Schwingungsreduktion durch passive und aktive Tilger

Schwingungen spielen an Windenergieanlagen im Hinblick auf Ermüdung die entscheidende Rolle. Da Schwingungen nicht vollständig vermieden werden können, müssen sie beherrscht und soweit möglich vermindert werden.

Schwingungstilger an WEA (Schema)
Schwingungstilger an WEA (Schema)

Unerwünschte Schwingungen treten in nahezu allen Branchen und Bereichen auf. Als Experten für Schwingungen und Akustik verfügen wir über umfangreiche Erfahrungen im Bereich Schwingungsminderung und haben uns mit unserem fundierten Wissen über Strukturmechanik und Dynamik auf das Lösen von Schwingungsproblemen spezialisiert.

Neben klassischen Maßnahmen, wie z. B. dem Verstimmen, bieten wir unseren Kunden zahlreiche passive und aktive Tilgerkonzepte, die in unterschiedlichen Branchen erfolgreich eingesetzt werden. Tilger werden direkt an die schwingende Struktur montiert – im Idealfall in unmittelbarer Nähe zur betroffenen Stelle – und haben eine schwingungsmindernde Wirkung.

Werden wir bereits in der Phase der Produktentwicklung involviert, erarbeiten wir Lösungen vorwiegend mittels FE-Simulation und Messungen. Werden Tilger im Auslegungsprozess als Option zur Optimierung des Schwingungsverhaltens betrachtet, können diese besonders günstig in ein Strukturdesign integriert werden. Auch für bestehende Strukturen, die ein zu hohes Schwingungsniveau aufweisen, sind Tilger eine effektive Möglichkeit zur Problembeseitigung. Anwendungsfallspezifisch ist zu prüfen, ob eine Strukturveränderung oder ein Tilger die günstigere Variante darstellt.

Im Bereich Windenergie bieten wir insbesondere Lösungen im Bereich niederfrequenter Strukturschwingungen und Körperschall an. Die Reduktion von Strukturschwingungen dient in der Regel der Verringerung der mechanischen Belastungen, die Reduktion von Körperschall dient der Vermeidung tonaler Schallabstrahlungen.

Messung von Schwingungen an Windenergieanlagen

Wir unterstützen Sie mit der umfangreichen Erfahrung unserer hoch spezialisierten Messingenieure. Unter Einsatz unserer umfangreichen Ausrüstung komponieren wir Ihre individuelle Messkampagne von der Planung über die Instrumentierung bis hin zur Langzeitüberwachung mit täglicher oder wöchentlicher Berichterstellung.

Unsere Messausstattung umfasst:

  • Datenerfassungssystem mit mehr als 200 Kanälen z. B. für Beschleunigungen, Schall, Kraft, DMS oder weitere physikalische Größen (inkl. Langzeitaufzeichnung)
  • Umfangreicher Bestand an Beschleunigungssensoren, Mikrophonen, DMS-Technik und diversen Windmessmasten
  • Experimentelle Modalanalyse mit Schwingerregern aller Leistungsklassen
  • Laser-Vibrometrie
  • Aufzeichnungssystem für meteorologische Daten
  • Erprobte Datentransfertechnik zwischen rotierenden (Nabe, Blatt) und stationären Anlagenteilen (Gondel, Turm)

Mit unseren elektrodynamischen Shakersystemen zur universellen Schwingungsanregung können auch die dynamischen Eigenschaften von Strukturen analysiert werden.

Im Bereich Individuelle Messsysteme arbeiten wir mit unserem Partner Micromega zusammen.

Reduktion von Getriebetonalitäten mit aktiven oder passiven Tilgern

Durch Schwingungen im Getriebe einer Windenergieanlage können Tonalitäten (Geräusche mit fester Frequenz, z. B. Pfeiftöne) entstehen. Diese werden von Menschen als besonders unangenehm empfunden und müssen deshalb bei der Bewertung der Schallemission speziell berücksichtigt werden. Die gesetzlichen Normen sehen deshalb vor, für tonale Anteile einen Zuschlag auf den ermittelten Gesamt-Schallleistungspegel der Windenergieanlage zu vergeben. Das kann dazu führen, dass die Genehmigungsgrenzwerte für die Schallemission nicht eingehalten werden oder dass die Geräuschwerte, die dem Anlagenbetreiber vertraglich zugesichert wurden, überschritten werden.

Deshalb müssen Tonalitäten vermindert werden. Wölfel verfügt im Bereich Windenergie über langjährige Erfahrung mit dem Einsatz von aktiven und passiven Tilgern, die Schwingungen an ihrem Entstehungsort kompensieren, bevor sie sich ausbreiten können. Dies wird durch präzise eingeleitete Gegenschwingungen erreicht.

                Durch Bewegen der schwarzen Punkte können Sie mit unserem interaktiven Tool Ihre individuelle Amortisationsdauer berechnen:

Amortisation nach

12Monaten

Amortisation

nicht möglich

Schallreduzierter Betrieb Ihrer WEA kann die Erträge Ihres Windparks massiv reduzieren. Mit ADD.Sound minimieren Sie Tonhaltigkeit und kehren zum normalen Betriebsmodus zurück. In dieser Rechnung sind alle entstehenden Kosten inklusive Installation berücksichtigt.

Mit mehr als 800 Systemen im Markt können wir uns bei den aktiven Lösungen zur Reduktion von Getriebetonalitäten zu Recht als Technologieführer in diesem Bereich bezeichnen.

  • ADD.Sound kompensiert mehrere Ordnungen tonaler Getriebeschwingungen bei veränderlicher Drehzahl (über den gesamten Drehzahlbereich der Windenergieanlage)
  • Montage je eines aktiven Tilgers ADD.Sound an beiden Drehmomentstützen (auch nachrüstbar; geringer Bauraum erforderlich)
  • Regelungselektronik wird in kompaktem Schaltschrank in der Gondel untergebracht
  • ADD.Sound erzeugt durch den drehzahladaptiven Regelalgorithmus aktive Kräfte, die den tonalen Anregungskräften im Getriebe entgegenwirken und sie aufheben
  • Tonaler Schall wird über den gesamten Drehzahlbereich kompensiert (breitbandige Wirkung, Kompensation mehrerer Tonalitäten gleichzeitig)

Lösung zur Beherrschung von Tonalitäten mit fester Frequenz: Passiver Tilger – TMD.Sound

  • Kompensation einer Ordnung tonaler Getriebeschwingungen bei einer fest eingestellten Drehzahl (meist bei Nenndrehzahl)
  • Montage je eines passiven Tilgers TMD.Sound an den Drehmomentstützen (auch nachrüstbar)
  • TMD.Sound wird auf die Tonalitätsfrequenz bei Nenndrehzahl abgestimmt
  • TMD.Sound erzeugt eine Kraft, die der Anregung exakt entgegengesetzt ist, und leitet diese in die Struktur ein
  • Tonaler Schall bei Nenndrehzahl wird kompensiert – dazu ist keine Energiezufuhr notwendig

Publikationen

Fachartikel "Kampf gegen Störgeräusche – Schall von Windturbinen" 1.29 MB
Fachartikel "Kampf gegen Störgeräusche – Schall von Windturbinen"

Kommen Windenergieanlagen ins Schwingen, können einzelne Frequenzen im Grundrauschen der Anlage hörbar werden. Solche Tonhaltigkeiten sind für das menschliche Empfinden besonders unangenehm. Daher drohen Zuschläge bei der Bewertung der Schallemissionen und leistungsreduzierter Betrieb. Aktive Schwingungstilger können
diese Frequenzen reduzieren.

TMD.Tower – Tilger zur Schwingungsreduktion am Turm

Niederfrequente Schwingungen der gesamten Windenergieanlage (WEA) können hohe Beanspruchungen des Turms hervorrufen. Diese Beanspruchungen können die Lebensdauer der Turmstruktur signifikant reduzieren. Weiterhin kann bei zu großen Schwingungen im Montagezustand z. B. die Installation der Rotorblätter unmöglich werden oder nur bei zeitlich stark begrenzten Wetterbedingungen erfolgen. Insbesondere resonante Schwingungen können durch gedämpfte Tilger wirkungsvoll und kosteneffektiv gemindert werden.

Im Brückenbau sind Tilger seit langem bewährt. Wölfel hat bereits in den 1970er Jahren Tilger für Brücken ausgelegt und geliefert. Im Bereich Windenergie hat der Bedarf an Tilgern in den vergangenen Jahren kontinuierlich zugenommen.

Folgende Szenarien, in denen ein TMD.Tower zum Einsatz kommen kann, haben sich dabei herauskristallisiert:

  • Resonanzfall aufgrund von Rotordrehzahlen und höheren Harmonischen: Beim Anfahren einer WEA wird oft eine Resonanz durchfahren oder die WEA soll so betrieben werden, dass die Anregungen aus dem Rotor (1P, 2P oder 3P etc.) nahe einer Eigenfrequenz der WEA liegen.
  • Erregung durch periodische Wirbelablösung: Am Turm einer WEA können sich bei bestimmten Windgeschwindigkeiten periodisch Wirbel ablösen. Typischerweise kann dies bei WEA im Montagezustand (ohne Gondel bzw. ohne Rotorblätter) oder bei schlanken WEA mit geringer zweiter Turmbiegeeigenfrequenz kritisch werden.
  • Wellenanregung bei Offshore-WEA: Wellenanregung kann kritisch werden, wenn die erste Eigenfrequenz einer WEA sehr niedrig ist, da die Energie der Wellenanregung bei diesen Frequenzen besonders hoch ist. Der Trend zu immer leistungsstärkeren WEA in größeren Wassertiefen unter Beibehaltung des Monopile-Gründungskonzepts verstärkt diese Problematik.

Je nach WEA-Typ und Gesamtkontext ist zu bewerten, ob die zu erwartenden Schwingungen problematisch sind und welche Lösung zur Schwingungsminderung die geeignetste ist.

Die von Wölfel eingesetzten, passiven Tilger zeichnen sich durch eine hohe Robustheit aus. Zugeschnitten auf den speziellen Anwendungsfall bieten wir individuell angepasste Tilger zur erfolgreichen Lösung der jeweiligen Problematik an.

Unser Leistungsportfolio als erfahrener Partner – Von der Planung bis zur Lieferung der fertigen Tilger

  • Unterstützung bei der Konzeption der WEA
  • Konzeptentwicklung für verschiedene Varianten/Baureihen einer WEA
  • Detaillierte Auslegung inklusive der relevanten Aspekte, wie:
    • Komponentenauswahl
    • Auswahl und Design des optimalen Dämpfungskonzepts
    • Brems- oder Arretierungsmechanismus
    • Optionale Frequenzanpassung
    • Thermischer Nachweis
    • Vollständige Dokumentation, inkl. Festigkeitsnachweise etc.
    • Unterstützung bei ggf. erforderlichen Zertifizierungen
    • Prototypenbau
    • Experimentelle Nachweise

Hervorzuheben ist der direkte Kontakt innerhalb einer Kooperation mit der Fa. LISEGA, der es ermöglicht, kurzfristig große Fertigungskapazitäten auf höchstem qualitativen Niveau bereitzustellen.

Referenzen

Case Study "TMD.Tower prevents vortex induced tower vibrations" 944.34 KB
Case Study "TMD.Tower prevents vortex induced tower vibrations"

Today’s slender and high wind turbine towers are increasingly subject to vibrations, which are typically caused by wind and wave loads or rotor imbalances. A leading german wind turbine OEM requested for Wölfel to develop and manufacture a solution for vortex induced vibrations (VIV) in the 2nd tower bending mode for turbines in wind farms across the world. The aim is to reduce critical fatigue loads during vortex shedding events. Relatively high tower frequencies above one hertz, a cost efficient design and fast delivery are only some of the challenges within this project.


Kontaktieren Sie uns gerne persönlich

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Wir unterstützen Sie gerne beim Lösen Ihrer Aufgabe rund um „Schwingungen von Windenergieanlagen“ und beraten Sie bei Fragen zu unserem System- und Dienstleistungsangebot in den Bereichen Structural Health Monitoring, Schwingungsminderung, Schall und Lärm sowie Strukturdesign.

Dr.-Ing. Georg Enß

+49 40 524715-262
enss@woelfel.de
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Timo Klaas

+49 40 524715265
klaas@woelfel.de
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Dipl.-Ing. Bernd Wölfel