VDI 3834 Blatt 1-2015 Measurement and evaluation of the mechanical vibration of wind turbines and their components - Wind turbines with gearbox.pdf

1、ICS 17.160, 27.180 VDI-RICHTLINIEN August 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Messung und Beurteilung der mechanischen Schwingungen von Windenergieanlagen und deren Komponenten Windenergieanlagen mit Getriebe Measurement and evaluation of the mechanical vibration of wind turbines and their components W

2、ind turbines with gearbox VDI 3834 Blatt 1 / Part 1 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this standard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesells

3、chaft Produkt- und Prozessgestaltung (GPP) Fachbereich Schwingungstechnik VDI-Handbuch Schwingungstechnik VDI-Handbuch Energietechnik Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedFrhereAusgaben:03.09;09.14Entwurf,deutschFormereditions:03/0

4、9;09/14 Draft,inGerman onlyZu beziehen durch/ AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten/ All rightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2015Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung 2 1 Anwendungsbereich 5 2 Grundlagen. 7 2.1 Mess- und Kenngren 7 2.2 Mittel

5、ungsverfahren und Beurteilungsgren bei WEA 7 2.3 Beurteilungsdauer 8 3 Hinweise zur Messung und Auswertung 9 3.1 Gondel und Turm . 10 3.2 Hauptrotor mit Lagerung . 10 3.3 Getriebe . 11 3.4 Generator . 11 3.5 Anforderungen an die Messeinrichtung . 12 3.6 Montage und Ankopplung der Schwingungsaufnehme

6、r . 13 3.7 Betriebsbedingungen bei der Messung . 14 4 Kriterien fr die Bewertung . 15 4.1 Bewertungszonen . 15 4.2 Maschinengruppe . 16 5 Bewertungszonen 17 6 Festlegen von Grenzwerten fr den Betrieb 18 6.1 Festlegung der WARNUNG-Grenzen . 18 6.2 Festlegung der ALARM-Grenzen 19 7 Hinweise fr die Sch

7、wingungsberwachung . 19 7.1 Breitbandige berwachung von Schwingungen . 19 7.2 Condition-Monitoring 20 Anhang A Prinzipskizzen der Messorte 21 Anhang B Informationen zum Auswuchten des Hauptrotors am Aufstellungsort 23 Schrifttum 29 Preliminary note 2 Introduction . 2 1 Scope 5 2 Basic principles . 7

8、 2.1 Measured and characteristic quantities 7 2.2 Averaging methods and evaluation quantities with WTs . 7 2.3 Evaluation period . 8 3 Instructions on measurement and interpretation 9 3.1 Nacelle and tower 10 3.2 Main rotor with bearing . 10 3.3 Gearbox . 11 3.4 Generator . 11 3.5 Requirements made

9、of the measuring device . 12 3.6 Mounting and connection of the vibration transducers . 13 3.7 Operating conditions during measurements 14 4 Evaluation criteria 15 4.1 Evaluation zones 15 4.2 Machine group . 16 5 Evaluation zones 17 6 Setting of operational limits 18 6.1 Definition of the ALERT limi

10、ts . 18 6.2 Definition of the ALARM limits . 19 7 Hints on vibration monitoring . 19 7.1 Monitoring of broad-band vibration . 19 7.2 Condition monitoring . 20 Annex A Schematic drawings of measuring positions 21 Annex B Information on in-situ balancing of the main rotor . 23 Bibliography 29 B55EB1B3

11、E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 2 VDI 3834 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Recht

12、e, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in

13、den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3834. Preliminary note The content of this standard has be

14、en developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of re-printing, reproduction (photocopying, micro copy-ing), storage in data processing systems and trans-lation, either of the full text or of extracts. Th

15、e use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of all available parts of this series of stand

16、ards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3834. Einleitung Diese Richtlinie ist das Ergebnis einer Gemein-schaftsarbeit des Ausschusses VDI/NALS FA623 Schwingungen von Windenergieanlagen“. Dies ist die erste berarbeitung von Blatt 1, das im Mrz 2009 herausgegeben wurde. Gegenber der zunchst

17、 vorgesehenen getrennten Behandlung von On- und Offshore-Windenergie-anlagen (WEA) in separaten Gruppen und Richtli-nienblttern wurden diese fr Anlagen mit Getrie-be in dieser Richtlinie in einer Gruppe zusammen-gefasst. Bei der Aktualisierung wurde die Beschreibung zur Wellenschwingungsmessung hera

18、usgenommen, weil gleitgelagerte Maschinenkomponenten an WEA bislang kaum angewendet werden. Die Mess-technikanforderungen wurden mit DIN ISO 2954 harmonisiert. Die Begrenzung des Anwendungsbe-reichs der Zonengrenzen auf WEA mit Nennleis-tung 3 MW wurde aufgehoben, da sich gezeigt hat, dass grere Anl

19、agen keine anderen Zonen-grenzen erfordern. Es wurde ein Anhang B mit Informationen zum Auswuchten des Hauptrotors aufgenommen. Wei-terhin wurde der Richtlinientext insgesamt berar-beitet. Verschiedene nderungen resultieren auch aus der internationalen Diskussion im Rahmen des Projekts ISO 10816-21

20、zur Einbringung der Richt-linie in die Normenreihe ISO 10816. ISO 10816-21 wurde zwischenzeitlich verffentlicht. DIN ISO 10816-21 wird voraussichtlich 2015 als har-monisierte deutsche Ausgabe erscheinen. Die Richtlinie stellt mit der vorliegenden Aktuali-sierung von Blatt 1 auch zuknftig eine Ergnzu

21、ng zur DIN ISO 10816-21 dar, da sie zustzliche, Introduction This standard is the result of cooperative work of the committee VDI/NALS FA623 “Vibrations of wind turbines”. This is the first revision of Part 1, which was pub-lished in March 2009. Compared to the first edition, the initial intention t

22、o cover on- and offshore wind turbines (WT) in separate groups and parts was changed with this revision of Part 1. Now, this standard for installa-tions with gearbox combines both locations in one group. With this revision, the description of shaft vibra-tion measurement was removed, because so far,

23、 journal bearings can hardly be found at WT com-ponents. The measurement requirements have been harmonized with DIN ISO 2954. The limitation of the scope of zone boundaries for WT with nominal power 3 MW was eliminated, since it turned out, that bigger units do not require other zone bounda-ries. In

24、formation for balancing the main rotor was in-cluded by a new Annex B. Furthermore, the com-plete text of the standard was revised. Various changes also result from the international discus-sion within the project of ISO 10816-21 for intro-duction of the standard in the range of standard ISO 10816.

25、Meanwhile, ISO 10816-21 was pub-lished. DIN ISO 10816-21 is expected to be issued in 2015 as a harmonized German edition. Due to its extensive application notes and clarifica-tions based on the experience gained from the ap-plication of VDI 3834 and its new Annex B, the B55EB1B3E14C22109E918E8EA43ED

26、B30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI 3834 Blatt 1 / Part 1 3 anwendungsbezogene Hinweise und Przisierun-gen aufgrund der Erfahrungen aus der Anwendung der VDI 3834 sowie den neuen Anhang B enthlt. Die zurzeit vorliegenden Nor

27、men zur Beurteilung der Schwingungen von Bauwerken und Maschinen sind auf WEA wegen der speziellen Bau- und Be-triebsbedingungen nicht anwendbar. Die Schwin-gungen von Turm und Gondel einer WEA unter-scheiden sich durch die Einwirkungen von Wind, von Strmungsstrungen im Turmvorstau sowie von Eigensc

28、hwingungen der Rotorbltter und des Bauwerks (Turm und Grndung) und zustzlich durch Seegang bei Offshore-WEA hinsichtlich des Zeitverlaufs und der Spektren von denen anderer Industriebauten. Die in DIN 4150-3 und in ISO 4866 erluterten Messverfahren und Kriterien zur Beurteilung der Schwingungen von

29、Bauwerken knnen aber als Leitfaden dienen. Fr die Komponenten in WEA (Rotorlager, Ge-triebe und Generator) knnte die Grundnorm DIN ISO 10816-1 zur Messung und Bewertung der Schwingungen von Maschinen herangezogen wer-den. Auf dieser basiert unter anderem DIN ISO 10816-3 fr industrielle Maschinen. Im

30、 Gel-tungsbereich von DIN ISO 10816-3 sind aber WEA ausdrcklich ausgeschlossen. Die Kriterien der DIN ISO 10816-3 wren grund-stzlich auf die Komponenten von WEA anwend-bar, sie gelten aber dort nur fr Schwingungen, die im Maschinensatz selbst erzeugt werden und damit direkt auf seine Bauteile einwir

31、ken. Sie gelten auch fr die Beurteilung der Schwingungsemission, das heit die Abstrahlung in die Umgebung eines Ma-schinensatzes. Die Kriterien gelten aber nicht fr Schwingungen, die von externen Quellen auf die Maschinen bertragen werden, das heit fr die Schwingungsimmission. Bei WEA sind das die E

32、inwirkungen von Schwingungen des Turms oder der Gondel, die durch Wind und bei Offshore-WEA zustzlich durch Seegang angeregt werden. Durch die extreme Flexibilitt der Rotorbltter und des Turms und den niedrigen Rotordrehzahlen ist es erforderlich, die niedrigen Schwingungsfre-quenzen in die Schwingu

33、ngsmessung und -beurtei-lung einzubeziehen. Wegen des groen Einflusses des Schwingungspegels einer WEA auf die Bean-spruchung aller Bauteile und Komponenten und damit auf deren Betriebszuverlssigkeit und Le-bensdauer, besteht aus der Sicht verschiedener europischer Hersteller und Betreiber von WEA s

34、owie von Beratern, Versicherungen und Service-Unternehmen ein groes Interesse an einem aner-kannten Regelwerk mit Kriterien und Empfehlun-gen zur Messung und Bewertung der mechani-schen Schwingungen von WEA und deren Kom-present revision of the standard is also in future complementary to DIN ISO 108

35、16-21. The standards currently available for evaluating vibration of structures and machines cannot be applied to WT due to the special nature of their construction and operation. The vibration of the tower and nacelle of a WT caused by the effects of wind, of flow disturbances due to the tower (tow

36、er dam effect), and of the natural vibration of the rotor blades and structure itself (tower and founda-tions) and additionally sea swell in the case of offshore WTs differ from those of other industrial structures with respect to the time behaviour and spectra of the vibration. The measurement proc

37、e-dures and criteria for evaluating the vibration of structures which are explained in DIN 4150-3 and ISO 4866 may, however, be used for guidance. The basic standard DIN ISO 10816-1 dealing with the measurement and evaluation of machine vibra-tion could be called on for the components of WTs (rotor

38、bearing, gearbox and generator). On this is based among other DIN ISO 10816-3 for industrial machines. WTs are, however, expressly excluded from the scope of application of DIN ISO 10816-3. The criteria laid down in DIN ISO 10816-3 would in principle be applicable to WT components but in this standa

39、rd they apply only to vibration gen-erated within the machine set itself and which thus affect its components directly. They are also valid for evaluating the vibration emission in other words, emission into the environment of a machine set. The criteria cannot, however, be applied to vibration tran

40、smitted to the machines from external sources in other words, vibration immission. With WTs, these are the effects of vibration of the tower or nacelle, which are excit-ed by wind and, in the case of offshore WTs, ad-ditionally by sea swell. Due to the extreme flexi-bility of blades and tower and th

41、e low rotor speeds it is necessary to include the low frequency vibra-tions in the measurement and evaluation. Due to the great influence the vibration level of a WT has on the stress of all components and thus on their operational reliability and service lifes, there will be great interest on the p

42、art of the various Europe-an manufacturers and operators of WTs and also consultants, insurers and servicing companies in having a recognized code of practice which pro-vides criteria and recommendations regarding the measurement and evaluation of the mechanical vibration of WTs and their components

43、. This is the central task of the series of standards VDI 3834. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 4 VDI 3834 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 ponenten. Das ist die wesentliche Aufgabe der Richtlinienreihe VDI

44、 3834. Sie ermglicht die Vereinheitlichung der Messun-gen, die Untersttzung in der Bewertung und die vergleichbare Beurteilung von gemessenen Schwingungen an WEA und deren Komponenten. Die Ergebnisse der Messungen sollen bei ber-schreitung der Grenzen der Bewertungszonen Hinweise auf eine mgliche Ge

45、fhrdung der ent-sprechenden Komponente der WEA oder der An-lage als Ganzes geben, ohne deren Ursache im Einzelnen zu identifizieren. Beim Unterschreiten der Zonengrenzen liegt zwar ein normales, bli-ches Laufverhalten vor, einzelne Schden sind aber dennoch nicht ausgeschlossen. Die den Grenzen der Z

46、onen zugeordneten Zahlenwerte sind nicht dazu bestimmt, als Abnahmewerte zu dienen; sol-che mssen zwischen dem Turbinenhersteller und dem Betreiber vereinbart werden. Die Werte geben jedoch Hinweise, um grobe Fehler oder unrealisti-sche Anforderungen auszuschlieen. Das Funktionsprinzip von WEA, die

47、in dieser Richtlinie behandelt werden, besteht aus einem sich drehenden Rotor mit horizontaler Achse. Der Rotor besteht aus einer Rotornabe mit starr oder um deren Lngsachse drehbar befestigten Rotor-blttern. Die Rotornabe ist mit dem Triebstrang der WEA verbunden. Die Umwandlung der mechani-schen E

48、nergie in elektrische erfolgt durch einen Generator, dem ein Getriebe vorgeschaltet sein kann. Diese Bauteile zur Energieumwandlung sind in der Regel in einem Maschinenhaus hier als Gondel bezeichnet untergebracht. Die Gondel ist drehbar auf dem Turm gelagert, der in einem Fun-dament gegrndet ist. D

49、ie Rotorbltter und somit der Rotor sind unsym-metrischen Anstrmverhltnissen, aber auch sto-chastischen Windgeschwindigkeitsfluktuationen ausgesetzt. Unsymmetrische Anstrmungen resul-tieren z. B. aus Windturbulenzen, Ben, der Schrg-anstrmung des Rotors sowie aus unterschiedlicher Windgeschwindigkeitsverteilung ber die Rotor-flche. Neben den aerodynamischen Lasten wirken auch Massenkrfte sowie Lasten aus den unter-schiedlichen Betriebssituationen auf die WEA ein. Die berlage