Hohe Anforderung zur Effizienzsteigerung von Windkraftanlagen. Die Weiterentwicklung von Windkraftanlagen

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1 Case Study Effizienzsteigerung von Windkraftanlagen Von Steffen Schenk und Wolfgang Steindorf Die dreidimensionale Vermessung und Analyse eines Rotorblattes und seiner Fertigungsvorrichtung ist eine höchst komplexe und anspruchsvolle messtechnische Aufgabe, die in ihrer Art und ihrem Umfang eine völlig neue Dimension in dieser Branche darstellt. Dementsprechend ist sie nur mit modernster Messtechnik und einer fachgerecht aufbereiteten Messstrategie zu bewältigen. Eine Untersuchung geeigneter Messsysteme anhand des spezifischen Anforderungsprofils für diese Messaufgabe zeigte, dass der Laser Tracker die besten Voraussetzungen für eine erfolgreiche Vermessung bietet. Hohe Anforderung zur Effizienzsteigerung von Windkraftanlagen Die Weiterentwicklung von Windkraftanlagen und ihrer Komponenten zur Steigerung der nutzbaren Energie ist ein sehr dynamischer Prozess. Ein wesentlicher Faktor dabei ist die Optimierung der Rotorblätter, deren Einfluss auf die Funktionalität und den Wirkungsgrad der Anlagen erheblich ist. Mittlerweile haben sie eine Länge von 38 m Länge erreicht, zukünftig sollen bei den geplanten Offshore-Anlagen Längen von ca. 80m realisiert werden (Abb. 1). Diese ständig grösser werdenden Abmessungen und der Anspruch, die nach aerodynamischen Grundsätzen konstruierten Rotorblätter detailgetreu in Serie zu fertigen, erfordern eine immer leistungsfähigere Qualitätssicherung. Optimierung von Rotorblättern dank exakter Vermessung Die ungleichmässigen, sphärisch gekrümmten Bauteile und ihre Fertigungsvorrichtungen zuverlässig zu überprüfen und ggf. Korrekturmassnahmen abzuleiten, bereitet den Herstellern enorme Schwierigkeiten, da der Verwendung herkömmlicher Hilfsmittel wie Schablonen und Lehren Grenzen gesetzt sind. Dies veranlasste die Firma NOI- Rotortechnik GmbH mit Sitz in Nordhausen, das Ingenieurbüro Schenk & Steindorf GbR zu kontaktieren, deren Die erfolgreiche Analyse von Windturbinen-Rotorblätter

2 Abb. 1: Rotorblattfertigung bei der NOI-Rotortechnik GmbH Abb. 3: Polare Koordinatenmessung Mitarbeiter sich schon seit einigen Jahren auf die exakte Vermessung von grossvolumigen Objekten, z.b. moderner ICE-Züge, spezialisiert haben. Gemeinsam wurde nach entsprechenden Lösungen für die anspruchsvollen messtechnischen Aufgaben gesucht. Die Nutzung des Laser Trackers LTD500 von Leica Geosystems, als einem der modernsten optischen 3D-Messsysteme für grosse immobile Messobjekte, bedeutet dabei einen Quantensprung in den Bemühungen, das Produkt Rotorblatt in seiner Geometrie sowohl qualitativ, als auch quantitativ mit einer hohen und zuverlässigen Aussagekraft zu beschreiben. Auswahl eines geeigneten Messsystems In Vorbereitung der Vermessung des Rotorblattes wurde durch das Ingenieurbüro ein Variantenvergleich möglicher Messsysteme durchgeführt. Für die Beurteilung der Verfahren lagen folgende Anforderungskriterien zugrunde: Erfassung von 3D-Koordinaten Grosses Messvolumen (ca. 40 m x 10 m x 5 m) Hohe Messgenauigkeit Hohe Punktdichte, da sphärisch gekrümmte Bauteile Mobiler Einsatz Vergleich mit CAD-Modell Exakte Dokumentation der Ergebnisse Auf ihre Eignung hin wurden die folgenden Systeme analysiert, die alle in der industriellen Präzisionsmesstechnik grossvolumiger Objekte eingesetzt werden: Theodoliten/Tachymeter Videogrammetrie/Photogrammetrie Laser Tracker Als optimal für einen Einsatz bei der Rotorblattvermessung wurde der Laser Tracker beurteilt, der das gesamte Spektrum des Anforderungsprofils ideal abdeckt und durch seine Messoptionen die konkrete Messaufgabe sinnvoll unterstützt. Die erfolgreiche Analyse von Windturbinen-Rotorblätter

3 Für nahezu alle denkbaren Aufgaben eine optimale Lösung Der Leica Laser Tracker als das geeignete Messsystem Das Messprinzip des Leica Laser Trackers beruht auf der Bestimmung von 3D-Koordinaten eines in einer kleinen Stahlkugel gefassten Reflektors mittels der Messwerte (Abb. 2) Horizontal-Winkel Vertikal-Winkel Distanz Während der Vermessung kann dabei der Reflektor über eine Motorik automatisch «verfolgt» werden, wenn er vom Bediener manuell über das Messobjekt geführt wird. Vermessung des Rotorblattes und der Fertigungsvorrichtung Die Vermessung selbst kann als sehr komplex und schwierig eingestuft werden. Gründe dafür sind neben den enormen Abmessungen und der sphärisch gekrümmten Form des Bauteiles das Fehlen antastbarer «innerer» Koordinatensysteme und die notwendige hohe Messgenauigkeit. Ziel der Vermessung war es, die gesamte Geometrie insbesondere im Bereich der Anströmkante zu überprüfen. Die Länge des vermessenen Rotorblattes betrug ca. 35m bei einer maximalen Breitenausdehnung von ca. 3m x 2m. In Absprache mit den Fachleuten von NOI wurde das Rotorblatt über seine Länge in 13 Messquerschnitte mit einer jeweiligen Breite von ca. 1 m unterteilt. Dies führte zu einer überschaubaren Anzahl von Messpunkten und half, die Ergebnisse systematisch zu interpretieren. Um die Vermessung des gesamten Rotorblattes mit optischer Sichtfreiheit zu allen Messpunkten durchzuführen, waren drei verschiedene Standorte des Messsystems notwendig. (Abb. 3) Grundlage jeder 3D-Vermessung ist die Bestimmung des lokalen Koordinatensystems des Bauteils, das dem der Konstruktionsunterlagen entspricht. Einziger Anhaltspunkt dafür war sowohl beim Rotorblatt wie auch bei den Vorrichtungshälften der Flanschbereich. Mit der Vermessung und Analyse des Flanschbereiches vom jeweils ersten Standort aus begann deshalb jede Vermessung (Abb. 4). Anschliessend wurden die Messpunkte in den einzelnen Bereichen und die Orientierungspunkte erfasst. Dabei geschieht die eigentliche Messwertaufnahme nach dem Aufsetzen des Reflektors auf das Messobjekt durch die fortlaufende (dynamische) Erfassung und Auswertung der Horizontal- und Vertikalwinkel sowie der Distanz zum Reflektor. Als Reflektor wurde der sogenannte Corner Cube verwendet. Sind alle Mess- und Orientierungspunkte vom ersten Standort aus erfasst, wird das System zum nächsten Standort umgestellt. Über die Orientierungspunkte kann eine Ausrichtung im ursprüngliche Objektkoordinatensystem erfolgen, d.h., die Vermessung der nun sichtbaren Messpunkte erfolgt im gleichen Koordinatensystem, wie vom ersten Standort aus. Abb. 3: Messsituation an der Fertigungsvorrichtung Abb. 4: Vermessung des Flanschbereiches am Rotorblatt

4 Abb. 5: CAD-Modell des Rotorblattes Analyse der Messdaten: CAD-Vergleich mit den Konstruktionsdaten Insgesamt wurden sowohl am Rotorblatt wie auch an den Vorrichtungshälften jeweils ca Messpunkte erfasst. Da eine manuelle Auswertung dieser Datenmengen insbesondere an sphärisch gekrümmten Bauteilen nicht mit vertretbarem Aufwand durchgeführt werden kann, ist es notwendig, die aufgenommenen Messpunkte direkt mit dem CAD-Modell (Abb. 5) zu vergleichen. Abb. 6 bis 8: Grafische Darstellungen der lokalen Abweichungen Die erreichte Messpunkt-Dichte und -Anzahl erlaubt bei der Geometrieanalyse vielfältige Möglichkeiten. Sinnvoll erschien hier eine Unterteilung in grosse globale Formabweichungen (Durchbiegungen, Verdrehungen usw.) und in kleinere lokale Formabweichungen (Dellen, Beulen, Riefen usw.). Erreicht werden konnte dies durch unterschiedliche Ausrichtungen der Messpunkte zum CAD-Modell. In einem ersten Schritt wurden alle Messpunkte sämtlicher Messquerschnitte zum CAD-Modell ideal ausgerichtet. Der anschliessende Soll- Ist-Vergleich führte zu Aussagen über die globalen Formabweichungen des Bauteils zum CAD-Modell (Abb. 6). So konnte ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Ist-Geometrie von Vorrichtung und Bauteil messtechnisch nachgewiesen sowie Durchbiegungen und Verdrehungen an den Messobjekten quantifiziert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, eine Feinjustage auf der Grundlage der Messergebnisse vorzunehmen. In einem zweiten Schritt wurden die lokalen Formabweichungen ausgewertet. Dazu erfolgte separat und nacheinander an allen Messquerschnitten die Ausrichtung aller Messpunkte des einzelnen Messquerschnittes zum CAD-Modell. Der jeweils nachfolgende Soll-Ist- Vergleich konnte demnach auch nur für den behandelten Messquerschnitt durchgeführt werden. Somit war es möglich, die langwelligen Durchbiegungen und Verdrehungen des Rotorblattes herauszufiltern und konkrete Aussagen z.b. über Beulen, Riefen und die Qualität der Anströmkante zu erhalten (Abb. 7). Trotz des enormen Messvolumens wurde eine Messunsicherheit von ca. ±0,3 mm erreicht. Damit sind die ermittelten tatsächlichen Geometrien der Messobjekte und auch die Aussagen bezüglich ihrer Abweichungen zum konstruktiven CAD-Modell mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit versehen.

5 Ausblick Die zukünftig weiter steigenden Abmessungen der Windkraftanlagen bei gleichzeitiger Genauigkeitssteigerung der Einzelbaugruppen erfordern den verstärkten Einsatz modernster Messtechnik. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit, die Qualität der Produkte aussagekräftig nachzuweisen und zu dokumentieren. Dies schafft Sicherheiten in einem Segment, dass von einer dezentraler Fertigung geprägt ist. Das hierfür eingesetzte Messsystem Laser Tracker vereinigt viele positive Eigenschaften in sich. Die wichtigsten dabei sind: Genauigkeit und damit Zuverlässigkeit grosser Messbereich hohe Messrate (dynamische Messung) direkter CAD-Vergleich Abb. 9: Dimensions-Kontrolle von Rotornaben Die erfolgreiche Analyse eines Rotorblattes und anderen Teilen (Abb. 9) zeigt, dass auch in dieser Branche mit einem verstärktem Einsatz optischer Präzisionsmesstechnik ein Beitrag zur Optimierung und Stabilisierung der Fertigung geleistet werden kann. Weitere Einsatzmöglichkeiten der optischen Messtechnik sind denkbar für die Vermessung von Rotorblätter, Turmsegmenten, Maschinenelementen (Abb. 9), Fertigungsvorrichtungen und die Analyse von Schadensfällen. Die Auswahl eines geeigneten Messverfahrens steht dabei immer am Anfang jeder Messaufgabe. Das breite Spektrum verschiedener Eigenschaften der unterschiedlichen Systeme erlaubt es, für nahezu alle denkbaren Aufgaben eine optimale Lösung zu finden.

6 Leica Geosystems Leica Geosystems ist weltweit führend in der Entwicklung, Herstellung und Installation von Instrumenten, Systemen und Software zur Erfassung, Visualisierung und Verarbeitung räumlicher Daten. Wir liefern Ihnen Lösungen für die unterschiedlichsten Bedürfnisse bei der Bearbeitung dreidimensionaler Daten. Dank des Einsatzes neuester Technologien gehört Leica Geosystems auf diesem Gebiet zu den führenden Unternehmen auf dem Weltmarkt. Metrology Division Die Metrology Division bietet für jegliche Anforderung im Zusammenhang mit 3D-Messungen bei industriellen Prozessen Lösungen an, mit denen neue Verfahrens-Standards in allen grossen Industriezweigen gesetzt werden. Durch den Einsatz der modernsten Lasertechnologie haben wir die Qualitätssicherung und Konstruktion von grossen wie auch kleinen Teilen wesentlich vereinfacht und die Genauigkeit bis hin zu wenigen Mikrometern gesteigert. Die daraus resultierenden Vorteile für unsere Kunden sind nachweislich enorme Kosteneinsparungen in der Produktion. Besuchen Sie uns unter Eine aktuelle Referenzliste und weitere Adressen finden Sie auf unserer Homepage. Über die Autoren: Steffen Schenk und Wolfgang Steindorf, Ingenieurbüro Schenk & Steindorf GbR Engineering Consultants, Sagarder Weg 5, D Dresden Phone Fax info@schenk-steindorf.de Headquarter Leica Geosystems AG Metrology Division Mönchmattweg 5 CH-5035 Unterentfelden Switzerland Phone Fax Regional Contacts The Americas Phone Canada Phone China Phone Germany Phone France Phone India Phone Italy Phone Japan Phone Korea Phone United Kingdom Phone Spain Phone Scandinavia Phone Singapore Phone Switzerland Phone Abbildungen, Beschreibungen und technische Daten unverbindlich: Änderungen ohne Mitteilungspflicht vorbehalten. Dealers and Distributors Phone xxx VIII.2002