Allarme precoce dei danni sulle pale dei rotori delle turbine eoliche

Durante lo sviluppo di questo sistema SHM, sorse l'opportunità di usare la metrologia per associare una prova di fatica realistica della pala del rotore su banco prova. La prova comprese numerosi milioni di cicli di carico della pala in direzione del flap, ed incluse le interruzioni durò circa 2,5 mesi. Per tale prova venne montata sulla pala la configurazione sensore già utilizzata. Vennero applicati due sensori di deflessione per rilevare l'ampiezza dello spostamento della pala nell direzioni verso il bordo e verso il flap, a 23 m dalla connessione della pala, e quattro sensori di deformazione a fibra ottica. Questi sensori di deformazione furono installati sempre traslati di 90° ed erano bloccati nella direzione longitudinale della pala in modo da rilevare la deformazione di flessione. L'obiettivo della prova era di verificare la struttura della pala del rotore misurando l'ampiezza della deformazione in zone definite della pala, come richiesto dalle autorità di certificazione.

Una struttura come questa deve essere in grado di resistere alle sollecitazioni dinamiche applicate senza alcun danno, per il numero di cicli di carico richiesto. Dopo il completamento della prova di fatica ufficiale, fu introdotto un danno e fu fatta ripartire la prova. Fu possibile rilevare metrologicamente il danno sulla pala. La prova fu di nuovo interrotta, il danno venne riparato e dopo il cambiamento strutturale, fu fatta ripartire di nuovo la prova. L'analisi secondo la metodologia applicata, basata sul metodo di proporzionalità, è riprodotta nelle Figg. 11 e 12.

Fig. 11 Progressione nel tempo del fattore di proporzionalità del sensore di sinistra (bordo di uscita)  
Fig. 12 Progressione nel tempo  del fattore di proporzionalità del sensore di destra (bordo di uscita) 
 

Qui sono visibili i risultati del fattore di proporzionalità determinati dai due sensori di deflessione ed i correlati sensori di deformazione a fibra ottica. Come mostra il diagramma, la prova fu fermata due giorni dopo l'inizio della registrazione. Poco prima, i due fattori di proporzionalità avevano chiaramente abbandonato il loro livello iniziale fino alla linea rossa, perché era stato introdotto il danno. Dopo un breve periodo di interruzione evidenziato dalla linea tratteggiata, la prova fu nuovamente ripresa, come marcato dal 2. Durante il periodo di arresto, fu riparato il danno che era stato introdotto come sopra già menzionato, effettuando un cambiamento strutturale nella zona della piastra di transizione. La prova fu portata alla fine sen'alcun altra interruzione non programmata. Risulta evidente che dopo la ripartenza della prova i livelli dei fattori di proporzionalità erano notevolmente variati. La ragione di questo fatto è la significativa modifica strutturale nella zona della piastra di transizione, la quale ha radicalmente alterato la prestazione dinamica della pala. Oltre a ciò, dopo la ripartenza della prova si vede che i fattori diminuiscono lentamente, il che si spiega con ulteriori cambiamenti strutturali ovviamente non critici. I fattori di proporzionalità devono essere fondamentalmente considerati in funzione del tempo, essendo questo l'unico modo di garantire che la variazione sia rilevabile. I singoli valori hanno solo validità limitata e non possono indicare logicamente lo sviluppo del danno.

Prospettive

L'evoluta tecnologia di misura, comprendente i sensori di deflessione, gli estensimetri a fibra ottica, il condizionamento dati delle informazioni elettriche ed ottiche, la connessione alla rete radio e l'alimentazione con batterie in tampone, è ottimizzata per l'impiego con le pale dei rotori. È utile installare i sensori a paia, in primo luogo per poter rilevare l'ovalizzazione della sezione trasversale e, in secondo luogo per formare un sistema ridondante, che migliori l'affidabilità dello stato dell'analisi. I risultati simulati e quelli effettivi misurati sul banco prova pale del rotore, mostrano dimostrano che la tecnologia dei sensori e la metodologia usate hanno il potenziale di essere un sistema di allarme precoce dei danni sulle pale dei rotori. Questo sistema verrà presto installato e reso operativo per la prima volta su una turbina eolica. I partner coinvolti sono convinti che questo prodotto sarà messo sul mercato nel prossimo futuro.

Per rilevare i danni nelle pale del rotore delle turbine eoliche sufficientemente per tempo e minimizzare le conseguenze economiche, si deve impiegare una tecnologia sensori adeguata.

Figura: Istituto Fraunhofer per l'Energia Eolica e la Tecnologia dei Sistemi di Energia (IWES)

I sensori devono essere in grado di resistere alle difficili condizioni ambientali e devono essere essi stessi prontamente disponibili. I metodi di valutazione che sostengono questa tecnologia devono in primo luogo rilevare il più rapidamente possibile i danni in aree importanti della struttura e, secondariamente, visualizzarli con chiarezza. Questi sistemi di monitoraggio della salute strutturale (SHM) non devono fare errori, altrimenti essi non servono al loro scopo.

Il rapido sviluppo dell'energia eolica in Germania negli ultimi anni, sta rendendo possibile che il Governo Federale Tedesco soddisfi il suo obiettivo di generare il 30 % del fabbisogno energetico del paese con fonti di energia rinnovabili, entro il 2020. Le pale dei rotori delle turbine eoliche hanno già raggiunto la lunghezza di 60 metri, e sono le componenti chiave delle prestazioni delle turbine eoliche. Anche la progettazione di pale più corte viene continuamente ottimizzata, al fine di ridurre i costi e di migliorare ulteriormente l'efficienza. L'automazione nella produzione delle pale dei rotori delle turbine è ancora molto bassa, e solo alcune delle inaccuratezze di produzione e deviazioni dalle specifiche possono essere identificate dopo che i rotori sono stati costruiti. Nella storia dell'energia eolica fino ai giorni nostri, ci sono stati molti casi individuali di pale di rotori che soffrivano di danni strutturali in campo risalenti a difetti di fabbricazione e che non erano stati precedentemente individuati. Si deve impiegare un'adeguata tecnologia dei sensori per rilevare i danni sufficientemente presto per poter minimizzare le conseguenze economiche. I sensori devono essere in grado di resistere alle severe condizioni ambientali e devono essere essi stessi prontamente disponibili. I metodi di valutazione che sostengono questa tecnologia devono innanzi tutto rilevare il più rapidamente possibile i danni in aree importanti della struttura, per poi visualizzarli senza ambiguità. Questi sistemi di monitoraggio della salute strutturale (SHM) non devono fare errori, altrimenti essi non servono al loro scopo.

Nuova tecnologia di misura per le pale dei rotori

La tecnologia di misura utilizzata nelle pale dei rotori deve soddisfare molteplici requisiti. Ampie differenze di temperatura ed umidità in brevi periodi di tempo, estreme sollecitazioni dinamiche e meccaniche sui sensori ed un ambiente suscettibile della caduta di fulmini, sono le esigenze fondamentali di questa tecnologia. Nonostante tali difficili condizioni, deve essere garantita la minima incertezza di misura per lunghi periodi di disponibilità operativa.

Fig. 1 Principio di montaggio ed operativo del sensore di deflessione installato per la misurazione
Fig. 2 Schema del sistema sensore di deflessione completo di elettronica di misura AED

Sensore di deflessione

Un sensore di deflessione appositamente sviluppato sembra essere adatto all'impiego sulle pale del rotore e su lunghe strutture estese. Questo sensore è stato sviluppato per essere totalmente insensibile alla caduta dei fulmini anche se, pur non danneggiando realmente la struttura, essi distruggono solitamente la tecnologia di sensori montata sulle pale del rotore. Il sensore, che può essere installato durante la fabbricazione della pala oppure montato successivamente su i essa, utilizza il principio operativo mostrato in Fig. 1: Un filo speciale di fibra di vetro rinforzato con plastica (GRP) viene teso fra due punti di fissaggio. Un punto di fissaggio risiede all'interno della pala ed è  l'effettivo “punto di misura” (unità sensore passivo). L'altro punto di fissaggio è situato sul piede della pala ed è il “punto di misura”, cioè l'unità sensore attivo. La Fig. 1 mostra che l'attacco principale della pala è ideale per l'installazione del sensore di deflessione. L'ampiezza del movimento della pala nell'area del  “punto di misura” varia l'angolo del filo GRP nell'unità sensore attivo.

Questa variazione dell'angolo viene convertita in un segnale di deflessione da due trasduttori di forza disposti ortogonalmente [1]. Il sistema è schematizzato in Fig. 2. La sensibilità del sensore è definita dalla tensione del filo, la quale viene mantenuta costante mediante una molla meccanica. Le piazzole GRP sono laminate sull'attacco, ed il sensore è connesso alle piazzole alle estremità passiva ed attiva, come mostrato nelle Figg. 3 e 4.

Fig. 3 Unità sensore attivo del sensore di deflessioneFig. 4 Punto di fissaggio sulla pala (punto di misura)

L'unità attiva è cosi ermeticamente sigillata nella zona del mozzo del rotore, da fornire un'adeguata protezione ai fulmini. Tutti i componenti del sensore disposti più avanti nella pala non sono metallici e pertanto non a rischio. Con distanza fra le unità sensore attiva e passiva di 20 m e tensione del filo mantenuta costante a 300 N, si hanno i seguenti valori caratteristici rilevanti per la deflessione


Fig. 5 Sensore di deflessione HBM con elettronica di misura installata
  • Non-linearità: < 0,1%
  • Coefficiente termico del trasduttore
  • sul segnale di zero (TK0): < 3*10-5/K
  • Coefficiente termico del trasduttore
  • sulla sensibilità (TKC): < 3*10-5/K
  • Sensibilità: 20 μm con sensore lungo  20 m 
  • Campo di misura: ±200 mm
  • Risoluzione: 1:104

Anche l'elettronica di valutazione del trasduttore soddisfa il requisito di stabilita a ultra-lungo termine, e possiede il corrispondente livello protezione concernente l'immunità EMC. Come si può notare in Fig. 3, questi componenti sono montati direttamente nel sensore di deflessione. L'accoppiamento del segnale fra l'elettronica digitale del trasduttore ed il sistema di comunicazione dati via radio utilizza una interfaccia digitale, ed è conforme agli standard più recenti.

Tecnologia del sensore di deformazione

Fig. 6 Sensori ottici di deformazione con tecnologia a filamento di Bragg

Nell'applicazione qui descritta, la seconda grandezza d'ingresso per valutare l'integrità strutturale è la deformazione, oppure la sollecitazione meccanica da essa derivata. Gli estensimetri (ER) sono da decenni un utensile indispensabile per questo tipo di analisi sperimentale delle sollecitazioni.

Gli estensimetri a fibra ottica sono particolarmente adatti all'impiego sulle pale del rotore di materiale composito perché, confrontati con gli estensimetri elettrici, essi sono immuni alla EMC od agli effetti delle alte tensioni, hanno miglior resistenza alla fatica e sufficiente durevolezza per contrastare il livello di deformazione e l'alto numero di cicli (accumulo del danno) delle pale dei rotori.

Gli enormi progressi nella tecnologia a fibre ottiche, trainati in particolare dalle necessità delle telecomunicazioni, hanno focalizzato l'attenzione nelle applicazioni dei sensori ottici con aree microstrutturate. I cosiddetti filamenti di Bragg, zone con fluttuazione periodica dell'indice di rifrazione ottico nel nucleo della fibra di cristallo, cambiano le loro proprietà di lunghezza d'onda quando sono soggetti a carichi esterni [3]. Ciò è mostrato in forma schematizzata in Fig. 6. Il filamento di Bragg usato per la misurazione cambia la lunghezza d'onda dello spettro riflesso dal filamento, quale risultato della deformazione.

Fig. 7 Estensimetri ottici lineari ed a rosetta

Poiché le fibre ottiche agiscono contemporaneamente da elementi sensori e da mezzo di trasmissione dei segnali dei sensori, ne derivano ulteriori vantaggi all'utente riguardanti la rapidità d'installazione, la robustezza e l'affidabilità. La Fig. 7 [4] mostra gli estensimetri ottici reperibili in commercio.

Il sistema SHM sotto descritto utilizza una rete di otto sensori di deformazione a fibra ottica (4 compensatori di temperatura) e due sensori di deflessione. Per l'analisi del segnale viene utilizzato un sistema di misura ibrido [5], connesso col principio master-slave ad una stazione della rete mediante un sistema a pacchetto radio. Ciò rende possibile l'impiego di una connessione Internet per l'analisi multi-valore dei dati di misura.

Metodologia intelligente per l'allarme precoce dei danni

I requisiti prestazionali per la metodologia di allarme precoce dei danni, o sistema di monitoraggio, non è affatto meno impegnativa in confronto alla tecnologia di misura impiegata. Fondamentalmente non ci devono essere falsi allarmi. Non è economicamente conveniente il fermo macchina dovuto a lavori di riparazione e manutenzione, e dovrebbe essere assolutamente evitato. Inoltre, il si tema deve dare all'operatore il tempo sufficiente per reagire al danno. Ciò significa che il danno deve essere rilevato con sufficiente anticipo, e la sua potenziale minaccia deve essere determinata. Deve essere possibile concludere se la turbina deve essere fermata immediatamente, o se è ancora disponibile del tempo per il monitoraggio. L'approccio all'allarme anticipato per danni qui presentato comprende un metodo globale SHM.

"Conforontati agli estensimetri elettici, quelli a fibra ottica hanno una miglior resistenza alla fatica." Il Dipl.-Ing. Stephan Zerbst è Assistente Scientifico e Coordinatore dei Servizi e delle Tecniche di Misura all'Istituto per l'Analisi Strutturale (ISD) dell'Università Leibniz di Hannover.

Ciò significa che per rilevare lo stato globale della struttura, l'intera pala del rotore viene monitorata con un minimo numero di sensori. I sensori non operano più come monitori hotspot, ma osservati nel loro insieme come gruppo [7, 8]. Qui entra in gioco il “metodo di proporzionalità”. Si tratta di un metodo che fa uso della proporzionalità del massimo rateo di vibrazione e della massima deformazione o sollecitazione dinamica durante la vibrazione naturale [6].

Vengono rilevati e confrontati questi due misurandi in correlazione, soggetti alla direzione della vibrazione naturale che viene eccitata in zone definite della struttura della pala. In questo caso, il rateo di ampiezza della vibrazione viene differenziato dal segnale di deflessione. Lo stato di riferimento della struttura non danneggiata con fattore di riferimento “pSystem”, viene rilevato all'inizio e poi successivamente sempre confrontato con il nuovo fattore di proporzionalità determinato “pSystem”. Se viene osservato che il fattore di proporzionalità è permanentemente lontano dal suo livello di partenza, ciò indica l'inizio del danno. Il fattore di proporzionalità “pSystem” è un fattore di sistema che comprende tutte le proprietà della struttura, quali le proprietà del suo materiale, le condizioni di magazzinaggio, la forma della sezione trasversale, ecc. Questo fattore è quindi una scelta eccellente quale indicatore di danno.

Simulazione numerica con l'applicazione del danno

Fig. 8 I singoli componenti e la struttura di una pala del rotore con la tecnologia dei sensori installata
Fig. 9 Vista laterale del bordo di uscita della pala del rotore – implementazione del danno crescente
Fig. 10 Variazioni del fattore di proporzionalità durante la prova nelle direzioni verso il bordo e verso il flap, quale risultato del danno sul bordo di uscita

Il modello numerico del tipo di pala corrente del rotore fu assoggettato a vari scenari tipici di danni che possono insorgere durante le prove di fatica. Come prima, il guasto dei giunti adesivi è un incidente altamente probabile che può verificarsi quale risultato di carichi estremi per lunghi periodi di tempo. La struttura di base di molte pale di rotore moderne mostrano che i cosiddetti giunti adesivi ciechi sono le zone in cui il potenziale di danno è il più elevato. Questi sono, ad esempio, certi giunti adesivi sugli attacchi, la qualità dei quali non può essere adeguatamente provata durante l'assemblaggio a causa della loro posizione. Ma anche i giunti del guscio superiore ed inferiore possono guastarsi a causa dell'elevato carico dinamico. I danni furono incorporati nel modello numerico di una pala di rotore, per poter essere rilevati con una configurazione virtuale del sensore come quella effettivamente montata nella prova realistica associata.

Qui viene simulata l'implementazione di due sensori di deflessione montati lungo i due attacchi principali, e quattro sensori a fibra ottica di deformazione che registrano le deformazioni longitudinali nell'area del mozzo, disposi a 90°(vedere Fig. 8).

Nella cosiddetta area di transizione piana, i giunti del bordo di uscita sono particolarmente complessi. Si deve usare qui tale componente per effettuare la transizione fra la forma cilindrica dell'attacco della pala con il mozzo, e la forma aerodinamica della pala del rotore.

Il danno “guasto del giunto” viene implementato selezionando nel modello due serie coincidenti di elementi del guscio e cambiando le loro proprietà. Le proprietà degli elementi danneggiati includono principalmente la grande riduzione del modulo elastico. Di seguito, è stato incorporato sopra la piastra di transizione il guasto del giunto nel bordo di uscita della pala del rotore (Fig. 9). Questo danno inizia a 7 m dal mozzo, con una lunghezza di 1 m che aumenta fino a 3 m. L'eccitazione della pala avviene separatamente, come nell'effettiva prova di fatica, nelle direzioni verso il bordo e verso il flap.

La Fig. 10 mostra le variazioni dei due fattori di proporzionalità quale risultato dell'aumento del danno. Qui vengono simulati due sensori di deflessione di lunghezza diversa, al fine di stabilire quanto lontano deve essere posizionato il punto di misura sulla pala del rotore. La zona ideale deve essere situata a circa 2/3 della lunghezza della pala.

Si può notare che l'incremento del danno sul bordo di uscita allorché si consideri il movimento in direzione del flap, genera variazioni molto più pronunciate dei fattori di proporzionalità di quelli osservati in direzione del bordo. È anche evidente che è appena percepibile il cambiamento della frequenza naturale nella particolare direzione. Ciò significa che il metodo di proporzionalità risponde molto più sensibilmente ai cambiamenti strutturali sulle pale del rotore rispetto alla frequenza naturale.

Gli Autori:

Dr. Karl-Heinz Haase - Product and Application Manager alla HBM, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, di Darmstadt.

Dipl.-Ing. Stephan Zerbst - Scientific Assistant and Coordinator of the Services & Measurement Techniques department allo Institute of Structural Analysis (ISD) of Leibniz University in Hanover,

Dr.-Ing. Martin Knops - Divisional Manager for Rotor Blade Development at REpower Systems AG in Osterrönfeld,

Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes - Managing Director of the Institute of Structural Analysis (ISD) at Leibniz University in Hanover.

Referenze

[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, Politecnico 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.

Ringraziamenti

Gli autori sono grati al Bundesministerium für Umwelt und Reaktorsicherheit (BMU) (Ministero Federale dell'Ambiente), ed al Projektträger Jülich (PTJ ) (Gestore del Progetto Jülich) per il loro supporto in queasto progetto di ricerca congiunto.

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