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Effizienzsteigerung: Dank den von Drehmomentsensoren ermittelten Daten sind signifikante Verbesserungen möglich. Bild: NCTE
Erneuerbare Energien

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Belastungszustände an Windrädern serientauglich erfassen

Text: Gerhard Fiedler, NCTE
Raue Umgebungsbedingungen und komplexe Lastkollektive führen bei Windrädern regel­mäßig zu Verschleiß und Schäden. Dank einer effizienten und serienfähigen Messtechnik lassen sich Leistungsnachweise ebenso gewinnen wie Verschleiß vermeiden – ganz ohne Berührung und über lange Zeit.

Windkraftanlagen sind durch komplexe Lastkollektive und anspruchsvolle Umgebungsbedingungen gekennzeichnet. Dabei gibt es mittlerweile effiziente und serienfähige Mess­technik, die es ermöglicht, die auftretenden Momente präzise und serienfähig zu erfassen, optimale Wartungsintervalle zu bestimmen und ideale Produktionsbedingungen zu sichern.

Anlagenmonitoring steigert Wirkungsgrade

Raue Umgebungsbedingungen und komplexe Lastkollektive, die auf die Gesamtanlage wirken, führen regelmäßig zu Verschleiß und Schäden an Getrieben, Lagern und sonstigen Komponenten von Windkraftanlagen. Es droht der Stillstand der Anlagen und damit ein enormer Verlust. Im Schadensfall kommt es oft zu Auseinandersetzungen über die wirtschaftlich bedeutende Frage, ob ein Gewährleistungsfall vorliegt oder nicht. Hier können serienfähige Condition-­Monitoring-Systeme mit kontinuierlicher Datenerfassung der auftretenden Belastungen die entscheidende Diagnostik liefern. Schließlich lassen sich viele Kosten einsparen, wenn Anlagen bedarfsgerecht gewartet werden. Die präzise, kontinuierliche Überwachung aller am Antriebsstrang auftretenden Kräfte ermöglicht diesen am individuellen Anlagenbedarf orientierten Betreiberansatz.

Die Technik dafür ist innovativ, berührungslos und wartungsfrei: NCTE-­Drehmomentsensoren erfassen die Lastverhältnisse an den Wellen und ermöglichen so exakte Berechnungen zu Lebensdauer, Last und optimalen Wartungsintervallen.

Berührungsfrei für lange Lebensdauer

Bislang war es kaum möglich, die auf das Windrad wirkenden Kräfte umfassend und serientauglich darzustellen und einen genauen Leistungsnachweis zu führen. Drehmomentmessungen wurden in Windrädern in der Regel mit Sensoren auf Dehnmessstreifen-Basis vorgenommen. Diese Technologie erwies sich jedoch als anfällig für Störungen: Die auf der Welle nur aufgeklebten Dehnmessstreifen hielten den extremen Bedingungen oft nicht langfristig stand. Schleifkontakte waren nicht dauerhaft zuverlässig, und die Übertragung der Signale per Telemetrie war teuer und ausfallanfällig.

Abhilfe schafft hier Messtechnik. Bei der von NCTE entwickelten, berührungsfreien Technologie wird die Welle des Windrads selbst zum Primärsensor. Genutzt wird das Prinzip der Magnetostriktion (siehe Kasten auf der nächsten Seite) zur Messung von Drehmomenten und anderen Kräften. Mit einem eigenentwickelten, patentgeschützten Strompulsverfahren wird die Welle dauerhaft mit einer remanenten, schwachen magnetischen Kodierung versehen. Das in der Welle erzeugte Magnetfeld ist langzeitstabil und unempfindlich auch gegen anspruchsvolle Umgebungsbedingungen wie Vibrationen, hohe Umdrehungszahlen, Salzgehalt in der Luft oder hohe Temperaturen. Hochauflösende Magnetfelddetektoren erfassen berührungslos und verschleißfrei das anliegende Drehmoment. Dies ermöglicht präzise, extrem robuste und serientaugliche Echtzeitmessungen.

Drehmomentsensoren im Windrad erheben kontinuierlich entscheidende Daten zur Lastsituation, zur Früherkennung von Verschleiß und zur Planung der Wartungsintervalle. Die Drehmomentsensoren werden aber nicht nur zur Optimierung des Antriebsstrangs und somit zur Effizienzsteigerung der Anlagen eingesetzt. Sie ermöglichen auch eine bedarfsgerechte Wartung. Die kontinuierliche Überwachung von Drehmomenten und Torsionsschwingungen erlaubt Rückschlüsse auf einsetzende Verschleißerscheinungen. Schäden werden verhindert, die Kosten für Wartung und Instandhaltung der Windkraftanlage sinken.

Weitere Einsatzbereiche in der Windkraftanlage

Die Sensorik kommt auch nicht nur an der Antriebswelle des Windrads zum Einsatz. Zahlreiche Betreiber nutzen sie auch für die Überwachung der Nebenaggregaten wie zum Beispiel der Pitch-Verstellung (Drehung der Rotorblätter). Auch in der Entwicklung und Erprobung von Windrad­innovationen spielen die Sensoren eine wichtige Rolle. Bei Bedarf kann die Technologie so genau arbeiten, dass zum Beispiel beim Einsatz in Getriebewellen jeder einzelne Zahnradeingriff einzeln aufgelöst werden kann. Dies ermöglicht dem Betreiber bedarfsgerecht die Ermittlung detailreicher Informationen im laufenden Prozess. Auch hochdynamische Prozesse können so sichtbar und transparent gemacht werden. Berührungsfreie Drehmomentsensoren liefern neue und teils überraschende Einblicke in wichtige Lastsituationen und ermöglichen so Produkt- und Prozessverbesserungen in bislang unerreichbarem Ausmaß. Im Schadensfall ermöglicht die Sensorik eine eindeutige Zuordnung der anliegenden Kräfte.

Drehmoment, Scherung und Biegung

Berührungsfreie Drehmomentsensoren sind bereits in vielen anspruchsvollen Industrien erfolgreich im Einsatz, etwa in der Automobilindustrie, in Elektro-Bikes, im Motorsport, in Werkzeugmaschinen und Extrudern, in der Luftfahrt oder im Prüfstandsbau. Überall dort, wo Kräfte extrem robust, präzise und serientauglich gemessen werden müssen, helfen die Lösungen, Maschinenausfälle zu vermeiden, die Effizienz zu steigern, Gewicht zu reduzieren und Kosten zu sparen. Neben sofort verfügbaren Standardsensoren lassen sich auch Sensoren in kundenspezifische Applikationen integrieren. Ergänzt wird das Angebot durch verschiedene bereits in Serie gelieferte OEM-Lösungen und Nachrüstangebote für bestehende Anlagen.

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