Maschinendiagnose in der Praxis WIND

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1 Maschinendiagnose in der Praxis Jedes Messsystem braucht neben der richtigen Hardware vor allem einen erfahrenen Diagnostiker, um aussagefähige Berichte zu erstellen. Um den Risiken des ungeplanten Stillstands eines Triebstrangs an einer Windenergieanlage (WEA) entgegenzuwirken, ist dievermessung mit Hilfe eines mobilen beziehungsweise stationären Schwingungsmesssystems mit anschließender Auswertung unerlässlich. Lager- und Verzahnungsschäden können hierdurch in einem frühen Stadium erkannt werden, so dass rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung weiterer Schäden eingeleitet werden können. Die Ergebnisse und Erfahrungen dieser Systeme können sehr unterschiedlich sein, unabhängig davon, ob es sich um mobile oder stationäre Condition-Monitoring-Systeme handelt. Der Schwingungsdiagnose liegt der Zusammenhang zugrunde, dass alle mechanischen Vorgänge in Maschinen einschließlich Unregelmäßigkeiten an Komponenten bis hin zu Schäden Kraftumsetzungsprozesse zur Folge haben, die in der Maschine weitergeleitet werden und letztlich an die Gehäuseoberfläche gelangen. Sie haben periodischen Charakter, das heißt, sie treten in festen Zeitabständen immer wieder auf. Am einfachsten vorstellbar ist dies an einer lokalen Unregelmäßigkeit an einem Wälzlageraußenring. Alle Wälzkörper passieren diese schadhafte Stelle und verursachen je einen Kraftstoß. Ein ähnlicher Effekt tritt auf, wenn an einer Getriebestufe ein Zahn nicht voll trägt. Der folgende Zahn muss die nicht übertragene Energie auffangen, was ebenfalls einen Kraftstoß 32 ERNEUERBARE ENERGIEN August 2007

2 zur Folge hat. Anwendung findet die Schwingungsdiagnose, um zum Beispiel folgende Phänomene zu erkennen: lokaleverzahnungsschäden, umlaufendeverzahnungsschäden, lokalewälzlagerdefekte, umlaufendewälzlagerdefekte, Unwucht, Ausrichtfehler, anschlagende lose Teile, Passungsprobleme, Wellenschäden. An den mehr als Windenergieanlagen, die durch die Windexperts Prüfgesellschaft untersucht wurden, sind bereits Triebstranguntersuchungen mit mobilen Schwingungsmesssystemen durchgeführt worden. Die Schwingungsmessungen werden üblicherweise im Rahmen der Inbetriebnahme, der Gewährleistungsabnahme, der zustandsorientierten oder instandhaltungsorientierten Prüfung vorgenommen. Es wird bei den Messungen am Triebsstrang mit einer sehr hohen Abtastrate (50 khz) auf acht Kanälen (acht Schwingungsmessaufnehmer) gleichzeitig das Schwingungssignal aufgezeichnet und zusätzlich die Drehzahl an der schnellenwelle erfasst. Bei der durchgeführten Praxisuntersuchung wurden die Ergebnisse von sieben Schwingungsmesssystemen unterschiedlicher Anbieter, die alle durch den Germanischen Lloyd beziehungsweise durch das Allianz Zentrum für Technik (AZT) zertifiziert sind, geprüft. Grundlage waren 248 Triebstrangprüfungen bei denen, vor der ausführlichen Sichtkontrolle mit Hilfe von Videoendoskopen und starren Endoskopen, die Schwingungsmessberichte mit den Auswertungen durch die Systemhersteller beziehungsweise durch die betreuenden Diagnostiker vorlagen. Tabelle 1 I. I. Abbildung 2 Abbildung 1

3 II. Bei den Untersuchungen wurden die Auffälligkeiten aus den vorliegenden Schwingungsmessberichten mit den tatsächlichen Zuständen im Antriebsstrang verglichen. Im zweiten Schritt wurde der gesamte Antriebsstrang auf eventuelle, weitere, nicht in den Berichten aufgeführte Auffälligkeiten untersucht. Bei der Auswertung der Zuverlässigkeit der Diagnose durch die untersuchten Systeme wurden die Ergebnisse der in der Tabelle aufgeführten vier Getriebebereiche zugeordnet und jeweils ein Beispiel dargestellt (Tabelle 1). SchnelleWellen,Verzahnung (I.) Abbildung 3 II. Visuelles Ergebnis: Stillstandsmarkierung auf dem Ritzel der schnellenwelle, hörbar, fühlbar und braun verfärbt (Abb. 1). Ergebnis des Schwingungsmessberichts: Seitenbänder im Abstand der Drehfrequenz der schnellen Welle (1,000 Ordnung) zum Zahneingriff der schnellen Stufe (64,000. Ordnung). Anzeichen für eine lokale Unregelmäßigkeit am Ritzel dieser Stufe (Abb. 2). Das visuelle Ergebnis der Stillstandsmarkierung wurde durch die Diagnose Anzeichen für eine lokale Unregelmäßigkeit am Ritzel dieser Stufe eindeutig bestätigt. Der Mangel der durch Fehlbedienung der Windenergieanlage zu der Stillstandsmarkierung geführt hatte, wurde mit der Schwingungsmessung entdeckt. SchnelleWellen, Lagerung (II.) Abbildung 4 IIIa Visuelles Ergebnis: Schälungen auf dem Innenring (Abb. 3). Ergebnis des Schwingungsmessberichtes: Unregelmäßigkeiten am Innenring des rotorseitigen Lagers LSL der Zwischenwelle (2,013. Ordnung). Effekt bereits im Ordnungsspektrum nachweisbar, Lagerwechsel empfohlen (Abb 4). Das visuelle Ergebnis der Schälungen auf dem Innenring wurde durch die Diagnose Unregelmäßigkeiten am Innenring eindeutig bestätigt. Der Schaden wurde rechtzeitig erkannt. Durch Tausch der Lagerung ist ein größerer Getriebeschaden zu vermeiden. LangsameWellen,Verzahnung (IIIa, IIIb) Visuelles Ergebnis: Ausbrüche auf Lastflanke vom Planetenrad (Abb. 5). Ergebnis des Schwingungsmessberichtes: Kein Hinweis auf Unregelmäßigkeiten im Schwingungsmessbericht. Abbildung 5 IIIb ERNEUERBARE ENERGIEN Visuelles Ergebnis: Stark ausgeprägte umlaufende Graufleckigkeit (Abb. 6). Ergebnis des Schwingungsmessberichts: Mehrere Seitenbänder im Abstand der Drehfrequenz der Zwischenwelle (0,274. Ordnung) und der langsamen Welle/der Sonne (0,067. Ordnung) zum Zahneingriff der langsamen Stufe (6,048. Ordnung) Anzeichen für eine lokale Unregelmäßigkeit am Rad/Ritzel dieser Stufe beziehungsweise am Sonnenritzel (Abb. 7). Das visuelle Ergebnis der stark ausgeprägten umlaufenden Graufleckigkeit auf dem Rad der langsamen Welle wurde durch das Ergebnis der Schwingungsdiagnose bestätigt (aber nicht eindeutig) und durch anschließende REM-Untersuchung entsprechend dokumentiert. Abbildung 6 34 Das visuelle Ergebnis der Ausbrüche auf der Lastflanke vom Planetenrad wurde durch das Ergebnis der Schwingungsdiagnose nicht bestätigt. August 2007

4 IIIb LangsameWellen, Lagerung (IVa, IVb) Visuelles Ergebnis: Schälungen auf dem Innenring eines Planetenlagers (Abb. 8). Ergebnis des Schwingungsmessberichtes: Seitenbänder im Abstand Drehfrequenz. Steg zum Zahneingriff, Hinweis für Lagerunregelmäßigkeiten an mindestens einem Planetenlager (Abb. 9). Abbildung 7 Das visuelle Ergebnis derausbrüche auf dem Lagerinnenring vom Planetenrad wurde durch das Ergebnis der Schwingungsdiagnose eindeutig bestätigt. Durch weitere Bilddokumentation mit demvideoendoskop wurde der Schaden festgehalten. Visuelles Ergebnis: Der Lagerinnenring ist gerissen (mehrstufiges Planetengetriebe, Abb. 10). Ergebnis des Schwingungsmessberichtes: Kein Hinweis auf Unregelmäßigkeiten. Mehrere Schwingungsmesssysteme haben diesen Schaden nicht erkannt. Das visuelle Ergebnis des gerissenen Lagerinnenrings wurde durch das Ergebnis der Schwingungsdiagnose nicht bestätigt. Erst bei dervideoendoskopie wurde der Schaden festgestellt. IVa Abbildung 8 IVa Eine überschlägige Trendangabe aus den Ergebnissen der 248 mittels Endoskopie durchgeführten Vergleiche des Ist-Zustandes mit den in den Schwingungsmessberichten angegebenen Auffälligkeiten ist in der nachfolgenden Klassifizierung angegeben (Pfeil nach oben bedeutet hohe Zuverlässigkeit): (Tabelle 2). Abbildung 9 WILMERS DATENLOGGER FÜR DIE ENERGIE UND... ERFASSEN SENDEN DIE BELIEBIG VIELE DATEN PER MAIL UND FTP. SENSOREN... Unser Datenlogger blueberry NDL 485 ist dank seiner modularen Erweiterbarkeit das perfekte Datenerfassungssystem für die Windenergie. Seine Ethernetschnittstelle gewährleistet durch schnelle Datenübertragung über TCP/IP zum PC die optimale IT-Integration. Für Referenzmessungen in Windparks bietet der blueberry NDL 485 die Integration in SCADA-Systeme über Modbus-TCP. Das integrierte Webinterface sichert den lokalen Echtzeitzugang über einen Internetbrowser sowie den globalen Zugang über das Internet auch per Mobiltelefon mit integriertem Browser. Das GSM/GPRS-Modul ermöglicht selbst an entlegenen Standorten den direkten Internetzugang. Die Messdaten werden automatisch per versandt. Zukunft erfassen Weitere Informationen erhalten Sie unter Tel.: +49(0) Mail: info@wilmers.com ERNEUERBARE ENERGIEN August

5 Abbildung 11 IVb V. Abbildung 10 Tabelle 2 Im Allgemeinen kann zusammengefasst werden, dass die Zuverlässigkeit der Diagnostik im Bereich der schnell laufenden Getriebestufen deutlich höher ist als im Bereich der langsamen Getriebestufen. Viele Messsysteme haben Schäden im Bereich der langsamen Wellen auf Lagern und Verzahnung nicht erkannt. Wenige Messsysteme zeigten auch deutliche Schäden (Risse quer zur Laufbahn) an Lagern der schnellen Wellen nicht an. Bei einer ganzen Reihe installierter Systeme eines WEA-Herstellers gab es aus Kapazitätsgründen im Diagnostikbereich keine Auswertungen. In einigen Messberichten gab es Zuordnungsprobleme der Auffälligkeiten zu den Schadensorten und auch nach weiteren Recherchen konnte durch den Diagnostiker keine Klarheit geschaffen werden. Manche Messberichte machen überhaupt keine oder nur ungenaue, allgemeine Aussagen. Bei mehreren Messsystemen sind eingeschränkte oder fehlende Funktionsfähigkeiten (lose beziehungsweise abgefallene Sensoren, beschädigte Leitungen wie zum Beispiel Scheuerstellen, lose oder beschädigte Steuerschränke, lose Klemmstellen, fehlende Einbindung in die Anlagensteuerung) des CMS-Systems überhaupt nicht aufgefallen. Es ist nicht ausreichend, sich darauf zu verlassen, dass eine zertifizierte Hardware am Antriebsstrang installiert ist und eine Pflege und regelmäßige Beobachtung des Systems unterbleibt. Auch wird die Schwingungsmessung physikalische Grenzen haben. Der sich zersetzende Lagerkäfig von Abbildung 11 wird durch ein CMS-System nicht frühzeitig erkennbar sein, so dass eine qualifizierte visuelle Überprüfung unerlässlich sein wird. Vor dem Hintergrund, dass in circa 30 bis 40 % der Fälle die Lager nicht einsehbar beziehungsweise nur zum Teil einsehbar sind, ist das Messsystem als Ganzes zu sehen. Lagerkäfige beeinträchtigen zum Beispiel die Einsehbarkeit des Innenbeziehungsweise Außenringes. Spritzringe beziehungsweise -bleche sind vor Wälzlagern montiert, und vollrollige Lager lassen nur eine stark eingeschränkte Einsehbarkeit zu. Generell sind Generatorlager und Hauptwellenlager nicht einsehbar. Das Messsystem muss somit neben der richtigen Hardware auf jeden Fall einen erfahrenen, gewissenhaften Diagnostiker beinhalten, der entsprechende aussagefähige Berichte erstellt und eine regelmäßige Kontrolle der installierten Systeme gewährleisten kann. Dipl.-Ing. (FH) Martin Veltrup-Neil Windexperts Prüfgesellschaft mbh Büro Edewecht: Weidegrund Edewecht Tel / veltrup-neil@t-online.de Der Autor arbeitet seit 17 Jahren im Bereich der Windenergie, unter anderem im Dewi und bei Vestas. Seit neun Jahren ist er Sachverständiger für Windenergieanlagen. Dipl.-Ing. (FH) Christoph Weiermann Windexperts Prüfgesellschaft mbh Büro Rotenburg: Distelweg Rotenburg weiermann@t-online.de Seit 2003 arbeitet Christoph Weiermann als Gutachter im Sachverständigenbüro Veltrup- Neil. 36 ERNEUERBARE ENERGIEN August 2007