„Canti lever -Sensoren (CLS) zur Lastüberwachung im Rotorblatt“ · 2019-11-18 · „Canti...

„Cantilever-Sensoren (CLS) zur Lastüberwachung im Rotorblatt“Thomas Iwert, Bachmann Monitoring GmbH

228. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“

Inhalt

Agenda

Vorstellung Messprinzip & Sensorik

Untersuchungen zur Sensorempfindlichkeit

Ergebnisse aus Felduntersuchungen

Potentielle Anwendungen

Sensorspezifikation


Vorteile DMS

Erfasst DC- und Wechsellasten

etabliertes Messmittel z.B. im Rahmen von Typenprüfungen und Zertifizierungen

Nachteil

im allg. sind DMS – als kraftgekoppelte (geklebte) Sensoren –nicht langzeitstabil (mechanisch, chemisch)

sehr lokale (punktuelle) Messwerterfassung (typisch < 1cm), kritisch bei inhomogenen Materialien (wie z.B. bei Verbundwerkstoffen)

Grundüberlegung: Ersatz elektrischer DMS durch langzeitstabile Variante


Sensorischer Ansatz: Messung der Dehnung über eine integrale, kraftlose

Wegmessung d.h. Erfassung der Dehnung über einen größeren

Bereich (einige Dezimeter) zur Mittelung über lokale Inhomogenitäten

unsere Umsetzung: Ausführung des Sensors als Cantilever-System mit

induktivem Wegsensor

Vorstellung Messprinzip & Sensorik – Cantilever-Sensor zur Dehnungsmessung

Durch eine geeignete Wahl des Cantilever-Materials kann eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das Messobjekt vorgenommen werden.


Vorstellung Messprinzip & Sensorik – Cantilever-Sensor zur Dehnungsmessung

1 - Cantilever-Halter2 - Sensorhalter3 - Target

4 - Cantilever5 - Abstandssensor6 - Messobjekt

Die Dehnung ε ergibt sich aus dem Verhältnis der Abstandsänderung zwischen Sensorelement und Target ∆� zur effektiven Länge � des Cantilevers, d.h.:

Die Dehnungsauflösung ∆ε�� ergibt sich aus dem Verhältnis der Wegauflösung des Sensors ∆�� zur effektiven Länge � des Cantilevers, d.h.:

Der Messbereich für die Dehnung ��/�� ergibt sich aus dem Verhältnis des

maximal messbaren Abstands �� zur effektiven Länge � des Cantilevers wie folgt:

ε �∆�

�

∆ε�� ∆s��

�

��/�� 1

2

��

�


Das CL-System erfasst Gleich- und Wechselanteile der Blattdehnung ähnlich wie DMS(nicht nur Wechselanteile wie bei Beschleunigungssensoren),

Minimiert Einflüsse lokaler Inhomogenitäten durch größere Referenzstrecke (integrale Messung), dies ist besonders vorteilhaft bei Kompositen bzw. hybriden Werkstoffen (z.B. bei Faserverbundwerkstoffe wie GFK, CFK),

Misst Dehnungen kraftlos langzeitstabil,

Basiert auf robuster, industrieerprobter Standardsensorik,

Unkomplizierte Installation.

Eigenschaften und Vorteile des Sensordesigns


Technische Spezifikation

CAD-Modell – CL-Sensor im eingebauten Zustand mit Abdeckung


CL-Sensoren sind konzipiert für Anwendungen in Rotorblättern von Windenergieanlagen:

Zur Erfassung kritischer Betriebszustände und momentaner Lasten,

Sie sind ebenfalls einsetzbar als „Istwert-Geber“ zur Einzelpitchregelung(IPC..individual pitch control),

Zur Erfassung der Lasthistorie (z.B. über „Rainflow-Counting“),

Sie ermöglichen Abweichungsanalysen zwischen den Blättern –Abweichungen als Indikator für Blattfehler oder fehlerhafte Zustände (z.B. Pitchwinkelfehler).

Anwendungsbereiche für Cantilever-Sensoren


Die Untersuchungen wurden im Labor an einem einseitig eingespannten Balken durchgeführt.

Daten zum Balken: Länge 6000mm, Breite 120mm, Höhe 60mm, Material: GFK, Glasanteil 60%

Ein Cantilever-Sensor (CLS300) sowie 3 einzelne DMS wurden zur Erfassung der Dehnung auf den Balken aufgeklebt. Die DMS waren jeweils als Viertel-Brücke verschaltetet (DMS: R = 120 Ω).

Vergleich von Cantilever-Sensoren mit elektrischen DMS

Der Balken wurde anschließend ausgelenkt und die Signale der Sensoren beim Ausschwingvorgang aufgezeichnet.


Die Diagramme zeigen die Signale des mittleren DMS (rote Kurve) und des CLS300 (blaue Kurve) zum Zeitpunkt der Auslenkung des Balkens.


0 30 60 90 120

Zeit [s]

0

50

100

150

-50

-100

-150

CLS

300 [µm

/m]

0

50

100

150

-50

-100

-150

DM

S [µm

/m]


In den folgenden Abbildungen wurden die Signalverläufe beider Sensoren für einen direkten Vergleich überlagert (DMS..rote Kurve, CLS300..blaue Kurve).


0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Zeit [s]

0

50

100

-50

-100

DM

S [

µm

/m]

CLS

300

[µ

m/m

]

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

Zeit [s]

0

50

100

-50

-100

DM

S [µm

/m]

CLS

300

[µm

/m]

60 62 64 66 68 70

Zeit [s]

0

50

100

-50

-100

DM

S [µm

/m]

CLS

300

[µm

/m]

120 122 124 126 128 130

Zeit [s]

0

5

10

-5

-10

DM

S [

µm

/m]

CLS

300

[µ

m/m

]

180 182 184 186 188 190

Zeit [s]

0

5

10

-5

-10

DM

S [µm

/m]

CLS

300

[µm

/m]

240 242 244 246 248 250

Zeit [s]

0

5

10

-5

-10

DM

S [µm

/m]

CLS

300

[µm

/m]

Anregungsphase

30..60s

1min +10s

3min +10s

2min +10s

4min +10s


Zur Abschätzung der Auflösung wurde das statistische Rauschen über die Amplitudenverteilung beider Sensortypen (bei unbewegtem Balken ≙ grauer Signalabschnitt) bestimmt.


Vertrauensintervall ± 2σ enthält 95,45% der Messwerte vom Erwartungswert

0 300 600 900 1200

Zeit [s]

0

1

2

3

4

5

-1

-2

-3

-4

-5

Am

plit

ud

e D

MS

[µm

/m]

+2σ

-2σ

0 300 600 900 1200

Zeit [s]

0

1

2

3

4

5

-1

-2

-3

-4

-5

Am

plit

ud

e C

LS

300

[µm

/m]

+2σ

-2σ

0 0.5 1 1.5 2-0.5-1-1.5-2

Amplitude [µm/m]

0

1

2

3

4

5

Häu

figk

eit

[%]

- 2σ(DMS)

+ 2σ(DMS)

- 2σ(CLS)

+ 2σ(CLS)

± 2σDMS = 0,83 ± 2σCLS = 0,188 �� ⁄ �1 : 4,4


Cantilever-Sensoren im Einsatz


Sensoranordnungen in der Blattwurzel eines Rotorblatts

Anmerkungen zur SensoranordnungEinbauschema zur Erfassung der Blattbiegung flap- und edgewise

Instrumentierung mit 4 Sensoren,

je 90° versetzt (2 x flapwise, 2 x edgewise)

ermöglicht separate Bestimmung der Zug-und Biegedehnung durch Summation bzw. Differenzbildung gegenüberliegender Sensorsignale

ermöglicht damit eine Normierung auf das relative oder auch absolute Blattbiege-moment (flap- und edgewise)

Instrumentierung mit 2 Sensoren,

um 90° versetzt (1 x flapwise, 1 x edgewise)

beide Sensoren messen Überlagerung von Zug- und Biegedehnung


Plausibilisierung der Signale - Vergleich von CL-Sensoren gleicher Einbaulage aus unterschiedlichen Blättern

Die Signale edgewise folgen hauptsächlich dem Biegemomentim Schwerefeld der Erde.

Die Mittelwerte der Signale flapwise folgen der Windlast bzw. der Windgeschwindigkeit.

Anmerkung: Alle Sensoren wurden im Schwerefeld der Erde kalibriert, die dabei auftretenden Minima- und Maxima-Lagen in denSensorsignalen wurden auf 1 normiert!

CL-Sensoren (bei gleicher Einbaulage)

aus unterschiedlichen Blättern einer

Anlage zeigen nahezu identische Signale,

diese sind um 120° zueinander

verschoben.

Blatt 1

Blatt 2

0 30 60 90 120

Zeit [s]

0

0.5

1

-0.5

-1

A1

B1

_C

L_

LE

[rB

M]

A1

B2

_C

L_L

E [

rBM

]

0 30 60 90 120

Zeit [s]

1.5

2

2.5

3

A1

B1

_C

L_

PS

[rB

M]

A1

B2_C

L_P

S [

rBM

]

Blatt 1

Blatt 2


Plausibilisierung von Betriebszuständen – Vergleich von Kalibrierlauf und normalen Anlagenbetrieb

Kalibrierbereichrot…..Kalibrierlauf flapwiseblau…Kalibrierlauf edgewise

Trajektorie (Orbit, Bahnkurve) entspricht der Auslenkung der Blattachse in Schwenk- und Schlagrichtung

Trajektorie (Orbit, Bahnkurve),gebildet als vektorielleÜberlagerung der Signaleedge- und flapwise.

Orbitale im normalen Anlagenbetrieb

Bla

ttb

iegu

ng

flap

wis

est

eig

t m

it d

er

Win

dla

st

Blattbiegung edgewise folgt hauptsächlich dem Biegemoment im Schwerefeld der Erde

Kal

ibri

er-

be

reic

h


Plausibilisierung von Betriebszuständen – Einfluss der Windlast

Biegemoment flapwise wird von Windlast bestimmt – mittleres Biegemoment (weiß) bildet mittlere Windlast (Windgeschw.) ab

• Orbitale für unterschiedliche Windlasten

Reaktion auf Momentanlasten möglich z.B. IPC

gemittelte Orbitale für unterschiedliche Windlasten

ermöglicht die Erfassung von Veränderungen der Blatteigenschaften oder Betriebsparameter


Analyse von Betriebszuständen – Einfluss der Windlast

blauer Abschnitt: geringe Windlast, wenig Schwankungen

roter Abschnitt: stärkere Windlast mit größerer Dynamik

Winddynamik hat starken Einfluß auf „Laufruhe“ bzw. Bewegungsverhalten des Rotorblatts

Orbitale (rel. BM der CLS flap vs. edge) für unterschiedliche Windlasten, entspricht Biegung der Blattachse (Abb. rechts für Mittelwerte)


Datenanalyse – Scatterplot Biegemoment über Drehzahl & ähnlich “Leistungskurve”

10 min Mittelwerte für Minimum, Mittelwert und Maximum des rel. Biegemoments flapwise als Funktion der Rotor-Drehzahl

Zeitraum 23. Februar bis 25. März 2018 – ca. 1 Monat


Ermöglicht Erfassung/Überwachung momentaner Lasten Identifikation kritischer Betriebszustände,

CL-Sensoren sind einsetzbar als „Istwert-Geber“ zur Einzelpitchregelung(IPC..individual pitch control) Optimierung Last / Ertrag

Ermöglicht Abweichungsanalysen zwischen den Blättern Abweichungen als Indikator für Blattfehler oder fehlerhafte Zustände (z.B. Pitchwinkelfehler)

Zusammenfassung Datenanalyse im Zeitbereich potentielle Anwendungen


Datenanalyse – Kontinuierliche Lasterfassung über Rainflowzählung – Lasthistorie

rel. Biegemoment der CL-Sensoren + Temperaturverlaufim Zeitraum Mitte Februar bis Anfang Mai 2018 – ca. 2,5 Monate

Einteilung des Wertebereichs (Signalamplituden) in 20 bins,

Berechnung der Rainflow-Matrizen


Zeitraum Mitte Februar bis Anfang Mai 2018,ca. 2,5 Monate

Rainflow-Matrix in der „Mittelwert / Amplituden-“ Darstellung oben: rel. Blattbiegemoment flapwise unten: rel. Blattbiegemoment edgewise




monatlich akkumulierte Rainflow-Counts (Feb - Aug 2018)akkumulierte Rainflow-Counts

bis Ende März 2019

Feb - Aug 2018


Zusammenfassung Lasterfassung über Rainflowzählung potentielle Anwendungen

Eine Erfassung der kompletten Lasthistorie vieler Anlagen ist besonders interessant für Schar-Analysen.

Die anlagenspezifische Lasthistorie ermöglicht eine Abschätzung der Restlebensdauer, sowie der Ausfallwahrscheinlichkeit

Die Lasterfassung bildet die Grundlage für eine vorausschauende Wartung („Predictive Maintenance“) diese birgt hohes Einsparungspotential im Windpark-Management


Das CL-System erfasst Gleich- und Wechselanteile der Blattdehnung ähnlich wie DMS(nicht nur Wechselanteile wie bei Beschleunigungssensoren),

Minimiert den Einfluss lokaler Inhomogenitäten (größere Referenzstrecke, integrale Messung),

Misst Dehnungen kraftlos langzeitstabil,

Basiert auf robuster, industrieerprobter Standardsensorik,

Unkomplizierte Installation.

Eigenschaften und Vorteile des Sensordesigns


Zur Erfassung kritischer Betriebszustände und momentaner Lasten,

Sie sind ebenfalls einsetzbar als „Istwert-Geber“ zur Einzelpitchregelung(IPC..individual pitch control),

Sie ermöglichen Abweichungsanalysen zwischen den Blättern Abweichungen als Indikator für Blattfehler oder fehlerhafte Zustände (z.B. Pitchwinkelfehler),

Zur Erfassung der Lasthistorie (z.B. über „Rainflow-Counting“).

CL-Sensoren sind konzipiert für Anwendungen in Rotorblättern von Windenergieanlagen


Fragen

Heidecksburg in Rudolstadt Bachmann Monitoring GmbHFritz-Bolland-Straße 707407 Rudolstadt

Tel: +49 3672 /3186 100Fax: +49 3672 /3186 200

http://www.bachmann.info

Vielen Dank!

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