Fallstudien zur Haufigkeit von Blattwinkelfehlern sowie deren Einfluss auf die Betriebslasten von Windenergie-anlagen

摘要

Blattwinkelfehler sollten bei WEA-Rotoren die Ausnahme sein. Statistische Auswertungen von unabhangigen photometrischen Blattwinkelmessungen an 277 WEA mit und ohne Verdacht zeigen in der Praxis jedoch bei 93% der WEA Uberschreitungen der Auslegungs-Grenzwerte fur absolute Blattwinkelabweichung vom Sollwinkel (+/- 0,3° nach GL-DNV) und/oder relative Blattwinkeldifferenz (hier 0,6°) festgestellt. Diese sind einzuhalten, damit die WEA nicht blattwinkel-bedingt hohere Betriebslasten im Vergleich zum Auslegungs-Lastkollektiv erfahrt sowie die zertifizierte Leistungskurve realisiert werden kann. Bei 43% der vermessenen WEA lag nur eine kollektive absolute Blattwinkelabweichung vor, und bei 84% der Rotoren waren mehr als zwei Blatter fehljustiert. Daher ist eine Messmethode, die nur relative Blattwinkel ermitteln kann, nicht ausreichend. Es ist eine Messunsicherheit kleiner als 0,1° notwendig, um absolute Blattwinkel korrekt und statistisch reproduzierbar zu bestimmen. Erprobte photometrische Blattwinkelmessverfahren mit statistischer Auswertung von Fotoserien sind hierzu in der Lage und in ihrer Effektivitat u.a. schwingungstechnisch validiert. Die Haufigkeitsverteilung der absoluten Blattwinkelfehler zeigt u.a. durch die Standardabweichung von 1,9°, dass ein hoher Prozentsatz der Blatter die Grenzwerte um ein Vielfaches uberschreitet, nur 21% der Blatter sind innerhalb der Grenzen. Skaliert mit der Haufigkeit von relativen Blattwinkelfehlern bei verdachtslos untersuchten WEA, ist bei uber 65% aller WEA eine unzulassige Blattwinkelabweichung zu erwarten. Somit besteht ein hoher Bedarf fur eine unabhangige Blattwinkelmessung durch Sachverstandige als zusatzliche Qualitatskontrolle an jeder WEA, da Blattwinkelfehler deutliche negative Kosten bewirken durch Minderertrag und erhohte Schadenskosten sowie WEA-Stillstand und Schallprobleme. Bei mehr als der Halfte der von Rotorunwucht betroffenen WEA wird die schwingungstechnische Bestimmung der Massenunwucht durch aerodynamische Unwuchten aufgrund von Blattwinkelfehlern signifikant verfalscht. Deren Vernachlassigung bewirkt also Unwucht-Fehldiagnosen mit entsprechend falschen, nicht ursachengerechten Empfehlungen. Es ist sinnvoll, die Blattjustage mittels Schwingungsmessungen zu validieren, um Fehljustagen zu vermeiden und zu prufen, ob u.a. aufgrund von Twisttoleranzen der Blatter das blattwinkelbedingte Schwingungsniveau noch erhoht ist. Moderne Multi-MW WEA reagieren schon deutlich auf eine Blattwinkelverstellung um 0,2°. Schwingungsmessungen im lastfreien Unwucht-Messbetrieb und im Produktionsbetrieb ergeben, dass im Vergleich zum justierten Rotor die drehfrequente Schwingbeschleunigung durch Blattwinkelfehler insbesondere in axialer Richtung um ein Vielfaches hoher ist und mit der Drehzahl deutlich zunimmt. Weiterhin wird analytisch gezeigt, dass bei einer Blattwinkeldifferenz ab Nennlast mit steigender Windgeschwindigkeit durch das Pitchen nach Fahne die Lastasymmetrie im Rotor zunimmt. Bei Pitchwinkeln uber 10° liefert ein um 2° zu weit nach Stall stehendes Blatt teilweise mehr als die Halfte der Nennleistung mit entsprechend schadlich erhohten, in der Rotorebene umlaufenden Kraften.