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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BRAUCHEN WINDTURBINEN
SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
UND CONDITION MONITORING
Allianz Risk Consulting GmbH
- Allianz Zentrum fuumlr Technik -
Thomas Gellermann
13022020 Muumlnchen
VDI Webinar
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
01AZT-VORSTELLUNG amp EINFUumlHRUNG 05 SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
GEMAumlszlig VDI 3834
02BELASTUNGSDYNAMIKLEBENSDAUER ampINSTANDHALTUNG 06 UumlBERWACHUNG GROszligER
ANLAGENPOPULATIONEN
03ZUSTANDSBEURTEILUNG VSSCHWINGUNGSBEURTEILUNG 07 ZUSAMMENFASSUNG
04FALLBEISPIELTURMSCHWINGUNGEN
CONTENT TOPICS
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ALLIANZ ZENTRUM FUumlR TECHNIK
EINFUumlHRUNG
3
wwwaztallianzcom
01
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Erfahrungsbasis Windenergie
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ldquoLESSONS LEARNED SINCE MORE THAN 85 YEARSrdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1932 in Berlin als ldquoMaterialpruumlfanstaltrdquo der
Allianz Versicherung gegruumlndet
Seit 1969 in Muumlnchen
Allianz Zentrum fuumlr Technik
bull Firmierend als
Allianz Risk Consulting GmbH
bull 2007 integriert in AGCS
AZT Jubilaumlumsbroschuumlre Download wwwaztallianzcom
Allianz Risk Consulting GmbH ndash Allianz Zentrum fuumlr Technik
4
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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention
Belastungsmessung2 amp
Prototypvalidierung
Empfehlungen zu
Condition Monitoring3
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGenerator
T1
G2 G1
T2T3 T4
T5 T6
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor
GearboxBrake
CouplingGenerator
T1T1
G2 G1G2 G1
T2T3 T4
T2T3 T4
T5 T6T5 T6
AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung
von Windenergieanlagen
Schadenuntersuchung1 amp
Designpruumlfung
1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012
bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123
bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
CBA
ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
) Structural Health Monitoring Systems
6
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
CBA
ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt
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02
Groumlszligenentwicklung
amp Belastungen
Lebensdauer
amp Instandhaltung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
14
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
15
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 29
BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 30
BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 31
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 34
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 35
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 37
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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01AZT-VORSTELLUNG amp EINFUumlHRUNG 05 SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
GEMAumlszlig VDI 3834
02BELASTUNGSDYNAMIKLEBENSDAUER ampINSTANDHALTUNG 06 UumlBERWACHUNG GROszligER
ANLAGENPOPULATIONEN
03ZUSTANDSBEURTEILUNG VSSCHWINGUNGSBEURTEILUNG 07 ZUSAMMENFASSUNG
04FALLBEISPIELTURMSCHWINGUNGEN
CONTENT TOPICS
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ALLIANZ ZENTRUM FUumlR TECHNIK
EINFUumlHRUNG
3
wwwaztallianzcom
01
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Erfahrungsbasis Windenergie
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ldquoLESSONS LEARNED SINCE MORE THAN 85 YEARSrdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1932 in Berlin als ldquoMaterialpruumlfanstaltrdquo der
Allianz Versicherung gegruumlndet
Seit 1969 in Muumlnchen
Allianz Zentrum fuumlr Technik
bull Firmierend als
Allianz Risk Consulting GmbH
bull 2007 integriert in AGCS
AZT Jubilaumlumsbroschuumlre Download wwwaztallianzcom
Allianz Risk Consulting GmbH ndash Allianz Zentrum fuumlr Technik
4
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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention
Belastungsmessung2 amp
Prototypvalidierung
Empfehlungen zu
Condition Monitoring3
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGenerator
T1
G2 G1
T2T3 T4
T5 T6
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor
GearboxBrake
CouplingGenerator
T1T1
G2 G1G2 G1
T2T3 T4
T2T3 T4
T5 T6T5 T6
AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung
von Windenergieanlagen
Schadenuntersuchung1 amp
Designpruumlfung
1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012
bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123
bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
CBA
ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
) Structural Health Monitoring Systems
6
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CBA
ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt
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02
Groumlszligenentwicklung
amp Belastungen
Lebensdauer
amp Instandhaltung
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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
14
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
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BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ALLIANZ ZENTRUM FUumlR TECHNIK
EINFUumlHRUNG
3
wwwaztallianzcom
01
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Erfahrungsbasis Windenergie
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ldquoLESSONS LEARNED SINCE MORE THAN 85 YEARSrdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1932 in Berlin als ldquoMaterialpruumlfanstaltrdquo der
Allianz Versicherung gegruumlndet
Seit 1969 in Muumlnchen
Allianz Zentrum fuumlr Technik
bull Firmierend als
Allianz Risk Consulting GmbH
bull 2007 integriert in AGCS
AZT Jubilaumlumsbroschuumlre Download wwwaztallianzcom
Allianz Risk Consulting GmbH ndash Allianz Zentrum fuumlr Technik
4
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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention
Belastungsmessung2 amp
Prototypvalidierung
Empfehlungen zu
Condition Monitoring3
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGenerator
T1
G2 G1
T2T3 T4
T5 T6
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor
GearboxBrake
CouplingGenerator
T1T1
G2 G1G2 G1
T2T3 T4
T2T3 T4
T5 T6T5 T6
AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung
von Windenergieanlagen
Schadenuntersuchung1 amp
Designpruumlfung
1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012
bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123
bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
CBA
ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
) Structural Health Monitoring Systems
6
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CBA
ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt
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02
Groumlszligenentwicklung
amp Belastungen
Lebensdauer
amp Instandhaltung
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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
14
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
15
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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ldquoLESSONS LEARNED SINCE MORE THAN 85 YEARSrdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1932 in Berlin als ldquoMaterialpruumlfanstaltrdquo der
Allianz Versicherung gegruumlndet
Seit 1969 in Muumlnchen
Allianz Zentrum fuumlr Technik
bull Firmierend als
Allianz Risk Consulting GmbH
bull 2007 integriert in AGCS
AZT Jubilaumlumsbroschuumlre Download wwwaztallianzcom
Allianz Risk Consulting GmbH ndash Allianz Zentrum fuumlr Technik
4
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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention
Belastungsmessung2 amp
Prototypvalidierung
Empfehlungen zu
Condition Monitoring3
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGenerator
T1
G2 G1
T2T3 T4
T5 T6
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor
GearboxBrake
CouplingGenerator
T1T1
G2 G1G2 G1
T2T3 T4
T2T3 T4
T5 T6T5 T6
AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung
von Windenergieanlagen
Schadenuntersuchung1 amp
Designpruumlfung
1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012
bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123
bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685
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CBA
ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
) Structural Health Monitoring Systems
6
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CBA
ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt
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02
Groumlszligenentwicklung
amp Belastungen
Lebensdauer
amp Instandhaltung
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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
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Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
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Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
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) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
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Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 37
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 38
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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AZT AKTIVITAumlTEN IM BEREICH WIND ENERGIE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fokus auf Schadenursachenanalyse und Schadenpraumlvention
Belastungsmessung2 amp
Prototypvalidierung
Empfehlungen zu
Condition Monitoring3
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGenerator
T1
G2 G1
T2T3 T4
T5 T6
Main bearingRotorGearbox
Brake
CouplingGeneratorMain bearingRotorRotor
GearboxBrake
CouplingGenerator
T1T1
G2 G1G2 G1
T2T3 T4
T2T3 T4
T5 T6T5 T6
AZT Anforderungen zur Zustandsuumlberwachung
von Windenergieanlagen
Schadenuntersuchung1 amp
Designpruumlfung
1-3) AZT-Veroumlffentlichungen ua ldquoSchaumlden an Antriebsstraumlngen von Windenergieanlagenrdquo VGB PowerTech 072012
bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 2123
bdquoErweiterung des Umfangs von Condition Monitoring Systemen fuumlr Multi-MW und Offshore Windturbinenldquo VDI-Berichte 21685
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CBA
ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
) Structural Health Monitoring Systems
6
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CBA
ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt
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02
Groumlszligenentwicklung
amp Belastungen
Lebensdauer
amp Instandhaltung
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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
CBA
ANWENDUNG SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
) Structural Health Monitoring Systems
6
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
CBA
ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
02
Groumlszligenentwicklung
amp Belastungen
Lebensdauer
amp Instandhaltung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
14
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
15
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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CBA
ANWENDUNGEN DER SCHWINGUNGSMESSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Frage Wer hat sich mit einem oder mehreren der Themen bereits beschaumlftigt
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02
Groumlszligenentwicklung
amp Belastungen
Lebensdauer
amp Instandhaltung
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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
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Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
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Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
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Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 35
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 37
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 38
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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02
Groumlszligenentwicklung
amp Belastungen
Lebensdauer
amp Instandhaltung
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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
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Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
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Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
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1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
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) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
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Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
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Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
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Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
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Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
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Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
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T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
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T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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GROumlszligENENTWICKLUNG DER ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Bundesverband Windenergie
12 MW Prototype bei Rotterdam
seit 112019 in Betrieb
Quelle GE Renewable Energy
Windenergieanlagen vollzogen in den letzten 4 Jahrzehnten eine enorme Leistungssteigerung und Groumlszligenwachstum
Daraus resultieren ebenfalls groszlige technische Herausforderungen
28 x houmlhere Leistung
=2015
9
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
14
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
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) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Turm-
vorstau
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
10
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
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Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
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Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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Auf die Rotorblaumltter wirkende Lasten
Biegung in Schwenkrichtung
Zyklische Biegung infolge Rotation durch das Schwerfeld und das uumlberlagerte
Drehmoment
Waumlhrend der Lebensdauer erfahren die Blaumltter eine sehr groszlige Anzahl an
Rotationen (gt 107 Umdrehungen)
Biegung in Schlagrichtung
Schwankende Biegung in Windrichtung infolge groszliger veraumlnderlicher
Schubkraumlfte
Windscherung Boumlen Turbulenz Turmvorstau Nachlaufwirbel durch in der
Anstroumlmung befindlicher Anlagen
Belastungen haumlngen stark von lokalen Bedingungen ab
Diese Lasten muumlssen vom Hauptlager aufgenommen werden und uumlbertragen sich
auf den Triebstrang und die Struktur (Turm + Fundament)
DYNAMISCHE BELASTUNGEN
Schubkraft
(Schlagrichtung)Umfangskraft
(Schwenkrichtung)
Gewichts-
kraft
Fliehkraft
Turbulenz
Boumlen
Schraumlg-
anstroumlmung
Wind
Scherung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Drehmoment
Turm-
vorstau
Kipp-
moment
Gear-
moment
Der fortschreitende Trend zu groumlszligeren Rotordurchmessern fuumlhrt zur Zunahme der dynamischen Belastung
der Rotorblaumltter und der weiterer Komponenten der Windenergieanlage
11
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
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Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
14
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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UMFANGREICHE MESSKAMPAGNEN DES AZT AN WINDTURBINEN
M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Mb_Rotor_res Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
MNm
GetriebeverlagerungBlattbiegemomente(Schlag+Schwenkrichtung)
Biegemoment Rotorwelle
Resultierendes Kippmoment
Reale Belastung durch
inhomogenes Windfeld
Schlagmomente
Blatt 13
Niedrige Windgeschwindigkeit auf
einem Teil der Rotorflaumlche fuumlhrt zu
wiederholten Einbruumlchen der
Blattbiegemomente
Rotorumdrehung
Rotorblaumltter
Generator
Getriebe
Hauptlager
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Die stark ungleiche Rotorbelastung
fuumlhrt zu sehr groszligen
Kippmomenten auf den Triebstrang
Link zur Videosequenz12
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
14
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
15
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
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Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 34
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 35
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 37
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 38
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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M_Blade1_trust M_Blade2_trust M_Blade3_trust Puls_Rotor_tr
MNm
MNm
MNm
82240 82250 82300 82310 82320 82330 82340 82350 82400
25508
Schlagmomente
der drei Rotorblaumltter
(13 Umin)
AZT-Veroumlffentlichung bdquoUntersuchung des dynamischen Verhaltens des Triebstranges
von Windenergieanlagenldquo VDI-Berichte 212313
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
14
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
15
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
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Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
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Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
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Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
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Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
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Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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TECHNISCHE ZUVERLAumlSSIGKEIT bdquoBADEWANNENKURVEldquo
Fruumlhe Ausfaumllle Anstieg der Ausfallrate
durch Alterung
Zufaumlllige Ausfaumllle
Betriebszeit
Uumlberholung sinnvoll
Au
sfa
llra
te
Designfehler
Materialqualitaumlt
Fertigungsfehler
Montagefehler
Inbetriebnahme
hellip
Verschleiszlig und AlterungAusfaumllle durch Maumlngel und
fruumlhes Versagen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 34
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
15
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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AUSLEGUNGSLEBENSDAUER UND UumlBERHOLUNGSINTERVAL
Dam
pft
urb
inen bull Auslegungslebensdauer
30 Jahre (~240000 Std)
bull Hersteller EmpfehlungGeneraluumlberholung nach 50000 75000 Std
bull VGB-R 115MMittlere Uumlberholung nach 50000 Std Generaluumlberholung100000 Std
Win
d O
nsh
ore bull Auslegungslebensdauer
20 Jahre (~ 130000 -160000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
Win
d O
ffshore bull Auslegungslebensdauer
25 Jahre (~ 200000 Std)
bull Keine geplante Uumlberholung
bull Trigger von Uumlberholungen durch Schaumlden oder zustandsabhaumlngig
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Es kann nicht erwartet werden dass Komponenten von Windenergieanlagen (onshore und offshore) eine
Lebensdauer von 20 Jahren erreichen
2) Ungeplante Instandhaltung ist kostenintensiv und wirkt sich auf die Zuverlaumlssigkeit durch erhoumlhte
Stillstandszeiten aus
16
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
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) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
17
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
18
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
19
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
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Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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ENTWICKLUNG VON INSTANDHALTUNGSSTRATEGIEN
Zustand
100
0
1980er
Zeitbasiert
(Praumlventiv)
2
2 Zeitbasierte Instandhaltung
1 Korrektive Instandhaltung
1960er
Korrektiv
1
Ausfall
3 Zustandsbasierte Instandhaltung
2000erZustands-
basiert
(Praumlventiv)
3
Erkennung der Zustandsaumlnderung
Predictive Maintenance
Mustererkennung Machine
Learning-Algorithmen
Regelbasierte und
physikalische Modelle
Simulation des
Maschinenverhaltens mittels
Digtial Twin
Erkennung von Fehlfunktionen
Lebensdauervorhersage
Heute hellip
Predictive
4
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) AZT-Veroumlffentlichung ldquoTRENDPAPER Predictive Maintenance - Influence on Insured Risksrdquo 04 D 2020 ES 001
20
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
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Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
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Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
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Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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CONDITION MONITORING SYSTEME (CMS) AZT VEROumlFFENTLICHTE IN 2003 ANFORDERUNGEN AN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Mindestumfang
Erweiterter Umfang
Schwierigkeit
Dynamisches Betriebsverhalten
R1 T1
180
215
250
285
320kNm
174338 174341 174344 174347 174350 174353 174356 174359 174402 174405 174408
22301
hms
Drehmoment Rotorwelle T1
Drehzahlreferenz R1
Rotorwelle
Hauptlager
GetriebeGenerator
Gondel
Turm
(Rotor)
Rotorblaumltter Blattverstellung Blattlagerung Azimutantriebe
Aumluszligere Schwingungsanregung
Vielzahl innerer Erregermechanismen
) AZT-Veroumlffentlichung bdquoAnforderungen an Condition Monitoring Systeme fuumlr Windenergieanlagenldquo Bericht 030106821
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde22
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 31
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde23
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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BEISPIEL NUTZEN CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Vorteile von CMS
bull Fruumlhzeitige Erkennung von Schaumlden
bull Verringerung der Folgeschaumlden
bull Planbarkeit der notwendigen
Instandhaltung
Verschiedene Studien nennen auf Basis
erkannter Schaumlden eine durchschnittliche
Amortisationszeit fuumlr die Investition in
CMS von 2 bis 4 Jahre
Der durch die fruumlhzeitige
Schadenerkennung und Planbarkeit der
Instandsetzung verminderte
Produktionsausfall ist darin nicht
beruumlcksichtigt
Quelle ua micro-Sen GmbH
bdquoPraxisbezogene Nutzen-Analyse von CMS -
detektierte Fehler und bestaumltigte Schaumlden fuumlr
die Jahre 2006 2007 und 2008ldquo
Quelle Planungsgemeinschaft Energie und Umwelt
Projekt GmbH wwwplanungsgemeinschaftde24
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
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VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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AZT-HERSTELLERUMFRAGE IN 2012 AUSGELIEFERTE CMS
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anzahl schwingungsbasierter
Triebstrang CMS kumuliert
International 23861 CMS
An Befragung beteiligte CMS Hersteller + Lieferanten die Daten geliefert haben
Allianz Risk Consulting GmbH 2012
FAG Industrial Services
01db-Metravib ACOEM Bently Nevada
Bruumlel amp Kjaer Vibro DMT Eickhoff Antriebstechnik
Flender ServiceGfM Gesellschaft fuumlr Maschinendiagnose
Gram amp Juhl ISTEC Pruumlftechnik
Vulcan Seacom SKF Status Pro SPM
Bachmann Monitoring
CMC
Veroumlffentlicht in VGB PowerTech 092013 ldquoExtension of the scope of Condition Monitoring Systems for multi-MW and offshore wind turbinesrdquo 25
Gemaumlszlig Abschaumltzung wurden 5000
dieser Systeme in Deutschland installiert
Bei einem Gesamtbestand in 2012 von
22297 Windturbinen waren etwa 22 der
Anlagen mit CMS ausgeruumlstet
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 30
BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 38
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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03
Zustandsbeurteilung
amp Diagnose
Schwingungsbeurteilung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 31
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 34
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
27
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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Zustandsbeurteilung
Vergleich aktueller Beurteilungsgroumlszligen mit
Bezugswerten
Feststellung ob sich ein Beurteilungsobjekt in
einwandfreiem oder geschaumldigtem Zustand befindetRegelmaumlszligige Durchfuumlhrung
Zustandsuumlberwachung
(Condition monitoring)
28
BEGRIFFSKLAumlRUNG ndash ZUSTANDSBEURTEILUNG UND DIAGNOSTIK
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Diagnostik
Interpretation von Symptomen bzw Merkmalen (quantitative Beschreibung eines Symptoms)
Abweichung nach Art identifizieren betroffene
Komponenten lokalisieren und Ausmaszlig quantifizierenZustandsanalyse erfolgt automatisch in
der Uumlberwachungsphase
Diagnostische
Uumlberwachung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 29
BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 30
BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 31
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
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Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
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Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
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06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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BEGRIFFSKLAumlRUNG - SCHWINGUNGSBEURTEILUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
) vgl DIN ISO 17359 Beiblatt 1 Zustandsuumlberwachung und -diagnostik von Maschinen mdash Erlaumluterungen zu Fachbegriffen
Schwingungsbeurteilung
Bewertung der gemessenen (belastungsrelevanten)
Schwingungen durch Vergleich mit festgelegten
Bezugswerten (ohne dass der Zustand beurteilt wird)
Absicherung eines zuverlaumlssigen Betriebs
Schwingungs-
uumlberwachung
Regelmaumlszligige Durchfuumlhrung
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STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 31
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 34
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 32
STAND DER SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG BEI WINDTURBINEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Nach Zertifizierungsrichtlinien des DNV GL ist fuumlr Windenergieanlagen mit Blattwinkelverstellung oder
resonanznahem Betrieb eine betriebliche Schwingungsuumlberwachung der Turmschwingungen gefordert
Aumlhnliches ist auch in der DiBt-Richtlinie 2012 vorgeschrieben
Die Anforderungen dienen dem Schutz der Anlage damit Auslegungslasten im Betrieb nicht
uumlberschritten werden
Anmerkung Resonanznah bedeutet die Drehfrequenz oder Fluumlgelpassierfrequenz haben einen Abstand von kleiner gleich plusmn 5 von
einer Turmbiegeeigenfrequenz (vgl DNVGL ST-0438 ST-0437 und ST-0126)
Eine systematische Schwingungsuumlberwachung der Struktur und des Triebstrangs von
Windenergieanlagen wie sonst bei kapitalintensivem rotierenden Equipment uumlblich ist jedoch nicht
verbreitet
Zu diesem Zweck werden nachfolgend normierte Beurteilungskennwerte vorgestellt die mit
vorhandenen Messstellen von Condition Monitoring Systemen ausgewertet werden koumlnnen
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 34
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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04
33
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Turmschwingungen
FALLBEISPIEL
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 37
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 38
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0_BP01_10HZ A_PL_axial_BP01_10HZ
0
100
200
300
400
500kNm
250
300
350
400
450
500 mHz
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
-3
-2
-1
0
1
2
3mssup2
1200 1205 1210 1215 1220 1225 1230 1235 1240 1245 1250
18108
hm
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
043 ms2RMS | 66 mmsRMS
053 ms2RMS | 126 mmsRMS
Beurteilungsbeschleunigung |
-geschwindigkeit
nach VDI 3834
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 36
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 37
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 38
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGENAUFSCHWINGEN EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
FFTpk_A_PL_axial
09995
10295
10595
10895
11195
11495
11795
12095
12395
12695
12995
13295
13595
13895
14195
14495
14795
15095
15395
15695
15995
1629510^3 s
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Hz
000
010
020
030
040
050
060
070
080
090
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200mssup2
Merkmale
Schwingungsanstieg bei
konstanter Frequenz
Keine direkte
Drehzahlabhaumlngigkeit
Turmbiegeeigenfrequenz Frequenzachse
Zeit-
achse
Drehzahl 1s
Pitchwinkel deg
Frequenzanalyse als Wasserfalldarstellung der axialen Schwingungen20
0
300
400
500
600
mHz
051015deg
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
103
s
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
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UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 37
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 38
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Anregung der 1 Turmbiegeeigenfrequenz durch Pitchdynamik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Link zum Video
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BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
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WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 38
BEISPIEL TURMSCHWINGUNGEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
T_Rotor f_Rotor A_PL_0 A_PL_axial A_PL_0_BP03_1HZA_PL_axial_BP03_1HZ Pitch Pitch_BP05_07HZ DIO_Rotor
-500
0
500kNm
0
500 mHz
-5
0
5mssup2
-5
0
5mssup2
-1
0
1mssup2
-2
0
2mssup2
00
75
150deg
-3
0
3deg
123520 123540 123600 123620 123640 123700 123720 123740 123800
18108
hms
Drehmoment Drehfrequenz
Schwingung transversal
Schwingung axial
Schwingungen bandpassgefiltert 03 Hz bis 1 Hz
Pitchwinkel bandpassgefiltert
Pitchwinkel
Ergebnis
Frequenz der Pitchregelung
trifft Turmbiegeeigenfrequenz
Ermittelte Beurteilungs-
beschleunigung
erreicht 053 ms2 eff
(01 Hz ndash 10 Hz)
Trotz dieser teilweise sehr
erheblichen Turmschwingungen
erfolgte aus dem
Steuerungssystem weder eine
Alarmierung noch eine
Abschaltung
Das Beispiel zeigt dass eine Schwingungsuumlberwachung ergaumlnzend zum Schutzsystem sinnvoll ist
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05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
05
Schwingungsbeurteilung
auf Basis von VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 40
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
41
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
VDI 2059-11981 (zuruumlckgezogen 2008)
Wellenschwingungen von Turbosaumltzen
Blatt 1 bis 5 entstanden zwischen 1981 bis 1990
Wellen-
schwingungen
42
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG - ENTWICKLUNG DER NORMEN
VDI 20561964 (zuruumlckgezogen 1997)
Beurteilungsmaszligstaumlbe fuumlr mechanische Schwingungen von
Maschinen
DIN ISO 10816-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen - Teil 1
Allgemeine Anleitungen (ISO 10816-11995)
DIN ISO 7919-11997 (zuruumlckgezogen 2017)
Mechanische Schwingungen von Maschinen mit Ausnahme von
Kolbenmaschinen - Messung und Bewertung von Wellenschwingungen -
Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 7919-11986)
Lager-
schwingungen
ISO 20816-22017 Stat Gas- und Dampfturbinen uumlber 40 MW
ISO 10816-32009 Industrielle Maschinen
ISO 20816-42018 Gasturbinen uumlber 3 MW
ISO 20816-52018 Hydraulische Turbinen
ISO 10816-61995 Hubkolbenmaschinen
ISO 10816-72009 Kreiselpumpen
ISO 20816-8 2018 Hubkolbenkompressoren
ISO 20816-9 2019 (E) Getriebe
ISO 10816-212015 Windenergieanlagen
DIN ISO 20816-12017
Mechanische Schwingungen - Messung und Bewertung der Schwingungen von
Maschinen - Teil 1 Allgemeine Anleitungen (ISO 20816-12016)
abgeloumlst durch
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
AZT-Veroumlffentlichung bdquoSchwingungsbeurteilung und Diagnostik von Windenergieanlagen
im Spiegel von Normen und Richtlinien ldquo VDI-Berichte 2220
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 43
WELLENSCHWINGUNGSMESSUNG AUCH BEI WINDENERGIEANLAGEN
ANWENDBAR
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
W1
W2
W3
WGen
Moumlgliche Anwendung der
Wellenschwingungsmessung bei
Groszligwaumllzlagern und bei groszligen
Generatoren (Luftspaltmessung)
zur Schwingungsbeurteilung und
Zustandsuumlberwachung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 44
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
DIN ISO 10816-21 Bewertung der Schwingungen von
Maschinen durch Messungen an nicht-
rotierenden Teilen ndash
Teil 21 Windenergieanlagen mit
horizontaler Drehachse und Getriebe
VDI 3834 - Blatt 1Messung und Beurteilung der
mechanische Schwingungen von
Windenergieanlagen und deren
Komponenten ndash Wind-energieanlagen
mit Getrieben
Schwingungen von
Windenergieanlagen
VDI 3834 Blatt 1 Windenergieanlagen mit
Getriebe
DIN ISO 10816-21
VDI 3834 Blatt 2 Windenergieanlagen ohne
Getriebe (direkt-angetriebener
Generator)
kurz vor der Fertigstellung
Link zur VDI 3834 Blatt 1
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MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 45
MITARBEITER IM RICHTLINIENAUSSCHUSS VDI-GPP FA623 ldquoWINDENERGIErdquo
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Foto zeigt nur einen Teil der Mitarbeiter (Stand 2017)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 46
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 47
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1) Das Mittelungsverfahren entspricht dem in DIN 45662 beschriebenen Intervall-Effektivwert wenn fuumlr das Zeitintervall T die Beurteilungsdauer T0 eingesetzt wird
Besonderheit der Schwingungsbeurteilung von Windenergieanlagen
bull Sehr dynamisches Betriebsverhalten
bull Zusammenwirken der vom Maschinensatz selbst erzeugten Schwingungen
und der von auszligen einwirkenden Schwingungen
(Schwingungsemission und ndashimmission)
VDI 3834 definiert spezielle Beurteilungsgroumlszligen
bull Breitbandige Messung der Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit
bull Bildung der Kenngroumlszligen in spezifizierten Frequenzbereichen
01 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 1000 Hz 10 Hz bis 2000 und 10 Hz bis 5000 Hz
bull ldquoEnergieaumlquivalente Mittelung1ldquo der bandpassgefilterten Schwingung uumlber einer definierten
Beurteilungsdauer
bull Beurteilungsdauer fuumlr den Frequenzbereich 01 Hz bis 10 Hz 10 Minuten
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 48
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 49
UNTERSCHIED BREITBANDIGE VS FREQUENZSELEKTIVE KENNWERTE
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Quelle Hewlett Packard
Effektivwert
rms
Effektivwert in
verschiedenen
Frequenzbaumlndern Breitbandige Kennwerte
vs frequenzselektive
Kennwerte
Unteres Frequenzband Oberes Frequenzband
Quelle Ulrich Klein Schwingungsdiagnostische Beurteilung
von Maschinen und Anlagen
Waumllzlagerdiagnose mittels Huumlllkurvenanalyse
Klassisches CMS-Anwendungsgebiet
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 50
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Struktur Gondel | Structure Nacelle
1 Naumlhe Hauptlager | Near to main bearing
2 Oberhalb Turmflansch | Above tower flange
3 Generatorseite | Generator side
Triebstrang | Drive train
A1 Hauptlager | Main bearing
B1 ndash B3 Getriebemessebenen 1 ndash 3
Gearbox measurement plains 1 ndash 3
C1 C2 Generator | Generator
Typische Messorte nach VDI 3834 Blatt1
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 51
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 52
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Bewertungszonen in VDI 3834
bull Zur Festlegung der Zonengrenzen wurden Schwingungen von mehr als 1000
Windenergieanlagen ausgewertet
Orientierung der Zonengrenze BC an Schwellwert mit 977 Summenhaumlufigkeit der
Anlagen ohne ldquoSchwingungsproblemerdquo
Effektivwert rms
Anlagen ohne
bdquoProblemeldquo
Anlagen mit
bdquoProblemeldquo
Haumlufigkeit
977
Zonengrenze BC
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 53
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 54
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834
BEWERTUNGSZONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Grenzen der Bewertungszonen in ms2eff bzw mms eff nach VDI 3834 Blatt1
Beschl
ms2 eff
Zone B
Zone C
Zone D
Komponente
75
10
03
1612
Beschl
01 ndash 10
Hz
Gondel + Turm Rotorlager Getriebe Generator
05
03
Geschw
01 ndash 10
Hz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
60
100
2
32
Beschl
01 ndash 10
Hz
Beschl
001 ndash 2
kHz
Geschw
001 ndash 1
kHz
05
03
35
56
Beschl
001 ndash 5
kHz
6
10
Geschw
001 ndash 1
kHz
Geschw
mms eff
Kenngroumlszlige
Frequenz-
bereich
Zone B
Zone C
Zone D
Beschl
01 ndash 10
Hz
Zone B
Fuumlr Dauerbetrieb
geeignet
Zone C
Uumlblicherweise fuumlr
Dauerbetrieb
nicht geeignet
Ursache der
Schwingungen
untersuchen
Zone D
Schaumlden koumlnnen
entstehen
umgehende
Ursachenanalyse
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SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 55
SCHWINGUNGSBEURTEILUNG NACH VDI 3834 ndash
BEWERTUNGSZONEN NUTZUNG ZUR SCHWINGUNGSUumlBERWACHUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Richtlinie enthaumllt Hinweise zur Festlegung individueller Grenzwerte fuumlr die Uumlberwachung
bull Basis bilden gemessene Referenzwerte (Basiswerte) plus einem Aufschlag
WARNUNG = Basiswert + 25 der Zonengrenze BC
ALARM = Alarmwert lt 125 Zonengrenze CD
bull Grenzwerte koumlnnen je nach Uumlberwachungsstrategie und Erfahrungen auch
abhaumlngig von Betriebsparametern definiert werden
Uumlberwachung mit VDI Kenngroumlszligen ermoumlglicht
bull Standardisierte Uumlberwachung und Bewertung
bull Visualisierung der Kenngroumlszligen mit Grenzwerten im SCADA System
bull Gegebenenfalls Verwendung als Eingangsgroumlszlige in der Steuerung bzw SCADA
insbesondere bei schnell voranschreitenden Fehlern
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
06
56
Leistung 226 MW
Drehzahl 6864 min-1
(Bild exemplarisch)
Erfahrungen aus der
Uumlberwachung groszliger
Anlagenpopulationen
BEISPIELE
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 57
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 58
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 59
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 61
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 62
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH 64
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
2020 copy Copyright Allianz Risk Consulting GmbH
ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Ziel der Integration in die Anlagenuumlberwachung
1 Erkennen unguumlnstiger Betriebszustaumlnde einer WEA
2 Bewertung und Vergleichbarkeit des Schwingungsverhaltens
zwischen WEA auf Basis der standardisierten Kenngroumlszligen
und Bewertungszonen
3 Nutzung der Schwingungsinformation fuumlr die Betriebsfuumlhrung
und Anlagenoptimierung
Veroumlffentlichung AZT + Bachmann bdquoSchwingungsbeurteilung nach VDI 3834-1 bzw DIN ISO 10816-21 und deren Integration in die Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen ldquo VDI-Berichte 2281
und ldquoUse of VDI 3834 amp ISO 10816-21 for vibration monitoring of large wind turbine fleetsrdquo VGB PowerTech 072017
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
VDI 3834
Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
66
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
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der Turmschwingungen
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CMS + SHM
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Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
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CMS
Steuerung SCADA
schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Kennwert
nach VDI 3834
CMS Service
detailliert
fruumlhzeitig
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Kennwert Innenring
VDI Kenngroumlszligen unterstuumltzen den Bewertungsprozess
) Supervisory Control And Data Acquisition (Uumlbergeordnete Steuerung und Datenerfassung)
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
126
Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
65
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
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ZUSAMMENFASSUNG
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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der Turmschwingungen
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Ja = A Nein = B Neutral = C
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Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
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Detektierbare Fehler
bull VDI Kenngroumlszligen entsprechen dem RMS (Effektivwert) und repraumlsentieren
den Energieinhalt eines Signals
bull Somit sind Maschinenfehler detektierbar welche einen hohen Beitrag zum
Effektivwert liefern
Beispiele
bull Aufstellungs- Montagefehler
bull Ausrichtungsfehler
bull Fortgeschrittene Schaumlden
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
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Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
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Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
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Generator Beurteilungsbeschleunigung
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Beurteilungsgeschwindigkeit
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Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
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Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
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Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
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Kennwert
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Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
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Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
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Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
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CMS + SHM
Standardisierte
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VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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Schutzuumlberwachung
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Schwingungsuumlberwachung
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Ja = A Nein = B Neutral = C
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Tel +49893800 ndash 6236
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Beispiel VDI-Kenngroumlszligen am Generator DE
bull Beide Beurteilungsgroumlszligen liegen in der Zone D
bull Amplitudenspektrum hohe Amplitude bei Drehfrequenz mechanisches Spiel
bull Montage- Aufstellungsfehler ggf Generatorfuumlszlige verschlissen
60
UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
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Detektierbare Fehler ndash Beispiel 1 Generator
Komponente
Beurteilungsbeschleunigung [ms2] 10hellip5000 Hz
hellip10 16
212
Beurteilungsgeschwindigkeit [mms] 10hellip1000 Hz hellip6 hellip10
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Generator Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 5000 Hz
Beurteilungsgeschwindigkeit
10 ndash 1000 Hz
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Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
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und Condition Monitoring
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Ja technisch sehr
sinnvoll
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ZUSAMMENFASSUNG
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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (2)
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Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
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Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
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Tel +49893800 ndash 6236
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
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Aumlnderung des Effektivwerts am Getriebe uumlber Zeitraum von 3 Jahren
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Getriebe Beurteilungsbeschleunigung
10 ndash 2000 Hz
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Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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und Condition Monitoring
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Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
07ZUSAMMENFASSUNG
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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
Anlagensteuerung und im SCADA
Ziel Integration mechanischer Beurteilungsparameter in die Fernuumlberwachung
67
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ABSCHLIEszligEND EINE MEINUNGSUMFRAGE (1)
AZT-Allianz Zentrum fuumlr Technik
Sicherheitssystem
Schutzuumlberwachung
der Turmschwingungen
Condition Monitoring System
CMS + SHM
Standardisierte
Schwingungsuumlberwachung
VDI 3834
Werden in Ihrem Umfeld CMS bei groszligen Windenergieanlagen (Onshore) als Standard verwendet
Ja = A Nein = B Neutral = C
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der Turmschwingungen
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Ja = A Nein = B Neutral = C
Halten Sie die moumlglichen Synergien von CMS und Schwingungsuumlberwachung fuumlr sinnvoll
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Allianz Risk Consulting GmbH Allianz Zentrum fuumlr Technik
VIELEN DANK FUumlR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
70
wwwaztallianzcom am 16 und 17062020 in Bremen
Thomas Gellermann
Vorsitzender des VDINALS FA623 C23
CATIV zertifiziert ISO 18436-2
Allianz Risk Consulting GmbH
Allianz Zentrum fuumlr Technik
Tel +49893800 ndash 6236
Email thomasgellermannallianzcom
Link zum Programm der Tagung
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
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Huumlllkurvenspektrum Fehler am Innenring ist deutlich sichtbar
Detektierbare Fehler ndash Beispiel 2 Getriebe
Zustandsuumlberwachung
mittels CMS
Fruumlhere Detektion von
energiearmen Fehlern
und Schaumlden
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UumlBERWACHUNG GROszligER ANLAGENPOPULATIONEN
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Fazit
Trotz der bestehenden Grenzen in der Fruumlherkennung von energiearmen
Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
SCADA schnelle Kopplung
unspezifisch
CMS Servicedetailliert
fruumlhzeitig
Kennwert
nach VDI 3834
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
07ZUSAMMENFASSUNG
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Brauchen Windturbinen
Schwingungsuumlberwachung
und Condition Monitoring
Ja technisch sehr
sinnvoll
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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
Ziel Unterstuumltzung der Zustandsbeurteilung mit CMS
5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
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Fehlern ist die Schwingungsbeurteilung nach VDI 3834 ein starkes Werkzeug
zur effizienten Uumlberwachung groszliger Anlagenpopulationen
Vorteile der Nutzung
bull Moumlgliche schnelle Ruumlckkopplung in die Steuerung (Absicherung des Anlagenbetriebes)
bull Einfache Einbindung zusaumltzlicher aussagekraumlftiger Kenngroumlszligen in ein vorhandenes
Leitstandssystem SCADA
bull Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
CMS
CMS Kennwert
nach VDI 3834
Steuerung
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1 Mittels gezielter Schwingungsuumlberwachung auf Basis breitbandiger Effektivwerte der VDI 3834 lassen
sich Betriebszustaumlnde erkennen die Schwingungen mit hohem Energiegehalt verursachen
Ziel Vermeidung unguumlnstiger Betriebszustaumlnde
2 Durch Vergleich des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Anlagenflotte lassen sich Anlagen mit
erhoumlhten Schwingungsniveau identifizieren
Ziel Unterstuumltzung der Anlagenoptimierung + Fehlerbeseitigung (Lebensdauer)
3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
Konfiguration an)
Ziel Kombination von Schwingungsbeurteilung und Zustandsbewertung in einem CMS
4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
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5 Die begrenzte Anzahl der Kenngroumlszligen ermoumlglicht die Weiterverarbeitung und Nutzung in der
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3 Die Kennwerte lassen sich mit jedem CMS bilden und uumlberwachen (vorausgesetzt Hersteller bieten
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4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
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4 Die Kennwerte ermoumlglichen die Beurteilung von relativen Schwingungsaumlnderungen (Trends) und der
absoluten Amplituden im Vergleich zu Zonengrenzen der VDI 3834
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