Im Kontext der rasanten Entwicklung der modernen Windkraftindustrie, insbesondere von Hochleistungs-Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen, sind Vibrationen zu einem der Hauptfaktoren geworden, die die Sicherheit, Lebensdauer, Stromerzeugung sowie Betriebs- und Wartungskosten von Windkraftanlagen beeinflussen. Da die Nabenhöhe von Windkraftanlagen immer weiter zunimmt, die Blattlänge immer länger wird und die Kapazität einzelner-Einheiten weiter zunimmt, treten Probleme wie Windvibrationen, Turmresonanzen, Rotorblattschwingungen, Vibrationen der Übertragungskette und Fundamentvibrationen, mit denen Windkraftanlagen während des Betriebs konfrontiert sind, immer stärker in den Vordergrund.
Warum ist ein Schwingungsdämpfer für den Windkraftbetrieb notwendig? Turbulente Winde, Böen, Scherwinde und der Schatteneffekt des Turms führen dazu, dass die Rotorblätter periodisch wechselnden Schub erfahren, was zum Flattern und Schwingen der Rotorblätter führt, die auf die Nabe, die Hauptwelle, das Getriebe und den Turm übertragen werden, was zu kontinuierlichen Vibrationen führt. Unwucht der Laufradmasse, Fehlausrichtung der Hauptwelle, Lagerverschleiß und Stöße beim Eingriff des Getriebezahnrads erzeugen hochfrequente Vibrationen, die die Hauptursachen für Ausfälle der Antriebskette darstellen. Der Turm ist eine schlanke, flexible Struktur mit einer niedrigen Eigenfrequenz erster -Ordnung, wodurch er anfällig für Resonanzen mit der Laufradrotationsfrequenz und der Schaufeldurchgangsfrequenz ist. Sobald Resonanz auftritt, wird die Schwingungsamplitude drastisch verstärkt, was die strukturelle Sicherheit gefährdet.
Welche Gefahren gehen von Vibrationen für Windkraftanlagen aus? Unter kontinuierlicher Vibration verkürzt sich die Ermüdungslebensdauer von Getrieben, Lagern, Hauptwellen und Azimutsystemen erheblich und die Ausfallrate steigt erheblich. Vibrationen können dazu führen, dass sich Turmflanschschrauben und Hauptrahmenschrauben lockern, und in schweren Fällen können Ermüdungsrisse in den Schweißnähten auftreten. Das Überschreiten der Vibrationsgrenzwerte löst die Lastreduzierung, Geschwindigkeitsbegrenzung und den Abschaltschutz des Hauptsteuerungssystems aus, wodurch sich die Stromerzeugungszeit und -leistung direkt verringert. Vibrationsbedingte Ausfälle sind für mehr als 50 % aller Ausfälle von Windkraftanlagen verantwortlich, und die Wartungs- und Instandhaltungskosten in großer Höhe sowie im Offshore-Bereich sind extrem hoch. Langfristige Resonanzen oder extreme Vibrationen können zu Blattrissen, Turmverformungen, Fundamentschäden und sogar zu schweren Sicherheitsunfällen führen.
In diesem Artikel wird die Anwendung von Schwingungsdämpfern an Rotorblättern von Windkraftanlagen vorgestellt. Rotorblätter sind die am heftigsten vibrierenden Komponenten und zeigen vor allem Flattern, Schwingungen, Flattern und durch Vereisung-induzierte unausgeglichene Vibrationen. Intern abgestimmte Massendämpfer, die auf 20–40 % der Blattlänge installiert sind, nutzen einen Massenblock, Federn und eine Dämpfungsstruktur, um sich an die Vibrationsfrequenz des Blattes anzupassen. Dadurch werden Schwingungen und Schlagvibrationen erster - und zweiter -Ordnung wirksam unterdrückt, das Ermüdungsbiegemoment an der Blattwurzel reduziert und die Lebensdauer des Blattes verlängert.
Der Einsatz von Schwingungsdämpfern reduziert die Schwingungsamplitude des Blattes um 30–60 %, reduziert Ermüdungsschäden am Blatt um über 40 %, verringert das Risiko von Blattrissen und -ablösungen und mildert die unausgeglichenen Auswirkungen von Vereisungsvibrationen.
In der Windkraftindustrie werden üblicherweise Schwingungsdämpfer verschiedener Typen und Funktionsprinzipien eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Typ ist der abgestimmte Massendämpfer, der aus einem Masseblock, einer Feder und einem Dämpfer besteht. Die Frequenz ist auf die Hauptschwingungsfrequenz der Windkraftanlage abgestimmt. Bei Vibrationen bewegt sich der Masseblock in die entgegengesetzte Richtung und verbraucht Energie. Es verfügt über eine zuverlässige Struktur, eine stabile Wirkung und eine breite Anwendbarkeit.
Offshore-Windkraftanlagen arbeiten in Umgebungen, die um ein Vielfaches rauer sind als Onshore-Windkraftanlagen. Daher muss der Schwingungsdämpfer hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit erfüllen, einschließlich Feuerverzinkung, 316L-Edelstahl, Dacromet-Beschichtung, Salzsprühtest über 1000 Stunden und stabilen Betrieb bei Temperaturen zwischen 40 und 80 Grad. Die Offshore-Wartungskosten sind extrem hoch und erfordern eine langlebige Konstruktion. Der hydraulische Dämpfer muss außerdem so ausgelegt sein, dass er Öllecks verhindert, die den Ozean verschmutzen könnten.
Welche praktischen Vorteile können Windparks durch den Einsatz von Schwingungsdämpfern erzielen?
Erhöhte Stromerzeugung, geringere Vibrationen-ausgelöste Leistungsbeschränkungen und Ausfallzeiten, stabiler Betrieb in turbulenten Windzonen und eine Gesamtsteigerung der Stromerzeugung um 2–8 %; verlängerte Lebensdauer der Kernkomponenten, wobei die Lebensdauer der Rotorblätter um 20–40 %, die Lebensdauer des Getriebes um 30–50 % erhöht und die Ermüdungsschäden am Turm um 30–60 % reduziert wurden; deutlich reduzierte Betriebs- und Wartungskosten, weniger Wartungsarbeiten in großer Höhe, weniger Getriebe- und Lagerwechsel, wodurch Tausende bis Zehntausende US-Dollar pro Offshore-Windkraftanlage und Jahr eingespart werden; verbesserte Gesamtsicherheit der Turbine, Vermeidung von Resonanzen, Verbesserung der Überlebensfähigkeit bei Taifunen, Erdbeben und Wellen sowie Verringerung des Risikos von Schraubenlockerungen und strukturellen Rissen; Reduzierter Lärm, verringerter aerodynamischer und struktureller Lärm, Erfüllung der Umweltschutzanforderungen und Erleichterung der Projektgenehmigung.
