Accounting for nonstationarity in the condition monitoring of wind turbine gearboxes

Abstract

Increasing growth of wind turbine systems suggests a more systematic research around their design, operation and maintenance is needed. These systems operate under challenging environmental conditions and failure of some of their parts, for the time being, is frequent, although undesirable. Wind turbine gearboxes, more particularly, seem to be so problematic that some wind turbine designs avoid including them. Structural health monitoring and condition monitoring of wind turbines appear to be necessary in order to determine the condition and lifespan of the wind turbine components and the drivetrain respectively. In this way reparative actions could be taken whenever needed resulting in reduction of maintenance costs. This thesis focuses on the condition monitoring of wind turbine gearboxes, taking into account the varying loads that they endure. Currently, the vibration-based damage detection methods used in real life wind turbine condition monitoring systems are based on conventional methods that generally fail to detect damage at its early stage under the operational conditions ob- served in wind turbines. Load and speed variations of the drivetrain that are observed commonly in wind turbines influence the vibration signals and can possibly affect potential damage features. This shows a demand for effective methods for early damage detection. Developments in the area of advanced signal processing should be examined and applied in damage detection of wind turbine gearboxes. Methods from time-frequency analysis, time-scale analysis, pattern recognition, multivariate statistics and econometrics are examined in this study in a condition monitoring context. One important part of the work presented is the development of a simple gearbox model interfaced with realistic wind loading, a model feature that appears to be novel. Other interesting aspects of this thesis are related to the use of the empirical mode decomposition method for time-frequency analysis. The use of Teager-Kaiser energy operator as an alternative technique to Hilbert transform for the estimation of the instantaneous characteristics of the decomposed signals is one of these aspects. The study showed that for some cases and under certain conditions this operator could help to improve the time-frequency analysis. Another aspect is the observation of the change of the number of the intrinsic mode functions produced, for the different load and damage cases, during the decomposition process. This observation was connected theoretically with what is known as the mode mixing problem of the empirical mode decomposition method. For the feature discrimination part of this work, the simplest novelty detection method, outlier analysis, was used in a slightly different manner than in previous studies and the results obtained were compared with a novel adaptive thresholding technique, the 3D phase-space thresholding method. The previously described approaches were applied on the simulated gearbox data but also on real wind turbine gearbox data. Finally, cointegration analysis was proposed as a potential method for removing the effects of the gearbox load variations. This is a novel concept for the condition monitoring of wind turbine gearboxes. An approach which makes it possible to use data from just a single sensor in order to perform cointegration analysis was developed and the process for applying multiscale cointegration using either wavelets or the empirical mode decomposition method was discussed. This final part of the work is an initial step towards applying cointegration to condition monitoring data.

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.