Accounting for nonstationarity in the condition monitoring of wind turbine gearboxes
Authors: Αντωνιάδου Ιφιγένεια 
Published: November 2024

Η αυξανόμενη ανάπτυξη των συστημάτων ανεμογεννητριών υποδηλώνει ότι απαιτείται πιο συστηματική έρευνα γύρω από το σχεδιασμό, τη λειτουργία και τη συντήρησή τους. Αυτά τα συστήματα λειτουργούν κάτω από δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες και η αστοχία ορισμένων εξαρτημάτων τους, προς το παρόν, είναι συχνή, αν και ανεπιθύμητη. Τα κιβώτια ταχυτήτων ανεμογεννητριών, πιο συγκεκριμένα, φαίνεται να είναι τόσο προβληματικά που ορισμένα σχέδια ανεμογεννητριών αποφεύγουν να τα συμπεριλάβουν. Η παρακολούθηση της δομικής υγείας και της κατάστασης των ανεμογεννητριών φαίνεται να είναι απαραίτητες προκειμένου να καθοριστεί η κατάσταση και η διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων της ανεμογεννήτριας και του συστήματος μετάδοσης κίνησης αντίστοιχα. Με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσαν να γίνουν επανορθωτικές ενέργειες όποτε χρειάζεται με αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους συντήρησης. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην παρακολούθηση της κατάστασης των κιβωτίων ταχυτήτων ανεμογεννητριών, λαμβάνοντας υπόψη τα ποικίλα φορτία που υφίστανται. Επί του παρόντος, οι μέθοδοι ανίχνευσης ζημιών που χρησιμοποιούνται σε πραγματικά συστήματα παρακολούθησης της κατάστασης των ανεμογεννητριών βασίζονται σε συμβατικές μεθόδους που γενικά αποτυγχάνουν να ανιχνεύσουν τη ζημιά στο αρχικό της στάδιο υπό τις συνθήκες λειτουργίας που παρατηρούνται στις ανεμογεννήτριες. Οι διακυμάνσεις φορτίου και ταχύτητας του συστήματος μετάδοσης κίνησης που παρατηρούνται συνήθως στις ανεμογεννήτριες επηρεάζουν τα σήματα δόνησης και μπορεί ενδεχομένως να επηρεάσουν τα χαρακτηριστικά πιθανής ζημιάς. Αυτό δείχνει μια απαίτηση για αποτελεσματικές μεθόδους για την έγκαιρη ανίχνευση ζημιών. Οι εξελίξεις στον τομέα της προηγμένης επεξεργασίας σήματος θα πρέπει να εξεταστούν και να εφαρμοστούν στον εντοπισμό ζημιών σε κιβώτια ταχυτήτων ανεμογεννητριών. Μέθοδοι από την ανάλυση χρόνου-συχνότητας, την ανάλυση χρονικής κλίμακας, την αναγνώριση προτύπων, τις πολυμεταβλητές στατιστικές και την οικονομετρία εξετάζονται σε αυτή τη μελέτη σε ένα πλαίσιο παρακολούθησης συνθηκών. Ένα σημαντικό μέρος της εργασίας που παρουσιάζεται είναι η ανάπτυξη ενός απλού μοντέλου κιβωτίου ταχυτήτων που διασυνδέεται με ρεαλιστική φόρτιση ανέμου, ένα χαρακτηριστικό μοντέλου που φαίνεται να είναι νέο. Άλλες ενδιαφέρουσες πτυχές αυτής της διατριβής σχετίζονται με τη χρήση της μεθόδου αποσύνθεσης εμπειρικού τρόπου (EMD) για ανάλυση χρόνου-συχνότητας. Η χρήση του τελεστή ενέργειας Teager-Kaiser ως εναλλακτική τεχνική του μετασχηματισμού Hilbert για την εκτίμηση των στιγμιαίων χαρακτηριστικών των αποσυντεθειμένων σημάτων είναι μία από αυτές τις πτυχές. Η μελέτη έδειξε ότι για ορισμένες περιπτώσεις και υπό ορισμένες προϋποθέσεις αυτός ο χειριστής θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση της ανάλυσης χρόνου-συχνότητας. Μια άλλη πτυχή είναι η παρατήρηση της αλλαγής του αριθμού των εγγενών συναρτήσεων λειτουργίας που παράγονται, για τις διαφορετικές περιπτώσεις φορτίου και ζημιών, κατά τη διαδικασία αποσύνθεσης σημάτων. Αυτή η παρατήρηση συνδέθηκε θεωρητικά με αυτό που είναι γνωστό ως πρόβλημα ανάμειξης προβλήματος της μεθόδου EMD. Για το μέρος της διάκρισης χαρακτηριστικών σημάτων αυτής της εργασίας, η απλούστερη μέθοδος, η ανάλυση ακραίων τιμών, χρησιμοποιήθηκε με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο από ό,τι σε προηγούμενες μελέτες και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με μια νέα προσαρμοστική τεχνική κατωφλίου, την τρισδιάστατη μέθοδο ορίου φάσης-χώρου. Οι προσεγγίσεις που περιγράφηκαν προηγουμένως εφαρμόστηκαν στα δεδομένα προσομοίωσης του κιβωτίου ταχυτήτων αλλά και σε πραγματικά δεδομένα κιβωτίου ταχυτήτων ανεμογεννητριών. Τέλος, προτάθηκε η ανάλυση συνολοκλήρωσης ως πιθανή μέθοδος για την εξάλειψη των επιπτώσεων των διακυμάνσεων του φορτίου του κιβωτίου ταχυτήτων. Αυτή είναι μια νέα ιδέα για την παρακολούθηση της κατάστασης των κιβωτίων ταχυτήτων ανεμογεννητριών. Αναπτύχθηκε μια προσέγγιση που καθιστά δυνατή τη χρήση δεδομένων από έναν μόνο αισθητήρα για την εκτέλεση ανάλυσης συνολοκλήρωσης (cointegration analysis) και συζητήθηκε η διαδικασία για την εφαρμογή συνολοκλήρωσης πολλαπλών κλιμάκων χρησιμοποιώντας είτε wavelets είτε τη μέθοδο EMD. Αυτό το τελευταίο μέρος της εργασίας είναι ένα αρχικό βήμα προς την εφαρμογή της συνολοκλήρωσης στα δεδομένα παρακολούθησης υγείας και απόδοσης μηχανών και κατασκευών.