Windturbine Gossau

Auftraggeber: envergate ag, 9326 Horn TG
Bericht: 100713, 13. Juli 2010
Publikation: 2011 DACH Hannover

Bei einer kleinen (10 kW), vertikalachsigen Windturbine traten im Betrieb Probleme auf, weil die Schwingungen des Mastes ausser Kontrolle gerieten, sobald der Generator zugeschaltet wurde. Das Problem wurde in einem ersten Schritt mittels einer kombinierten experimentell/analytischen Modalanalyse einer detaillierten Identifikation unterzogen (Abb. 1 bis 5, 7). In einem zweiten Schritt wurde der Betriebszustand während einer Woche messtechnisch erfasst und aufgezeichnet und auch anhand von zum Teil gezielten Parametervariationen untersucht (Windstärke, Einschaltpunkt des Generators, Montage von Abspannungen usw.; Abb. 6). Es zeigte sich, dass der Generator exakt bei einer Drehzahl des Rotors zugeschaltet wird, die der Grundfrequenz der Anlage entspricht. Das Problem wurde dadurch gelöst, dass ein auf diese Frequenz abgestimmter Schwingungstilger entwickelt und montiert wurde (Abb. 8).

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Abb. 1: Windturbine envergate ev600 auf dem Dach der Migros Gossau. Links: Foto mit Angabe der Messniveaus. Rechts: Abmessungen in mm. Die Fundation ist nur schematisch dargestellt.
Abb. 2: Freiheitsgrade für die ambiente Modalanalyse. Blau: Referenzen, grün: mobile Messpunkte, jeweils zwei pro Setup. Abb. 3: Montage der Sensoren am Mast und an der Fundation (Magnetfüsse, am Mast mit textilen Gurten gesichert).

Für die Modalanalyse und die Untersuchung des Betriebszustandes wurden die gleichen technischen Parameter benützt: LMS Pimento Frontend, Abtastrate sR = 200 Hz, Fensterlänge T = 30 Minuten. Der Unterschied war lediglich, dass für den Betriebszustand das Messniveau 7 abgebaut werden musste, und dass am Fundament nun alle sechs Freiheitsgrade gleichzeitig instrumentiert waren. Mit der Modalanalyse konnten im Bereich f = 2.3…91.3 Hz 20 Eigenschwingungen nach Frequenz, Form und Dämpfung identifiziert werden. Abbildung 4 zeigt einEFDD-SVD-Diagramme, Abbildung 5 als Illustration die Form des ersten Modes (mode 1a, f = 2.30 Hz, zeta = 0.62%; vgl. auch 2011 DACH Hannover).

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 Abb. 4: EFDD SVD Diagramm, f = 0…6 Hz.

 

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 Abb. 5: Mode m1a, f = 2.30 Hz, zeta = 0.62%.

Die Dauerüberwachung der Anlage während einer Woche ergab, dass an der Mastspitze bei schwachem Wind Beschleunigungs-Amplituden von etwa a = 0.01 m/s2, bei mittlerem Wind von etwa a = 1.5 m/s2 und bei starkem Wind von a > 4 m/s2 auftraten. Der Grenzwertschalter, der die Anlage ausschaltet, greift bei etwa a = 2…3 m/s2 ein. Als Beispiel sind in der Abbildung 6 ein bei starkem Wind aufgezeichnetes Signal und das zugehörige Spektrum dargestellt.

Abb. 6: Beschleunigung an der Mastspitze bei starkem Wind: Zeitsignal und PSD-Spektrum.

Im Anschluss an die experimentelle Modalanalyse wurde auch das Finite Element Modell (sog. „baseline model“), das für die Auslegung der Versuche gute Dienste geleistet hatte, optimiert (Abb. 7). Was hier nicht ganz befriedigen konnte, war die Tatsache, dass der Rotor aus wirtschaftlichen Gründen nicht in die experimentelle Analyse und damit auch nicht in die Modellierung einbezogen werden konnte. Die experimentelle Analyse des Mastes spiegelte natürlich alle Einflüsse der Rotorbewegung wieder, was aber mit dem FE-Modell nicht nachvollzogen werden konnte.

Abb. 7: Mode-Paar 4, FE-Modell: f = 9.73 Hz (blau), Experiment: f = 9.30 Hz (rot), MAC = 0.702.

Die Untersuchung des Betriebszustandes hatte gezeigt, dass der Generator der Turbine genau bei jener Drehzahl des Rotors zugeschaltet wird, die der Grundfrequenz der Anlage entspricht (vgl. Abb. 6). Im Anschluss an die hier beschriebenen Versuche entwickelte der Konstrukteur der Anlage einen innovativen Schwingungstilger. Dieser wurde im Fall Gossau extern angebracht (!), wird aber bei zukünftigen Anlagen in die Mastspitze integriert werden (Abb. 8). Die Windturbine Gossau läuft heute einwandfrei.

Abb. 8: Schwingungstilger; Entwurf: envergate ag.