Непрерывный мониторинг состояния конструкции (SHM) лопастей ротора в значительной степени способствует общей экономической эффективности ветроэнергетических турбин. Когда ротор вращается, лезвия лопастей могут развивать скорость от 300 до 350 км / ч — так же быстро, как гоночный автомобиль Формулы-1. Лопасти ротора обеспечивают наилучшие аэродинамические характеристики, когда пограничный слой ветра плавно обтекает аэродинамический профиль, не вызывая следа. Даже малейшее повреждение поверхности может вызвать турбулентность, что приведет к снижению эффективности.
Для ветряной турбины это означает пониженную мощность, менее рентабельную работу и более короткий срок службы.Экстремальные условия в море приводят к тому, что материалы разлагаются намного быстрее, чем на суше. К специфическим стрессовым факторам относятся повышенное воздействие ультрафиолетового излучения, высокая скорость ветра и соленый воздух.
Промышленные альпинисты, которые проводят регулярные осмотры, проверяют наличие признаков расслоения и других повреждений, постукивая по конструкции и исследуя ее внешний вид. Плохая доступность оффшорных ветряных электростанций и непредсказуемость морских погодных условий затрудняют планирование развертывания групп технического обслуживания, что соответствующим образом сказывается на эксплуатационных расходах.
Типичным примером является случай, когда инспекторов неоднократно вызывали, но затем снова отправляли домой, потому что погодное окно слишком короткое, чтобы позволить работу на большой высоте. Поэтому операторы ветряных электростанций ищут альтернативные методы мониторинга состояния конструкций, которые столь же надежны, как и регулярные проверки промышленными альпинистами. «Нам нужны гибкие методы, которые позволят проверять лопасти ротора ветряных турбин на месте за минимальное время и без длительной подготовки, и при этом обеспечивать такие же надежные и убедительные результаты, как и результаты, полученные при проверках, проводимых промышленными предприятиями. альпинисты ", — говорит д-р инж. Хольгер Хун, директор по исследованиям и разработкам WindMW Service, компании, координирующей проект.
Убедительные результаты испытаний на усталостьЭти вопросы рассматриваются в концептуальном исследовании, проведенном исследователями из Института ветроэнергетики и системных технологий им.
Фраунгофера IWES в Бремерхафене совместно с WindMW Service GmbH, Бременским институтом метрологии, автоматизации и науки о качестве (BIMAQ) и Deutsche WindGuard Engineering GmbH. . В двух параллельных подходах их цель — сократить время простоя ветряных турбин и проводить техническое обслуживание с меньшим количеством персонала. Один из подходов предполагает использование дронов в сочетании с технологией мобильной термографии; в другом используется система контроля акустической эмиссии. Система измерения акустической эмиссии, встроенная в лопасть ротора, служит системой раннего предупреждения, обнаруживая внутренние повреждения, например, в основании лопасти ротора. С другой стороны, тепловизионная камера обнаруживает повреждения поверхности, например, вызванные дождевой эрозией.
Fraunhofer IWES оптимизирует систему неразрушающего контроля акустической эмиссии для проверки лопастей ротора. Датчики акустической эмиссии и пьезоэлектрические датчики прикреплены к внутренней поверхности лопастей ротора в конструктивно важных местах, особенно в известных слабых местах.
Измерительное вычислительное устройство, которое собирает и анализирует данные датчиков, встроено в ступицу ротора.«Датчики работают во многом так же, как микрофоны.
Если растягивающие силы в определенной области лопасти ротора внезапно изменяются, структура выделяет энергию в виде тепла и поверхностных волн, которые могут быть измерены датчиками. Звуковые волны Улавливаемые каждым датчиком имеют разные задержки сигнала.
Анализируя время их прибытия, можно точно определить источник повреждения », — объясняет Стефан Краузе, руководитель проекта Fraunhofer IWES. Система измерения акустической эмиссии уже дала убедительные результаты в ходе лабораторных испытаний на стенде института лопастей. Во время статических лопастей ротора и испытаний на усталость исследователи смогли идентифицировать многочисленные типы повреждений, включая адгезионные и межволоконные трещины, повреждение стыков между стенкой и фланцем, трещины на задней кромке лопастей ротора и неправильное соединение в области основания лопасти. . Следующим шагом будет тестирование системы в реальных условиях.
Эти испытания будут проводиться весной 2018 года в морских ветропарках Meerwind Sud и Meerwind Ost у побережья острова Гельголанд на севере Германии.Контроль состояния конструкций крупных узлов лопасти ротораСистема измерения акустической эмиссии является эффективным и надежным средством непрерывного мониторинга очень больших конструкций. Как только датчики обнаружат и локализуют потенциальный дефект, могут быть предприняты соответствующие меры.
В зависимости от типа повреждения и его местоположения более близкий внешний осмотр лопасти ротора может быть проведен, например, с помощью тепловизионной камеры.Структурные дефекты вызывают трение, которое, в свою очередь, выделяет тепло. Тепловой поток в материале можно обнаружить с помощью тепловизора. В этом проекте используется метод пассивной термографии, в котором измерения теплового потока основаны на собственном тепле испытуемого объекта или на разнице температур из-за естественного суточного цикла.
Deutsche WindGuard Engineering GmbH и BIMAQ уже несколько лет успешно применяют тепловизионные исследования для визуализации теплового потока в действующих наземных ветряных электростанциях. Новая задача — адаптировать этот проверенный метод к требованиям морских установок.Прикрепив тепловизионные камеры к дронам, можно обнаружить подповерхностные дефекты в композитных материалах, включая расслоение, включения, неправильное соединение в несущих стыках стенка-фланец и усадочные полости. Под эксплуатационной нагрузкой такие дефекты глубоко внутри лопасти ротора, если их вовремя не обнаружить и не устранить, могут спровоцировать более серьезные структурные повреждения и в конечном итоге привести к полному выходу из строя. «Наша цель состоит в том, чтобы объединить различные методы испытаний, чтобы такое повреждение было обнаружено раньше, что позволяет избежать аварийных отключений.
Это также позволяет операторам проводить целенаправленные проверки лопастей ротора», — говорит Николас Балареск, генеральный директор Deutsche WindGuard Engineering GmbH.Deutsche WindGuard Engineering GmbH уже успешно завершила первые лабораторные испытания термографической системы. Следующим шагом будет выбор наиболее подходящей системы камер и типа дрона.
В рамках испытаний по проверке концепции использования тепловизионного изображения для контроля состояния конструкции лопастей ротора разрабатываются алгоритмы оценки на основе дополнительных измерений, проводимых в исследовательском центре ветроэнергетики Бременского университета. В дополнение к этой работе оператор морского ветряного парка WindMW Service GmbH разрабатывает сценарии применения для проверки лопастей ротора с целью устойчивого сокращения и оптимизации количества регулярных проверок.Снижение затрат на производство ветровой энергии на море
Помимо снижения затрат на осмотр, новый комбинированный метод обещает повысить выход энергии за счет сокращения времени простоя. Промышленному альпинисту требуется целый день, чтобы осмотреть ротор. «Используя дроны, та же работа может быть выполнена в течение одного часа», — считает Краузе. «А целенаправленная проверка, основанная на результатах измерений акустической эмиссии, потребует еще меньше времени. Эти новые технологии, особенно в сочетании с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), то есть беспилотными летательными аппаратами, дополняют традиционные инспекционные мероприятия, предлагая эффективные и безопасные средства проверки лопасти ротора с оптимальным использованием ресурсов и минимальным нарушением выработки энергии ».