Kostenloses Ingenieurwerkzeug #026
Schwingungsgrenzwerte — Windkraftanlagen
Bewertung der Schwingungsintensität von Windkraftanlagenkomponenten gemäß ISO 20816-21. Unterstützt Messungen an Hauptlager, Getriebe, Generator und Turmspitze.
Ergebnisse
ℹ️ Komponentenhinweis:
| Zone | Grenze | Beschreibung |
|---|
Anwendungsbereich der ISO 20816-21
ISO 20816-21 legt Kriterien für die Schwingungsbewertung von Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen fest. Sie umfasst die wichtigsten Antriebskomponenten und die Turm-/Gondelstruktur und berücksichtigt die besonderen Betriebsbedingungen von Windenergieanlagen.
Getriebe — Schwinggeschwindigkeit (mm/s RMS)
Die Getriebeschwingungen werden am Lagergehäuse mithilfe von Geschwindigkeitssensoren gemessen. Mehrere Getriebestufen erzeugen komplexe Schwingungsmuster.
| Zonengrenze | Geschwindigkeit (mm/s RMS) |
|---|---|
| A/B | 3.5 |
| B/C | 7.1 |
| C/D | 11.2 |
Generator — Schwinggeschwindigkeit (mm/s RMS)
Die Schwingungsgrenzwerte von Generatoren sind niedriger, da Generatoren Präzisionsrotationsmaschinen mit engeren Toleranzen sind.
| Zonengrenze | Geschwindigkeit (mm/s RMS) |
|---|---|
| A/B | 2.8 |
| B/C | 5.6 |
| C/D | 9.0 |
Hauptlager — Beschleunigung (g RMS)
Das Hauptlager arbeitet mit sehr niedrigen Drehzahlen (10–20 U/min). Beschleunigungsmessungen erfassen hochfrequente Lagerfehlersignale, die Geschwindigkeitssensoren nicht erfassen würden.
| Zonengrenze | Beschleunigung (g RMS) |
|---|---|
| A/B | 0.5 |
| B/C | 1.0 |
| C/D | 2.0 |
Turmspitze (Gondel) — Schwinggeschwindigkeit (mm/s RMS)
Die Schwingungen an der Turmspitze spiegeln die Gesamtstrukturreaktion auf aerodynamische Belastungen und Antriebskräfte wider.
| Zonengrenze | Geschwindigkeit (mm/s RMS) |
|---|---|
| A/B | 2.0 |
| B/C | 4.0 |
| C/D | 7.0 |
ℹ️ Hinweis: Die Vibrationen von Windkraftanlagen variieren stark mit den Windverhältnissen. Für einen aussagekräftigen Vergleich sollten Messungen unter konstanten Betriebsbedingungen (z. B. Nennleistung, bestimmte Windgeschwindigkeitsbereiche) durchgeführt werden. Zustandsüberwachungssysteme (CMS) ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung.
⚠️ Wichtig: Hauptlagerausfälle zählen zu den kostspieligsten Reparaturen an Windkraftanlagen. Die Früherkennung durch Schwingungsüberwachung (insbesondere Hochfrequenz-Beschleunigungs- und Hüllkurvenanalyse) ist entscheidend für einen geplanten Austausch vor einem katastrophalen Ausfall.
ISO 20816-21 legt Kriterien zur Schwingungsbewertung für Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen fest. Sie umfasst:
- Hauptlager — Lager der langsam laufenden Rotorwelle
- Getriebe — mehrstufiges Übersetzungsgetriebe
- Generator — schnelllaufende elektrische Maschine
- Turmkopf (Gondel/Maschinenhaus) — Strukturschwingungen
Je nach Bauteil werden sowohl Messungen der Schwinggeschwindigkeit (mm/s) als auch der Schwingbeschleunigung (g) herangezogen.
Die Schwinggeschwindigkeit (mm/s RMS) wird für Getriebe, Generator und Turmkopf verwendet, wo die maßgeblichen Schwingfrequenzen im Bereich von 10–1000 Hz liegen.
Die Schwingbeschleunigung (g RMS) wird für Hauptlager eingesetzt, die bei sehr niedrigen Drehzahlen (10–20 RPM) arbeiten, da hochfrequente Lagerschadenssignale mithilfe von Beschleunigungsaufnehmern und Hüllkurvendemodulation besser erfasst werden.
Größere Windenergieanlagen (>3 MW) weisen folgende Eigenschaften auf:
- Niedrigere Rotordrehzahlen
- Höhere strukturelle Nachgiebigkeit
- Größeres Rotorträgheitsmoment
- Komplexere Triebstrangdynamik
Die Zonengrenzen sind über die Leistungsklassen hinweg weitgehend einheitlich, da sie sich auf die Beanspruchung der jeweiligen Komponenten beziehen. Die Leistungsklasse liefert den Kontext für Interpretation und Trendanalyse.
Die Schwingung am Turmkopf (Gondel) erfasst die gesamte Strukturantwort auf:
- Massenunwucht und aerodynamische Unwucht des Rotors
- Gierwinkelfehler (Schräganströmung zur Windrichtung)
- Vom Triebstrang über die Gondel übertragene Kräfte
- Strukturresonanzen des Turms
- Fundamentprobleme
Sie ist ein wichtiger Indikator für den Gesamtzustand der Windenergieanlage und kann Probleme aufdecken, die bei der Einzelkomponentenüberwachung nicht sichtbar sind.
Bei Erreichen von Zone C an einer Komponente einer Windenergieanlage:
- CMS-Trends (Condition Monitoring System) und SCADA-Daten überprüfen
- Schwingungswerte mit Windgeschwindigkeit und Wirkleistung korrelieren
- Bei Lagern: Hüllkurvenspektrum auf Überrollfrequenzen prüfen
- Beim Getriebe: Ölproben auf Metallabrieb untersuchen
- Leistungsdrosselung (Curtailment) zur Lastreduzierung in Betracht ziehen
- Instandhaltung für das nächste geeignete Wetterfenster einplanen
- Beim Turm: Fundament, Azimutsystem (Yaw) und Rotorwuchtung prüfen
Die auf dieser Seite beschriebenen Verfahren wurden vom Vibromera-Team entwickelt und im Praxiseinsatz getestet, unter Verwendung des Balanset-1A, eines tragbaren Zweikanal-Auswuchtgeräts und Schwingungsanalysators für die Vor-Ort-Rotorauswuchtung.
Professionelle Schwingungsanalysatoren für die Zustandsüberwachung von Windkraftanlagen. ISO-20816-konforme Vor-Ort-Bewertung. Einsatz in über 50 Ländern.
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko ist Schwingungsanalyse-Ingenieur sowie Gründer und Geschäftsführer von Vibromera. Seit mehr als 15 Jahren wuchtet er rotierende Maschinen direkt vor Ort aus statt auf dem Prüfstand: Mulchgeräte, Industrieventilatoren, Brecher, Zentrifugen, Wellen und Spindeln. Aus dieser Arbeit sind die Balanset-Geräte entstanden — sie wurden als Werkzeug konzipiert, das ein Fachmann zur Maschine mitnehmen und dort allein einsetzen kann, nicht als Laborausrüstung. Vibromera wurde 2017 gegründet und hat seinen Sitz seit 2023 in Porto, Portugal. Entwicklung, Montage und Support der Balanset-Reihe finden hier statt. Das Flaggschiffgerät ist das Balanset-1A, ein tragbares Analysegerät für ein- und zweiebeniges Auswuchten sowie für Schwingungsdiagnose. Nikolai ist persönlich in den Kundensupport eingebunden, arbeitet schwierige Auswuchtfälle durch und ist an der Softwareentwicklung beteiligt. Er arbeitet mit Kunden weltweit, in jeder Sprache.
