longueur
  • Plage de mesure: ±200 mm
  • Résolution: 1:104.

L'électronique de mesure du capteur satisfait également aux demandes de stabilité sur le très long terme et possède un niveau de protection nécessaire en ce qui concerne l'immunité CEM. Comme on peut le voir dans la fig. 3, ces composants sont montés directement dans le capteur de déflexion. Le signal entre l’électronique numérique du capteur et le système de transmission de données par radio utilise une interface numérique et cela répond ainsi aux dernières normes en vigueur.

Fig. 6 Jauges optique en réseau de Bragg

Technologie du capteur de déformation

Dans l'application décrite ici, la deuxième grandeur d'entrée pour mesurer l'intégrité structurale est la contrainte ou la dérivée de celle-ci, à savoir les déformations mécaniques. Les jauges de contrainte (SG) ont été un outil indispensable pour ce type d'analyse expérimentale des contraintes depuis des décennies.

Les jauges de contrainte à fibre optique sont éminemment appropriées pour un usage dans les lames en composites, en effet comparée aux jauges de contrainte électriques, leur immunité CEM ou contre les effets des hautes tensions est sans égal. Elles ont également une très grande tenue en fatigue et une plus grande longévité. Elles présentent aussi de bien meilleurs résultats en termes de niveaux de contrainte beaucoup plus élevés et un nombre de cycles de charge plus grand (ces facteurs peuvent être des éléments d’accumulation de dommages).

Les énormes progrès technologiques sur la fibre optique, conduits en particulier pour les besoins en télécommunication, met également l'accent et porte toute l’attention sur les applications des jauges optiques dans les secteurs de la microstructure. Les réseaux de Bragg ainsi nommés, où des zones dans le noyau de la fibre de cristal subissent des fluctuations périodiques de l'indice de réfraction optique, ce qui changent leurs propriétés de longueur d'onde quand ils sont affectés par un chargement externe [3]. Cela est montré schématiquement dans la fig. 6. Le réseau de Bragg utilisé pour la mesure, change la longueur d'onde du spectre reflété sur le réseau pour nous donner la  contrainte.

Fig. 7 Jauge optical linéaire et rosette optique

Puisque les fibres optiques agissent également simultanément en tant qu'élément sensible et milieu de transmission de signaux, les avantages additionnels s'accroissent pour l'utilisateur en ce qui concerne le coût, la robustesse et la fiabilité d'installation. Les jauges de contrainte optiques disponibles sont montrées dans la fig. 7 [4].

Les utilisations décrites ci-dessous du système SHM utilise un réseau de sonde constitué de huit jauges de contrainte optiques (4 compensateurs de température) et de deux capteurs de déflexion. Un système de mesure hybride [5] relié sous le principe maître-esclave à une station en réseau par un système de transmission radioélectrique, est employé pour l'analyse du signal. Ceci permet d’employer une connexion internet pour une analyse multiple des données de mesure.

Méthode intelligente pour une détection précoces des dommages

Les exigences de performance pour la méthode d'une détection précoce de dommages ou d'un système de surveillance n’en sont pas moins exigées, comparé aux conditions des techniques de mesure employées. Fondamentalement, il ne doit y avoir aucune fausse alerte. Il n'est pas économiquement viable d’être arrêté en raison de travaux de réparation ou d'entretien qui doivent être évités. Le système doit également donner à l'opérateur, le temps suffisant pour réagir aux dommages. Cela signifie que les dommages doivent être détectés assez tôt, et sa menace potentielle déterminée. Il doit être possible de décider si l’éolienne doit être arrêtée immédiatement ou s'il reste du temps disponible pour la surveillance. L'approche pour une détection précoce des dommages présentée ici concerne une méthode SHM complète.

« Comparées aux jauges de contrainte électriques, les jauges de contrainte à fibre optique ont une tenue à la fatigue bien meilleure. » a expliqué Dipl. - Ing. Stephan Zerbst , Scientifc Assistant and Coordinator of Service & Measurement Techniques Departement of Institute of Structural Analyse (ISD) de l'université de Leibniz à Hannovre.

Cela signifie que la pale entière doit être surveillée par un nombre minimum de capteurs, afin de détecter l’état général de la structure. Les capteurs ne fonctionnent plus comme un point névralgique de surveillance, mais tous regardés comme un ensemble [7, 8]. La «méthode de proportionnalité» rentre en jeu ici. C'est une méthode qui se sert de la proportionnalité du taux maximum de vibration et de la contrainte ou déformation dynamique maximum pendant la vibration normale [6].

Ces deux mesures en corrélation sont détectées et comparées, selon la direction de la vibration normale qui est excitée aux endroits définis sur la structure de la pale. Dans ce cas-ci, l'amplitude du taux de vibration est différenciée du signal de déflexion. Le statut de référence de la structure intacte avec un facteur de référence «pSystem» qui a été détecté au départ est ensuite toujours comparé à un facteur de proportionnalité nouvellement déterminé de «pSystem». Si le facteur de proportionnalité observé s’éloigne d’une manière permanente de son niveau de départ, ceci indique le commencement des dommages. Le facteur de proportionnalité «pSystem» est un facteur du système qui inclut toutes les propriétés de la structure, telles que ses propriétés matérielles, conditions de stockage, coupe, etc. Ce facteur est ainsi un excellent choix comme indicateur des dommages.

Fig. 8 Composants et structure de la pale équipé du capteur
Fig. 9 Vue de coté du rebord arrière de la pale – accroissement des dommages
Fig. 10 Facteur de proportionnalité change pendant l'essai selon le sens de l'arrête et du battement, en tant que dommages au rebord arrière

Simulation numérique avec application de dommages

Le modèle numérique d'un rotor courant avec pales a été soumis aux divers scénarios typiques de dommages qui peuvent surgir pendant un essai de fatigue. Comme avant, l'échec des joints adhésifs est un accident fortement probable qui peut se produire en raison du chargement extrême pendant de longues périodes. La structure de base de beaucoup de rotors à pales modernes prouve que les soi-disant joints adhésifs aveugles sont les endroits où le potentiel de dommages est à son plus haut niveau. Ce sont, par exemple, certains joints adhésifs sur les liens, dont ne peut pas avoir testé la qualité pendant 'assemblage, en raison de leur position. Mais les joints de la coquille supérieure et inférieure peuvent également se détériorer sous une charge dynamique élevée. Des dommages ont été incorporés au modèle numérique d'un rotor à pale, pour être détectés avec une configuration virtuelle de capteurs comme celle réellement montée dans l'essai réal associé.

Ici, il est simulé le déploiement de deux capteurs de déflexion montés le long des deux liens principaux et quatre jauges de contrainte optiques qui enregistrent les contraintes longitudinales dans le secteur de la base de la pale, 90° à part (voir la fig. 8).

Les joints du rebord arrière sont particulièrement complexes dans le secteur plat de transition. Ce composant doit être employé pour effectuer une liaison entre la forme cylindrique du moyeu (raccordement de la pale) au moyeu et la forme aérodynamique de la pale du rotor.

Des dommages «de défaut de joint» sont mis en évidence en choisissant deux séries coïncidentes d'éléments de la coquille dans le modèle et en changeant leurs propriétés. Les propriétés de l'élément endommagé incluent principalement un module d'élasticité considérablement réduit. Par la suite le défaut de joint sur le bord de formation de la pale a été incorporé au-dessus du plat de transition (fig. 9). Ces dommages commencent à 7 m à partir du moyeu, sur une longueur de 1 m et les augmentent jusqu'à 3 M. L’excitation de la pale se produit séparément, comme avec l'essai de fatigue réel, sur le côté et dans les directions du battement.

La Fig. 10 montre les changements des deux facteurs de proportionnalité en raison des dommages croissants. Deux sondes de déflexion de différentes longueurs sont simulées ici, afin d'établir à quelle distance dans la pale le point de mesure doit être placé. L'endroit optimum s'est avéré être situé à environ 2/3 de la longueur de la pale.

On peut voir que les dommages croissants sur le rebord arrière quand on considère un mouvement dans la direction du battement de la pale produit des changements bien plus prononcés des facteurs de proportionnalité que l'observation du côté de la direction. Il est également à remarquer que le changement à la fréquence normale d’une direction particulière soit à peine intéressant. Cela signifie que la méthode de proportionnalité répond bien plus en sensibilité aux changements structurels sur la pale que la fréquence normale.

Les auteurs:

Dr. Karl-Heinz Haase est le Product and Application Manager chez HBM, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, à Darmstadt.

Dipl.-Ing. Stephan Zerbst est le Scientific Assistant and Coordinator du Services & Measurement Techniques department de l'Institute of Structural Analysis (ISD) de l'université Leibniz d'Hanovre,

Dr.-Ing. Martin Knops est le Divisional Manager pour le développement des pales d'éoliennes chez REpower Systems AG à Osterrönfeld,

Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes est le Managing Director of the Institute of Structural Analysis (ISD) à l'université Leibniz University d'Hanovre.

Essais d'éoliennes avec HBM

Interrogateurs pour jauges optiques

Références

[1] Patent pending PCT/EP 2008/000942
[2] Hoffmann, K.: "Eine Einführung in die Technik des Messens mit Dehnungsmessstreifen" (An introduction to measurement using strain gages) Hottinger Baldwin Messtechnik, Darmstadt.
[3] VDI/VDE/GESA 2660: Experimentelle Strukturanalyse; optischer Dehnungssensor, basierend auf Faser-Bragg-Gitter. Grundlagen sowie Kenngrößen und deren Prüfung (Experimental structural analysis; optical strain sensor, based on a fiber Bragg grating. Basics, characteristic quantities and their testing). www.beuth.de
[4] Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH product catalog. Experimental stress analysis. www.hbm.com
[5] Haase, K.-H.: AIAS – Associazione Italiana per l‘analisi delle sollecitazioni XXXVIII Convegno nazionale, 2009, Politenico di Torino: Benefits of Using Fiber Optics Strain Gages in Experimental Stress Analysis. www.pcm.unifi.it/AIAS2009/memorie/memoria-aias2009-198. pdf
[6] Gasch, R.: Eignung der Schwingungsmessung zur Ermittlung der dynamischen Beanspruchung in Bauteilen, Berlin 1968 (Suitability of vibration measurement for determining dynamic stress in structural elements).
[7] Zerbst, S.; Haake, G.; Reetz, J.; Lynch, J.; Rolfes, R.: Integral SHM-System for Offshore Wind Turbines using Smart Wireless Sensors, Proceedings of the 6th International Workshop of Structural Health Monitoring 2007, Volume 2, p. 1889-1896, San Francisco, Sept. 11-14, 2007.
[8] R. A. Swartz, J. P. Lynch, B. Sweetman, R. Rolfes and S. Zerbst: Structural Monitoring of Wind Turbines using Wireless Sensor Networks, Smart Structures and Systems 6, pp. 183-196, 2010.

Remerciements

Les auteurs sont reconnaissants au Bundesministerium für Umwelt und Reaktorsicherheit (BMU) (Ministère fédéral de l'environnement), et au Projektträger Jülich (PTJ ) (Jülich Project Management) pour leur aide apportée au projet de recherche.

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