DE10065314B4 - Method and device for monitoring the condition of rotor blades on wind turbines - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Überwachung
des Zustandes von Rotorblättern
an Windkraftanlagen mittels eines Empfangs, einer Übertragung
und einer Messwerterfassung und -verarbeitung von Signalen sowie
einer Signaltransformation, einer Auswertung und einer Durchführung von
Gegenmaßnahmen,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass eine Messung von rotorblattinternen
Resonanz-, Eigenfrequenz-, Durchlauf- und Reflexions-Körperschall-Signalen mittels
mindestens eines rotorblattzugehörigen
Schall-/Schwingungsempfängers
(Sensor (11, 12)) erfolgt, an dessen Ausgang elektrische, aus den
materialintern übertragenen
Schall-Signalen gewandelte Signale ausgegeben werden,
b) dass
eine Einspeisung von Schallsignalen wahlweise von mindestens einem
rotorblattzugehörigen
Schall-/Impulssender
(Aktor (9, 10)) erfolgt, dessen Auslösung im Rotorblatt (1, 2, 3)
durch eine Auswerte-Einheit (23) veranlasst wird, oder eine Eigenerregung
infolge von Betriebseigengeräuschen
bei Anlagenbetrieb,
c) dass eine Überführung der elektrischen Signale
in eine Form von Spektren erfolgt,
d) dass ein Vergleich mittels
Spektren-Analyse zwischen diesen Spektren und den Spektren von Spektrenbibliotheken
erfolgt, wobei die Spektrenbibliotheken in Massendatenspeichern
(30, 32) abgelegt und deren Spektren defekten oder unbeschädigten...Method for monitoring the condition of rotor blades on wind power plants by means of a reception, a transmission and a measured value acquisition and processing of signals as well as a signal transformation, an evaluation and a performance of countermeasures, characterized
a) that a measurement of internal rotor resonance, natural frequency, continuous and reflected structure-borne sound signals by means of at least one rotor blade associated sound / vibration receiver (sensor (11, 12)) takes place at whose output electrical, from the material internally transmitted sound Signals converted signals are output,
b) that an input of sound signals selectively from at least one rotor blade associated sound / pulse transmitter (actuator (9, 10)), the triggering in the rotor blade (1, 2, 3) is caused by an evaluation unit (23), or one Self-excitation as a result of operating noise during plant operation,
c) that the electrical signals are converted into a form of spectra,
d) that a comparison is made by means of spectral analysis between these spectra and the spectra of spectral libraries, wherein the spectral libraries are stored in mass data memories (30, 32) and their spectra are defective or undamaged.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen mittels Empfang, Übertragung und Messwerterfassung und -verarbeitung von Signalen sowie einer Signaltransformation, einer Auswertung und einer Durchführung von Gegenmaßnahmen.The The invention relates to a method for monitoring the condition of rotor blades on wind turbines by means of reception, transmission and measured value acquisition and processing of signals as well as a signal transformation, an evaluation and implementation of countermeasures.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit mindestens einem Sensor, der die empfangenen Signale in elektrische Signale wandelt, mit einer Auswerte-Einheit, die die elektrischen Signale von den Sensoren übertragen erhält und verarbeitet, mit mindestens einem Massendatenspeicher, in dem sich Spektrenbibliotheken befinden, mit mindestens einem Vergleichsmodul zur Spektrenanalyse und Vergleich des gemessenen Spektrums mit den in den Spektrenbibliotheken vorgehaltenen Referenzspektren und mit einer Gegenmaßnahmen-Auslöse-Einrichtung.The The invention also relates to a device for carrying out the Procedure, with at least one sensor that receives the received signals into electrical signals, with an evaluation unit, the receives and processes the electrical signals transmitted by the sensors with at least one mass data storage containing spectral libraries with at least one comparison module for spectral analysis and comparing the measured spectrum with those in the spectral libraries held reference spectra and with a countermeasure triggering device.
Die Rotorblätter sind hoch belastete Komponenten, deren Ausdehnung in Länge und Breite in den vergangenen Jahren ständig zugenommen hat. Gegenwärtig beträgt ihre Länge bis zu 40m und an den Spitzen treten hohe Geschwindigkeiten auf. Die Rotorblätter müssen Fliehkräften, Windströmungen, Turbulenzen bei unterschiedlichsten Witterungsbedingungen im Dauerbetrieb standhalten.The rotor blades are highly loaded components whose extension in length and Width has steadily increased over the past few years. At present, theirs is Length to to 40m and at the tips occur high speeds. The rotor blades need centrifugal forces, wind currents, turbulence withstand a wide range of weather conditions in continuous operation.
Für das wirtschaftliche Betreiben einer Windkraftanlage ist eine lange Lebensdauer der Rotorblätter entscheidend. Derzeit wird eine Lebensdauer von ca. 20 Jahren angegeben. Das Problem besteht darin, dass zur Erreichung dieser Lebensdauer häufige regelmäßige Kontrollen vor Ort durch visuelles Betrachten, z.B. von Krananlagen aus, notwendig sind. Repa raturen fallen immer erst dann an, wenn der Schaden visuell zu erkennen ist. Zum Teil sind die Reparaturen sehr aufwendig. Damit fällt die Windkraftanlage in ihrer Stromerzeugung während des Stillstandes aus.For the economic Operating a wind turbine, a long life of the rotor blades is crucial. Currently, a lifetime of about 20 years is specified. The problem is that to achieve this lifetime frequent regular checks on-site by visual inspection, e.g. from cranes, necessary are. Repairs always only start when the damage is visually apparent can be seen. In part, the repairs are very expensive. In order to it falls Wind turbine in their power generation during standstill off.
Ein Problem besteht darin, dass Mikrorisse und Materialveränderungen vorzugsweise innerhalb des Rotorblattmaterials, die die mechanischen Eigenschaften und Spannungsverhältnisse schon wesentlich verändern können, bei den visuellen Inspektionen nicht erfasst werden.One Problem is that microcracks and material changes preferably within the rotor blade material containing the mechanical Properties and tension conditions already significantly change can, not be detected during the visual inspections.
Eine
Vorrichtung zur Erfassung von Belastungen der Rotorblätter einer
Windkraftanlage ist aus der Druckschrift
Das Problem der bekannten Vorrichtung besteht darin, dass die Belastungen des als ganze Einheit betrachteten Rotorblattes mit einer mechanischen Vorrichtung – dem Linearelement – im Bereich des Rotorblattfußes gemessen werden. Damit kann nur die Feststellung getroffen werden, ob das Rotorblatt im Bereich des Rotorblattfuß geschädigt wurde. Über den inneren Zustand des Rotorblattes kann aber keine Aussage getroffen werden. Es kann auch nicht der Bereich eines fehlerhaften Zustandes im gesamten Rotorblatt, insbesondere eine dort vorhandene Schadstelle eingegrenzt werden, um dort Reparatur-Maßnahmen im und/oder am Material oder im Bereich der Trage- oder Haltekonstruktion für die Erreichung einer längeren Lebensdauer durchführen zu können. Auch können generell punktuelle Schäden am Rotorblatt nicht erkannt werden, die eine Abschaltung der Anlage erforderlich machen würden.The Problem of the known device is that the loads of the rotor blade considered as a whole unit with a mechanical Device - the Linear element - im Area of the rotor blade foot be measured. This can only make the determination whether the rotor blade was damaged in the area of the rotor blade foot. On the inner condition of the rotor blade but can not make any statement become. It also can not be the area of a faulty state in the entire rotor blade, in particular a damaged spot there be limited to there repair measures in and / or on the material or in the area of the supporting or supporting construction for the achievement a longer one Perform life to be able to. Also can generally punctual damage to Rotor blade can not be detected, which is a shutdown of the plant would require.
Ein
Verfahren zur Bestimmung des technischen Zustandes von Rotorblättern einer
Windkraftanlage ist aus der Druckschrift
In
der
Darüber hinaus
ist aus der Druckschrift
Zur Durchführung des bekannten Verfahrens sollen Gleitsinussignale konstanter Amplitude bzw. Rauschsignale verwendet werden, ein Finite-Elemente-Modell der Flugzeugstruktur aufgestellt werden, mit dem die Schwingungsformen der Struktur berechnet werden und als Referenz-Schwingungsformen dienen, die aus der Modal-Analyse gewonnenen Schwingungsformen mit den zugehörigen Referenz-Schwingungen verglichen und Abweichungen ermittelt werden, beim neuen Flugzeug bei Abweichungen das Finite-Elemente-Modell angepasst, aber beim gebrauchten Flugzeug aus den Abweichungen gegenüber dem Finite-Elemente-Modell des Ausgangszustands Strukturschäden lokalisiert werden, die lokalisierten Schäden ins Finite- Elemente-Modell übernommen werden, die Festigkeit schadensbehafteter Teile mit dem Finite-Elemente-Modell berechnet und als Restfestigkeit des Flugzeugs angesetzt werden.to execution of the known method to sliding sine signals of constant amplitude or noise signals are used, a finite element model the aircraft structure are set up with the the vibration modes the structure can be calculated and used as reference waveforms serve the modes of vibration obtained from modal analysis the associated Reference vibrations are compared and deviations are determined in the case of deviations, the finite element model for the new aircraft adjusted, but the used aircraft from the deviations from the Finite element model of the initial state structural damage can be localized the localized damages into the finite element model The strength of damaged parts is calculated using the finite element model and be used as residual strength of the aircraft.
Ein Problem besteht darin, dass bei georteten Strukturschäden dem Piloten Belastungskennwerte der Tragflächen bei Kurvenflügen, beim Start und bei der Landung oder bei Flugmanövern vorgegeben werden, bei deren Überschreitung oftmals nicht eine Korrektur oder sofortige Landung ausgeführt werden kann. Auch werden die Veränderungen, die während des Fluges eintreten, nicht sofort signalisiert, sondern frühestens erst nach der Landung. Das kann aber dann schon zu spät sein für eine Korrektur des Flugverhaltens.One Problem is that with georteten structural damage the Pilots load characteristics of the wings during turns, during Start and landing or maneuvers are given at exceeding them Often not a correction or instant landing will be performed can. Also, the changes that are while of the flight, not immediately signaled, but at the earliest only after the landing. But that can be too late for a correction of flight behavior.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Erregung mit den Gleitsinussignalen konstanter Amplitude bzw. Rauschsignalen mit flugzeugeigenen hydraulisch oder elektrisch angetriebenen Ruderstellmotoren von den Steuerflächen aus vorgenommen werden soll.One Another problem is that the excitation with the slip signals constant amplitude or noise signals with aircraft own hydraulic or electrically driven rudder actuator motors from the control surfaces should be made.
Als Sensoren für die Signalgewinnung werden Beschleunigungsmesser oder Dehnungsmessstreifen verwendet. Die Sensoren können sowohl in die Tragflächen als auch in den Flugzeugrumpf eingebaut sein. Die den Strukturschäden zugehörigen Abweichungen werden beim Vergleich der Eigenschwingungsformen mit den Referenzschwingungsformen aus unterschiedlichen Amplitudenhöhen ermittelt.When Sensors for the signal acquisition will be accelerometers or strain gauges used. The sensors can both in the wings as well as built into the fuselage. The deviations associated with structural damage when comparing the natural modes with the reference waveforms determined from different amplitude levels.
Ein Problem besteht auch darin, dass mit der verwendeten Modal-Analyse keine kontinuierliche Überwachung durchgeführt werden kann, da die Testverfahren nur am Boden und dort am stillstehenden Flugzeug vor und nach dem Flug durchgeführt werden.One Problem is also that with the modal analysis used no continuous monitoring carried out can be, since the test procedures only on the ground and there resting Airplane to be done before and after the flight.
In
einer anderen Druckschrift
Das Verfahren ist für Windkraftanlagen nicht geeignet, da die Windkraftanlage auslegungsseitig schwingungs- und erschütterungsfrei laufen muss, sonst sind das Abfahren der Windkraftanlage und grundsätzliche Änderungen an der Anlage erforderlich, bis die Schwingungen und Erschütterungen abgestellt sind.The Procedure is for Wind turbines are not suitable because the wind turbine and vibration-free must run, otherwise the shutdown of the wind turbine and fundamental changes required at the facility until the vibrations and shocks are turned off.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass auftretende Schädigungen, Materialveränderungen oder Materialalterungen an der Oberfläche und innerhalb des Körpermaterials von Rotorblättern bei deren Herstellung, Transport oder Montage und bei laufendem Betrieb frühzeitig und lokal bestimmt signaltechnisch erkannt, bewertet und zumindest durch ergänzende Einheiten angezeigt werden und direkt Einfluss auf den Anlagenbetrieb – bis hin zu Abschaltung – genommen wird.Of the Invention is based on the object, a method and a device to monitor the Condition of rotor blades indicate at wind turbines, which is designed so suitable that occurring damages, material changes or material aging on the surface and within the body material of rotor blades at their manufacture, transport or assembly and during operation early and locally determined signal technology recognized, evaluated and at least by supplementary Units are displayed and directly affect the plant operation - all the way to shutdown - taken becomes.
Die Aufgabe wird verfahrensseitig durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen genannt. Das Verfahren zur Überwachung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 basiert auf der Anwendung von Eigenfrequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- und -Reflexionsverhalten, wobei Resonanz- und Eigenfrequenzen, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren nach Sendung von Erregersignalen oder aus ei ner Eigenerregung bei Anlagenbetrieb sowie Betriebseigengeräusche gemessen werden. Die mittels mindestens eines rotorblattzugehörigen Sensors empfangenen Schall-Signale und in elektrische gewandelte Ausgangssignale werden in eine solche Form von Spektren überführt, so dass ein Vergleich mit Referenzspektren erfolgen kann, die in einem Massenspeicher vorgehalten werden und denen jeweils ein definierter Schadenszustand oder ein unbeschädigter Zustand eines Rotorblattes zugeordnet ist. Sofern in dem ermittelten Spektrum eine Abweichung von dem Zustand bei ungestörtem Betrieb (Normalzustand) feststellbar ist, kann mittels der Zuordnung des abweichenden Spektrums zu mindestens einem der Referenzspektren der mit diesem Referenzspektrum verbundene Rotorblattzustand ermittelt werden.The problem is solved by the method side by the features of claim 1, others Embodiments of the method are mentioned in the subclaims. The method for monitoring according to the preamble of claim 1 is based on the application of natural frequencies and structure-borne noise and sound-running and -reflection, with resonance and natural frequencies, continuous and reflected signal spectra after transmission of excitation signals or from egg ner self-excitation during plant operation as well as operating noise can be measured. The sound signals received by means of at least one rotor blade-associated sensor and converted into electrical output signals are converted into such a form of spectra, so that a comparison with reference spectra can be carried out, which are stored in a mass storage and each of which a defined damage state or an undamaged state of a Rotor blade is assigned. If a deviation from the state in undisturbed operation (normal state) is detectable in the determined spectrum, the rotor blade state associated with this reference spectrum can be determined by means of the assignment of the deviating spectrum to at least one of the reference spectra.
Als rotorblattzugehöriger Sensor ist erfindungsgemäß ein Schall-/Schwingungsempfänger zu verstehen, der an relevanten, schallsignalgeeigneten Stellen des aus Blattflügel und Blattfuß bestehenden Rotorblattes eingebettet oder an der Oberfläche angebracht sind. Um die eingangs beschriebenen Materialeigenschaften zu messen, erfolgt die Einbettung der Sensoren vorzugsweise im Material des Blattflügels. Relevante Stellen sind beispielsweise die Blattspitze oder die Kantenbereiche des Blattes.When rotor blade associated Sensor according to the invention is a sound / vibration receiver to understand the relevant, sound signal suitable places of the leaf and Blade foot existing rotor blade embedded or on the surface are attached. To the material properties described above to measure, the embedding of the sensors is preferably carried out in the material of the leaf. Relevant locations are, for example, the blade tip or the edge areas of the leaf.
Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Referenzspektren auf der Grundlage von Modellrechnungen und durch akustische Messungen von unbeschädigten und von geschädigten Rotorblättern bestimmte Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden erhalten, die diesen Zuständen zugeordnet werden, wobei Spektrenbibliotheken auf Massendatenspeichern aus den Spektren mit der Zuordnung von Schadenszustand und Schadenslokalisation und weiteren Informationen aufgebaut werden, wobei die empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist- Spektrenformen/-Banden mit den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren verglichen und die dazu korrespondierenden Zustände ermittelt werden, die bei Abweichungen vom Normalzustand bestimmten Schadzuständen und bestimmten Schadstellen im Material der Rotorblätter zugeordnet werden.Corresponding An embodiment of the invention, the reference spectra the basis of model calculations and acoustic measurements from undamaged and of injured rotor blades certain frequency and amplitude spectra and / or spectra shapes / bands get that conditions where spectral libraries are stored on mass data storage from the spectra with the assignment of damage state and damage localization and further information, the received Actual frequency and Amplitude spectra and / or actual spectra forms / bands compared with the spectra stored in the spectra library and the corresponding states are determined, the at Deviations from the normal state of certain damage states and certain defects in the material of the rotor blades are assigned.
Nach der Übertragung von der rotierenden Welle können die Messsignale in einer Auswerte-Einheit analysiert werden, indem aus dem empfangenen Eigen-Signalspektrum oder aus den in Korrelation mit den über die Aktoren eingespeisten Signalen mit den Sensoren empfangenen Spektren die relevanten Frequenzen und Amplituden des Zeitspektrums oder eines transformierten, vorzugsweise fouriertransformierten, Spektrums herausgefiltert werden, die signifikant für die Zustandsbewertung sind.To the transmission from the rotating shaft can the measurement signals are analyzed in an evaluation unit by from the received eigen-signal spectrum or from the correlation with the over the actuators fed signals received with the sensors Spectra the relevant frequencies and amplitudes of the time spectrum or a transformed, preferably Fourier-transformed, Spectrum filtered out, which is significant for the condition assessment are.
Die Mess- und Erregersignale von und zu den Rotorblättern werden über eine Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit von der Welle zum Stator und umgekehrt geführt, wobei eine Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) sowie eine Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) verwendet werden.The Measuring and excitation signals from and to the rotor blades are via a Signal / power supply transfer unit from the shaft to the stator and vice versa, wherein a signal transmission preprocessing unit (Encoder and transmitter) and a signal transmission post-processing unit (Receiver and decoders).
Aus dem jeweiligen Vergleich zwischen den empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden und den in der Spektrenbibliothek abgelegten Referenzspektren können kurzfristige sowie mittel- und langfristige Maßnahmen zum Betrieb der Windkraftanlage und zur Reparatur und Wartung der Rotorblätter abgeleitet werden.Out the respective comparison between the received actual frequency and amplitude spectra and / or actual spectra forms / bands and the reference spectra stored in the spectral library can be short-term as well as medium and long-term measures for the operation of the wind turbine and for the repair and maintenance of the rotor blades be derived.
An einen Leitrechner können über eine Informationsschnittstelle, vorzugsweise ein serielles Interface, über welche der Leitrechner mit der Auswerteeinheit verknüpft ist, die Zustands-Informationen übermittelt werden. In Abhängigkeit vom Inhalt der Zustandsinformationen können in dem Leitrechner automatisch der Anlagenbetrieb bis hin zur Schnellabschaltung beeinflusst werden und der die Anlagen überwachenden Stelle Maßnahmen zur Reaktionsweise auf Schadzustände und Informationen zur Einleitung von dringlichkeitsabhängigen Maßnahmen mitgeteilt werden.At A master computer can have one Information interface, preferably a serial interface, via which the master computer is linked to the evaluation unit, which transmits status information become. Depending on Contents of the status information can be in the host computer automatically the plant operation are influenced up to the rapid shutdown and monitoring the facilities Place measures for the reaction to damage states and information on the initiation of urgency-related measures become.
Die Zustands-Überwachung der Rotorblätter kann aufgrund der mittels der Aktoren vornehmbaren, von dem Betrieb der Anlage unabhängigen Erregung auch während und nach der Produktion sowie nach dem Transport und während der Montage der Windkraftanlage durchgeführt werden.The Condition monitoring the rotor blades can due to the vornehmbaren by means of the actuators, from the operation of the Plant independent Excitement even while and after production and after transport and during the Installation of the wind turbine to be performed.
Im Folgenden wird das Verfahren erläutert.in the The following explains the method.
Der Messzyklus wird in einem Modul zur Messprozesssteuerung ausgelöst und kann mit der Ausgabe eines Erregersignals an den Aktor über eine Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit beginnen, wobei gleichzeitig das Tor der programmierbaren Empfangseinheit für den vorgegebenen Messzeitraum geöffnet und ein Messsignal vom Sensor empfangen sowie als zeitbezogenes Frequenz-Amplituden-Signal digital im Hauptspeicher der zentralen Recheneinheit in einer vorgegebenen Auflösung abgelegt wird.Of the Measuring cycle is triggered in a module for measuring process control and can begin with the output of an excitation signal to the actuator via an exciter signal / auxiliary energy transmission unit, at the same time the gate of the programmable receiving unit for the open the specified measurement period and receive a measurement signal from the sensor as well as time related Frequency amplitude signal digital in the main memory of the central processing unit in a given resolution is filed.
Das Modul zur Messprozesssteuerung, das für die Bildung der Erregersignale und Empfangssignale zuständig ist, gehört zu einem umfassenden Softwareprogramm-Modul für die Abarbeitung eines Algorithmus, das sich vorzugsweise in der zentralen Rechnereinheit befindet.The module for measuring process control, the is responsible for the formation of the exciter signals and received signals, belongs to a comprehensive software program module for the execution of an algorithm, which is preferably located in the central computer unit.
Das Softwareprogramm-Modul zur Abarbeitung eines Algorithmus enthält vorzugsweise folgende Module:
- – Ein Modul zur Messprozesssteuerung,
- – ein Modul zur Messsignalaufbereitung,
- – ein Vergleichsmodul,
- – ein Modul zur Feststellung des Normalzustandes,
- – ein Weiterbetriebsentscheidungs-Modul,
- – ein Modul zur Feststellung eines gestörten Zustandes,
- – ein Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung, wobei das Modul zur Feststellung eines gestörten Zustandes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul in Verbindung stehen kann.
- - a module for measuring process control,
- A module for measuring signal conditioning,
- - a comparison module,
- A module for determining the normal condition,
- A post-production decision module,
- A module for determining a disturbed state,
- A mode change signaling module, wherein the fault condition detection module may optionally be in communication with the continue decision module.
In dem Softwareprogramm-Modul wird aus dem in der Einheit gebildeten Messsignal-Vektor in einem Modul zur Messsignalaufbereitung, z.B. mittels anschließender schneller Fouriertransformation, ein Frequenz-Amplituden-Spektrum erzeugt. Dieses Frequenz-Amplituden-Spektrum besitzt die für das Rotorblatt typischen gemessenen Eigenfrequenzen als ein Spektrum in einem typischen normierten Frequenzbereich. Es ist auch möglich, ein spezielles, typisches Laufzeitspektrum zu ermitteln. Anschließend wird durch einen Mustervergleich mit den auf Massendatenspeichern abgelegten normierten Referenzspektren, dass aus Messungen an Rotorblättern mit definierten Schadenszuständen und/oder aus Modellrechnungen ermittelt wurde, in einem Vergleichsmodul ein korrespondierender Zustand des gemessenen Rotorblattes ermittelt. Dabei werden die Wetterdaten, die Einfluss auf das Eigenfrequenzspektrum haben können, wie z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Meterologie-Modul und die Anlagenbetriebsdaten, z.B. Drehzahl und Leistung, aus einem Anlagenbetriebsdaten-Modul als Parameter berücksichtigt.In the software program module is made from the one formed in the unit Measurement signal vector in a measurement signal conditioning module, e.g. by means of subsequent fast Fourier transform, a frequency-amplitude spectrum generated. This frequency-amplitude spectrum has the same for the rotor blade typical measured natural frequencies as a spectrum in a typical normalized frequency range. It is also possible, a special, typical Determine the runtime spectrum. Subsequently, by a pattern comparison with the normalized reference spectra stored on mass data memories, that from measurements on rotor blades with defined damage states and / or from model calculations, in a comparison module a corresponding state of the measured rotor blade determined. At the same time, the weather data will influence the natural frequency spectrum can have, such as. Wind speed, wind direction, air temperature, air humidity, from a meterology module and the plant operating data, e.g. rotation speed and power, from a plant operation data module as a parameter considered.
Nach einem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines Normalzustands wird dem Windkraftanlagen-Leitrechner ein entsprechendes Statussignal aus dem Weiterbetriebsentschei dungs-Modul übermittelt und der Weiterbetrieb der Windkraftanlage aufrecht erhalten bleiben.To a comparison with the result of obtaining a normal state is the wind turbine master computer from a corresponding status signal transmitted to the continuing operation decision module and further operation the wind turbine to be maintained.
Hingegen wird nach dem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines gestörten Zustands Einfluss auf den Maschinenbetrieb genommen, indem über die Schnittstelle zum Windkraftanlagen-Leitrechner ein entsprechendes Informationspaket in Form von Statussignalen des Rotorblattzustandes, von Signalen zur Schadstellenlokalisierung und zur Schadenzustandsbeschreibung aus dem Statusdaten-Modul übertragen wird, der zu einer automatischen oder einer durch einen Dispatcher zu bestätigenden Änderung der Betriebsweise der Windkraftanlage gemäß einem Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung führt.On the other hand becomes after comparison with the result of receiving a disturbed state Influence on the machine operation taken over by the Interface to the wind turbine master computer a corresponding Information packet in the form of status signals of the rotor blade state, from Signals for damage location and damage description transferred from the status data module that becomes an automatic or one through a dispatcher change to be confirmed the operation of the wind turbine according to a module for signaling for one Mode change leads.
Aus einer Zuordnungstabelle zum Spektrum können aus dem Massenspeicher die betreffenden Informationen als Signale zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und/oder Reparatur ausgelesen und ebenfalls an den Leitrechner zur Weitermeldung übermittelt werden.Out an allocation table to the spectrum can be from the mass storage the relevant information as signals for localization and for the description of damage as well as for the necessary maintenance and / or Repair read and also sent to the host computer for forwarding.
Nach der Entscheidung, dass der Schaden beim Spektrenvergleich als nicht erheblich detektiert wird, kann aus der Zuordnungstabelle zum Spektrum vom Massenspeicher die Informationen zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und Reparatur aus dem Modul ausgelesen und an den Leitrechner übermittelt werden, um dort auch nach akustischer Signalisation in Form einer Tabelle und/oder in Form einer grafischen Darstellung eine Handlungsanleitung zu geben.To the decision that the damage when comparing spectra as not can be detected from the allocation table to the spectrum of Mass storage the information for localization and damage description and read out of the module for the necessary maintenance and repair and transmitted to the master computer be there to acoustical signaling in the form of a Table and / or in the form of a graphical representation of an action manual to give.
Die aus den Eigenfrequenzspektren, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren auf Sendesignale sowie auf Betriebseigengeräusche empfangenen und die daraus durch Transformation erhaltenen Signal-Spektren können sowohl hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden als auch hinsichtlich von Gesamtheiten wie Frequenzbanden und Frequenz-Amplitudengruppen bewertet werden.The from the eigenfrequency spectra, sweep and reflection signal spectra received on transmission signals as well as on operating noise and the resulting By transformation obtained signal spectra can both in terms of their individual specific frequency and amplitudes as well as in terms of entities such as frequency bands and frequency amplitude groups be rated.
Auf der Grundlage von vor der Montage durch Modellrechnungen und durch experimentellen Untersuchungen an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern bestimmten Frequenz- und Amplituden-Spektren bzw. Spektrenformen/-Banden, die eindeutig bestimmten Rotorblattzuständen, den schadfreien und den bestimmten Schäden zuzuordnenden Zuständen, zugeordnet werden können, können mit den empfangenen Ist-Frequenz- und Ist-Amplituden-Spektren sowie Ist-Spektrenformen/-Banden verglichen werden.On the basis of before assembly by model calculations and by determined experimental investigations on undamaged and damaged rotor blades Frequency and amplitude spectra or spectra forms / bands that are unique certain rotor blade conditions, the damage-free and the specific damage attributable states assigned can be can with the received actual frequency and actual amplitude spectra as well as actual spectra forms / bands be compared.
Bei Abweichungen wird zumindest eine Anzeige erhalten, ob die Abweichung einem Schadzustand zugeordnet werden kann, der Anlass gibt, Einfluss auf den Betrieb der Windkraftanlage, bis hin zur Schnellabschaltung, zu nehmen.at Deviations will at least receive an indication of whether the deviation a damage condition can be assigned, which gives rise to influence on the operation of the wind turbine, up to the rapid shutdown, to take.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird anordnungsseitig durch eine Einrichtung gelöst, die durch die Merkmale gemäß Anspruch 22 gekennzeichnet ist. Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den zugehörigen Unteransprüchen genannt.The The object underlying the invention is the arrangement side by a device solved, by the features according to claim 22 is marked. Embodiments of the device are in the associated dependent claims called.
Eine Einrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens kann mindestens einen Schall-/Schwingungsempfänger (Sensor) und wahlweise mindestens einen als Erreger dienenden Schall-/Impulssender (Aktor) enthalten, die an relevanten, schallsignalgeeigneten Stellen eingebettet oder an der Oberfläche der Rotorblätter angebracht sind. Sowohl Aktor als auch Sensor sind mit der Auswerte-Einheit verknüpft. Diese ist konfiguriert, um die Schall- oder Impulssignale zur Schwingungserregung im Material des Rotorblattes zu erzeugen, die Signale zu den Aktoren zu übertragen und das Zeitfenster für die Erregung und den Empfang der Signale mittels der Sensoren zu steuern.A Device for implementation of the described method can be at least one sound / vibration receiver (sensor) and optionally at least one acoustic / pulse transmitter serving as a pathogen (Actuator), the relevant, sound signal suitable places embedded or on the surface the rotor blades are attached. Both the actuator and the sensor are connected to the evaluation unit connected. This is configured to receive the sound or pulse signals for vibrational excitation produce in the material of the rotor blade, the signals to the actuators transferred to and the time window for the excitation and the reception of the signals by means of the sensors Taxes.
Da die Auswerte-Einheit im statischen Teil der Windkraftanlage angeordnet ist, dem Stator in der Gondel, Aktor und Sensor hingegen im rotierenden Teil, befindet sich zwischen Sensor und Aktor sowie der rotierenden Welle einerseits und der Auswerte-Einheit andererseits eine analoge oder digitale Übertragungseinheit zur Übertragung der Erregersignale und der Messsignale. Da auch die von dem Sensor ausgehenden Signale elektrische sind, ist die Übertragung in beide Richtungen auf der Basis von Magnet-Wechselfeldern, Funkwellen oder auch Lichtsignalen möglich.There the evaluation unit arranged in the static part of the wind turbine is the stator in the nacelle, while the actuator and sensor are rotating Part, located between sensor and actuator and the rotating Wave on the one hand and the evaluation unit on the other hand an analogue or digital transmission unit for transmission the excitation signals and the measuring signals. As well as the sensor outgoing signals are electrical, transmission is in both directions on the basis of alternating magnetic fields, radio waves or light signals possible.
Der Auswerte-Einheit umfasst neben dem eingangs genannten Vergleichsmodul, welches der Spektrenanalyse und dem Vergleich des ermittelten Spektrums mit Referenzspektren dient, ein Modul, welches im Anschluss an den Vergleich eine Zuordnung des ermittelten Spektrums zu einem Rotorblattzustand vornimmt. Der Rotorblattzustand ist dabei sowohl durch einen Schadenszustand, d.h. die Art und den Umfang des Schadens, als auch durch den Ort im Rotorblatt gekennzeichnet, an welchem der Schaden eingetreten ist. Diese Zuordnung führt letztlich zur Feststellung des Schadens und der Schadensstelle in dem Material des Rotorblattes, in welchem das Spektrum ermittelt wurde.Of the Evaluation unit comprises in addition to the comparison module mentioned above, which of the spectral analysis and the comparison of the determined spectrum with reference spectra, a module which follows the Comparison of an assignment of the determined spectrum to a rotor blade state performs. The rotor blade state is characterized both by a damaged state, i.e. the nature and extent of the damage, as well as the location marked in the rotor blade on which the damage occurred is. This assignment leads ultimately to establish the damage and the location of damage in the material of the rotor blade, in which the spectrum is determined has been.
Die Sensoren und Aktoren können wahlweise vom Rotorblattfuß ausgehende fest installierte Signalleitungen und wahlweise Betriebsenergieversorgungsleitungen aufweisen.The Sensors and actuators can optionally from the rotor blade foot outgoing fixed signal lines and optional operating power supply lines exhibit.
Bei fest im oder auf dem Rotorblatt eingebetteten Leitungen sind darin die Signale zu den Aktoren und von den Sensoren vom und zum Rotorblattfuß an jeweils einem Rotorblatt übertragbar.at Fixed in or on the rotor blade embedded lines are in it the signals to the actuators and from the sensors to and from the rotor blade on each a rotor blade transferable.
Der Übertragungseinheit sind Signalvor- bzw. Signalnachverarbeitungseinheiten, insbesondere Sender mit Encoder und Empfänger mit Decoder vorgeschaltet.The transmission unit are Signalvor- or signal post-processing units, in particular Transmitter with encoder and receiver upstream with decoder.
Zu der Auswerte-Einheit gehört ein dafür konfiguriertes und programmiertes Computersystem, das mittels einer zugehörigen Betriebssystem- sowie Mess- und Auswertesoftware wahlweise Erregersignale erzeugt und zu den Aktoren sendet sowie Signale der Sensoren auswertet und durch Vergleich zwischen den gemessenen Spektren und den Spektren aus Spektrenbibliotheken, die vorzugsweise auf Massenspeichern abgelegt sind, zuzuordnenden Rotorblatt-Zustände sowie zugehörige Statussignale, Schadensinformationen und Betreiberhinweise ableitet, wobei Klima-Daten, die über die über eine Einheit zur Übernahme von Klimadaten abrufbar sind sowie Anlagenbetriebsdaten, wie Drehzahl und Leistung, die über die Schnittstelle zur Verfügung stehen, wahlweise berücksichtigt werden.To belongs to the evaluation unit a configured for it and a programmed computer system that can be accessed by means of an associated operating system as well as measuring and evaluation software generates either exciter signals and sends to the actuators as well as evaluates signals from the sensors and by comparison between the measured spectra and the spectra Spectral libraries, which are preferably stored on mass storage are assignable rotor blade conditions and associated status signals, damage information and operator hints derived, with climate data over the over a Unit for takeover are accessible from climate data as well as plant operating data, such as speed and performance over the interface is available stand, optionally considered become.
Die gebildeten Statussignale der Rotorblätter und die zugehörigen Informationen können über die Schnittstelle zum Leitrechner der Windkraftanlage übermittelt werden und dort der bestehenden Überwachung aufgeschaltet und zur Überwachung abgerufen werden, wobei dort der Status der Rotorblätter angezeigt und, falls Schadzustände auftreten, die Schadstellen am Rotorblatt und/oder innerhalb der Rotorblätter in Form von Text, Tabellen oder Grafiken angezeigt und wahlweise zugeordnete sicherheitsbezogene Handlungsanweisungen und Regelungen automatisch eingeleitet oder der Bedienung zur Ausführung vorgeschlagen werden, sowie mittel- oder langfristige Wartungs- oder Reparatur-Maßnahmen angezeigt werden und deren Ausführung kontrolliert wird.The formed status signals of the rotor blades and the associated information can over the interface be transmitted to the host of the wind turbine and there the existing surveillance switched on and for monitoring be retrieved, where the status of the rotor blades displayed there and, if harmful occur, the damage points on the rotor blade and / or within the rotor blades in Form of text, tables or graphics displayed and optionally assigned Safety-related instructions and regulations automatically initiated or suggested to the operator for execution, as well as medium or long-term maintenance or repair measures and their execution is controlled.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bilden der erste Aktor und der erste Sensor ein erstes Ak tor-/Sensorpaar für ein Blattflügel-Längssignal, indem Aktor und Sensor mit möglichst großem Abstand zueinander in der Längsausdehnung des Blattflügels angeordnet sind, vorzugsweise der Aktor in der Nähe des Blattfußes und der Sensor im Bereich des freien Endes des Blattflügels. Ein zweiter Aktor und ein zweiter Sensor stellen ein zweites Aktor-/Sensorpaar für ein Blattflügel-Quersignal dar. Zu diesem Zweck sind auch hier Aktor und Sensor mit möglichst großem Abstand zueinander, jedoch in der Querausdehnung des Blattflügels, d.h. jeweils an einer seiner Kanten, angeordnet.Corresponding a particularly advantageous embodiment form the first actuator and the first sensor comprises a first actuator / sensor pair for a leaf-length signal, by using actuator and sensor with as possible great Distance from each other in the longitudinal extent of the leaf are arranged, preferably the actuator in the vicinity of the blade foot and the sensor in the area of the free end of the leaf. One second actuator and a second sensor provide a second actuator / sensor pair for a Leaf wing cross signal For this purpose, actuator and sensor with as possible great Distance apart, but in the transverse dimension of the leaf, i. each at one of its edges, arranged.
Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit ist mit der Auswerte-Einheit verbunden, die darüber an die rotierende Welle/Rotorblätter Aktorsignale ausgibt und Sensorsignale empfängt.The Signal / power supply transfer unit is connected to the evaluation unit, which is connected to the rotating shaft / rotor blades actuator signals outputs and receives sensor signals.
Die Auswerte-Einheit besteht im Wesentlichen aus der zentralen Recheneinheit, aus einem Speicher, vorzugsweise einem MOS-Speicher, aus einer Bedieneinheit mit einem angeschlossenen Videoterminal, mit einer angeschlossenen Tastatur und mit einem angeschlossenen Drucker, aus einem Festplattenspeicher, einem Wechselplattenspeicher und einem CD-ROM-Laufwerk, aus einem 6-kanaligen programmierbaren Schall-/Impulsgenerator sowie aus einem 6-kanaligen programmierbaren Messsignalempfänger, die über einen Bus der zentralen Recheneinheit miteinander verbunden sind, wobei am Bus vorzugsweise eine Einheit zur Übernahme von Klima-Daten, insbesondere von Windstärke und Temperatur sowie vorzugsweise eine Schnittstelle (serielles Interface), mit der eine Kommunikationsverbindung zum übergeordneten Leitrechner der Windkraftanlage herstellbar ist, angeschlossen sind.The evaluation unit essentially consists of the central processing unit, a memory, preferably a MOS memory, an operating unit with a connected video terminal, a connected keyboard and a connected printer, a hard disk memory, a removable disk storage and a CD player. ROM drive, from a 6-channel gene programmable sound / pulse generator and a 6-channel programmable measuring signal receiver, which are interconnected via a bus of the central processing unit, wherein the bus preferably a unit for the acquisition of climate data, in particular wind force and temperature, and preferably an interface (serial Interface), with which a communication connection to the parent control computer of the wind turbine can be produced, are connected.
Der programmierbare Schall-/Impulsgenerator steht über Signalleitungen mit der Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit und der programmierbare Messsignalemp fänger über weitere Signalleitungen mit der Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit in Verbindung.Of the programmable sound / pulse generator is connected via signal lines with the Erregersignal- / power supply transfer unit and the programmable measuring signal receiver via further signal lines with the measuring signal / auxiliary power transmission unit in connection.
Auf einem Massendatenspeicher, wie es die Festplatte oder die CD-ROM sind, können digitalisierte Referenzspektren für die Rotorblätter für verschiedene normale Betriebszustände sowie für Störungs- und Schadenszustände abgelegt sein, die aus Messungen an normalen und defekten Rotorblättern sowie aus Modellrechnungen vorzugsweise mit der FEM-Methode erhalten werden.On a mass data storage, such as the hard disk or the CD-ROM are, can Digitized reference spectra for the rotor blades for various normal operating conditions also for fault and damage states taken from measurements on normal and defective rotor blades as well from model calculations, preferably with the FEM method.
Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Sende-/Empfangseinrichtung in Richtung zu den Aktoren des Blattflügels sowie aus einer Empfangs-/Sendeeinrichtung aus der Richtung der Sensoren des Blattflügels, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung und die Empfangs-/Sendeeinrichtung die signaltechnische Verknüpfung im Bereich zwischen Rotor und Stator betreffen, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung eine Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit und die Empfangs-/Sendeeinrichtung eine Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit darstellen, die vorzugsweise eine Zweiteilung bezüglich der Anordnung auf/am Rotor und Stator aufweisen.The Signal / auxiliary energy transmission consists essentially of a transmitting / receiving device in Direction to the actuators of the leaf and a receiving / transmitting device from the direction of the sensors of the leaf, wherein the transceiver and the receiving / transmitting device, the signaling link in Region between rotor and stator, wherein the transmitting / receiving device an exciter signal / auxiliary power transmission unit and the receiving / transmitting means comprises a measurement signal / auxiliary power transmission unit represent, preferably a division with respect to Arrangement on / on the rotor and stator have.
Die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit steht mit einer Erregersignalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) auf einem Statorteil und eine Erregersignalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) auf einem Rotorteil mit den Aktorsignalleitungen des Rotorblatts und den Aktorsignalausgangs-Leitungen, die zur Auswerte-Einheit gehören, in Verbindung.The Erregersignal- / power supply transfer unit is connected to an excitation signal transmission preprocessing unit (Encoder and transmitter) on a stator and an exciter signal transmission post-processing unit (Receiver and decoder) on a rotor part with the actuator signal lines of Rotor blade and the actuator signal output lines leading to the evaluation unit belong, in Connection.
Die Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit steht mit einer Messsignalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) auf einem Rotorteil und eine Messsignalü bertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) auf dem Statorteil mit den Sensorsignalleitungen des Rotorblattes und den Sensorsignaleingangs-Leitungen, die zur Auswerte-Einheit führen, in Verbindung.The Measured signal / power supply transfer unit is connected to a measurement signal transmission preprocessing unit (Encoder and transmitter) on a rotor part and a Messsignalü transmission Nachverarbeitungseinheit (Receiver and decoder) on the stator part with the sensor signal lines of Rotor blade and the sensor signal input lines to the evaluation unit to lead, in connection.
Das angegebene Verfahren beruht auf festkörpermechanischen Erkenntnissen, nach denen jeder Körper entsprechend seiner Ausformung und der spezifischen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich aller im betrachteten räumlich ausgedehnten Körper möglichen Eigenschwingungen mit ihren Oberwellen besitzt. Diese Eigenschwingungen ergeben für einen solchen Körper ein ganzes Spektrum von Frequenzen, die typisch für den gesamten Körper sind. Verändert sich der Körper durch innere und/oder äußere Schäden und Risse, so verändert sich das Spektrum. Gewisse Schwingungsformen treten nicht mehr oder in veränderter Form auf.The specified method is based on solid-mechanical knowledge, after which every body according to its shape and the specific mechanical Properties with respect to all in the considered spatially extended body possible Owns natural oscillations with their harmonics. These natural vibrations arise for such a body a whole spectrum of frequencies typical of the whole body are. changed the body through internal and / or external damage and Cracks, that's how it changes the spectrum. Certain forms of vibration no longer occur or in modified Shape up.
Genauso ändern sich die Schwingungsformen, wenn die Materialeigenschaften, wie z.B. der Elastizitäts-Modul, sich infolge Alterung oder Verwitterung ändern. Hierbei kommt es zu einer Verschiebung der typischen Frequenzen.Just change the vibration modes when the material properties, such as the modulus of elasticity, to change as a result of aging or weathering. This happens a shift in typical frequencies.
Schließlich werden akustische Signale, die nicht den Eigenfrequenzen entsprechen, die durch den Körper geschickt werden, im Körper beim Durchlaufen entsprechend der Materialeigenschaften mehr oder weniger abgeschwächt und an im Körper vorhandenen Unstetigkeiten und an den Körperoberflächen reflektiert. Bilden sich neue Unstetigkeiten oder verändern sich die Materialeigenschaften, so ist das an den Reflexionssignal-Spektren erkennbar, indem neue Reflexions-Peaks auftreten oder sich die Amplituden der Reflexionssignale verändern.Finally acoustic signals that do not correspond to the natural frequencies that through the body to be sent, in the body when going through according to the material properties more or less attenuated and on in the body existing discontinuities and reflected on the body surfaces. Form new discontinuities or change the material properties, that's the reflection signal spectra recognizable by new reflection peaks occurring or the amplitudes change the reflection signals.
Diese beiden akustischen Verfahren sind nicht gleichbedeutend mit dem Verfahren der Modalanalyse, wo es um die Feststellung der zu den Eigenfrequenzen gehörenden Verformungen des Körpers geht.These Both acoustic methods are not synonymous with the Method of modal analysis, where it is about the determination of the Own frequencies belonging Deformations of the body go.
Die oben genannten akustischen Eigenschaften eines ausgedehnten Körpers können einmal durch geeignete akustische Messungen experimentell oder aber rechnerisch über eine Modellrechnung, z.B. mit dem Finite-Element-Modell (FEM), bestimmt werden.The above-mentioned acoustic properties of an extended body can once by appropriate acoustic measurements experimentally or computationally over a Model calculation, e.g. with the finite element model (FEM) become.
Die Messungen können an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern durchgeführt werden, wobei eine Zuordnung des Schadenszustands zum Spektrum möglich wird. Bei den Berechnungen können Schadenszustände, wie mechanische Schäden und Risse oder Materialveränderungen simuliert und die Spektren den Schadenszuständen zugeordnet werden. Auch können aus der FEM-Nachrechnung gemessener Spektren das Modell und die verwendeten Modellparameter und Materialeigenschaften abgeglichen werden.The Measurements can at undamaged and damaged rotor blades carried out be possible, with an assignment of the damage state to the spectrum is possible. In the calculations can Damage states, like mechanical damage and cracks or material changes simulated and the spectra are assigned to the damage states. Also can from the FEM recalculation of measured spectra the model and the adjusted model parameters and material properties become.
Damit kann eine Datenbasis für die Bewertung von im Betrieb gemessenen Spektren und den zugehörigen Zuständen geschaffen werden.This can be a database for the Bewer tion of spectra measured in operation and the associated states.
In den Rotorblättern von Windkraftanlagen befinden sich mindestens ein Sensor und wahlweise mindestens ein Aktor. Diese Sensoren/Aktoren sind an relevanten, schallsignalgeeigneten Stellen eingebettet oder an der Oberfläche angebracht, die vorzugsweise vom Rotorblattfuß ausgehende fest installierte Signalleitungen und ggf. Betriebsenergieversorgungsleitungen aufweisen. Bei fest im oder auf dem Rotorblatt eingebetteten Leitungen werden darin die Signale zu und von den Sensoren vom und zum Rotorblattfuß übertragen. Die Signal-Übertragung vom rotierenden Rotorblatt/Welle zum feststehenden Teil der Windkraftanlage erfolgt mit einer geeigneten analogen oder digitalen Messsignal-Übertragungseinrichtung vorzugsweise auf Basis von elektrischen oder magnetischen Wechselfeldern, elektromagnetischen Feldern im Bereich von Funkwellen oder Lichtsignal-Übertragungsstrecken.In the rotor blades Wind turbines have at least one sensor and optionally at least one an actor. These sensors / actuators are relevant to sound signal suitable Place embedded or attached to the surface, preferably from the rotor blade foot outgoing permanently installed signal lines and, if necessary, operating power supply lines exhibit. For cables firmly embedded in or on the rotor blade The signals are transmitted to and from the sensors to and from the rotor blade root. The signal transmission from the rotating rotor blade / shaft to the fixed part of the wind turbine is done with a suitable analog or digital measurement signal transmission device preferably based on electrical or magnetic alternating fields, electromagnetic Fields in the range of radio waves or light signal transmission links.
Dieser Übertragungseinheit vorgeschaltet ist vorzugsweise eine Signalvorverarbeitungseinheit. Nach der Übertragung von der rotierenden Welle werden die Messsignale in einer Auswerte-Einheit analysiert, indem aus den empfangenen Messsignalen oder aus den in Korrelation mit den über die Erreger eingespeisten Signalen empfangenen Signalantworten seitens der Messsignalempfänger die relevanten Frequenzen und Amplituden des Zeitspektrums oder eines transformierten – z.B. fouriertransformierten – Spektrums herausfiltert, die signifikant für die Zustandsbewertung des Rotorblatts sind.This transfer unit upstream is preferably a signal preprocessing unit. To the transmission The measuring signals are analyzed by the rotating shaft in an evaluation unit. from the received measurement signals or from the in correlation with the over the exciters fed signals received signal responses on the part the measuring signal receiver the relevant frequencies and amplitudes of the time spectrum or a transformed - e.g. Fourier transformed spectrum which filters out significantly for the condition assessment of the rotor blade are.
Im Unterschied zur Modalanalyse, die die Schwingungsformen z.B. auf den Tragflächen und am Rumpf eines Flugzeuges analysiert, und zur Methode der Transferfunktionen werden hierbei die akustischen Spektren des Systems sowie die Messung und die Auswertung der Eigenfrequenzen, Eigengeräusche, Laufsignal- oder Reflexionseffekte berücksichtigt.in the Difference to the modal analysis showing the waveforms e.g. on the wings and analyzed on the fuselage of an airplane, and on the method of transfer functions Here, the acoustic spectra of the system and the measurement and the evaluation of the natural frequencies, self-noise, running signal or reflection effects considered.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass nur mit selbst- und fremd angeregten Schwingungen und Impulsen für diagnostische Zwecke, deren Amplituden nicht in den Bereich allgemeiner Bauelementeschwingungen reichen, der Rotorblattzustand überwacht wird.The inventive method based on the fact that only with self-excited and foreign excited vibrations and impulses for diagnostic purposes whose amplitudes are not in the area of general Component vibrations range, the rotor blade state monitors becomes.
Zweckmäßig ist es, dass die Rotorblätter von Windkraftanlagen zumindest im Bereich der Rotorblattfüße verdreht/verstellt werden können, bzw. bei den stallgeregelten aerodynamische Bremsen aktiviert werden, damit die Windkräfte nicht mehr einwirken können und somit die Rotation auf ein Umdrehungszahlminimum verringert oder sogar beendet werden kann, was eigentlich die Abschaltung oder das Abfahren der Windkraftanlage bedeutet.Is appropriate it, that the rotor blades rotated by wind turbines at least in the area of the rotor blade feet / adjusted can be or activated in the stall-controlled aerodynamic brakes, so that the wind forces can no longer act and thus reduces the rotation to a minimum number of revolutions or even stop what is actually the shutdown or that Shut down the wind turbine means.
Weiterbildungen und zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.further developments and additional Embodiments of the invention are described in further subclaims.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.The Invention is based on an embodiment explained in more detail by means of several drawings.
Es zeigen:It demonstrate:
In
Die
Im
Material des Blattflügels
In
Durch
den in
Für die Aktorsignale
ist eine entsprechende Einrichtung mit Umkehr der Sende-/Empfangsrichtung
vorhanden, die in
In
Die
Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit
In
Der
programmierbare Schall-/Impulsgenerator
Auf
einem Massendatenspeicher, wie es der Festplattenspeicher
Im
Folgenden werden die
Die
Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinrichtung
In
In
Zwischen
den Erregersignalübertragungs-Vor-
und den Erregersignalübertragungs-Nachverarbeitungseinheiten
(
In
Das
Verfahren wird für
das Rotorblatt
Dem
Verfahren ist ein Softwareprogramm-Modul
- – Ein
Modul
41 zur Messprozesssteuerung, - – ein
Modul
42 zur Messsignalaufbereitung, - – ein
Vergleichsmodul
46 , - – ein
Modul
47 zur Feststellung des Normalzustandes, - – ein
Weiterbetriebsentscheidungs-Modul
56 , - – ein
Modul
48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes, - – ein
Modul
52 zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung, wobei das Modul48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul56 in Verbindung stehen kann.
- - One module
41 for measuring process control, - - a module
42 for measuring signal conditioning, - - a comparison module
46 . - - a module
47 to determine the normal condition, - - a business continuation decision module
56 . - - a module
48 for the determination of a disturbed condition, - - a module
52 signaling for a mode change, wherein the module48 for determining a fault condition optionally with the further-operation decision module56 can be connected.
Der
Messzyklus wird ausgelöst
in dem Modul
Handelt
es sich nach dem Vergleich um einen Normalzustand, so wird dem Leitrechner
Handelt
es sich nach dem Vergleich um einen gestörten Zustand, so wird im Fall
eines sicher festgestellten erhebli chen Schadens Einfluss auf den Maschinenbetrieb
genommen, indem über
die Schnittstelle
Wird
der Schaden beim Spektrenvergleich als nicht erheblich detektiert,
so werden aus der Zuordnungstabelle zum Spektrum vom Massenspeicher
Gibt
es für
das gemessene Spektrum, das einer Störung zuzuordnen ist, kein passendes
Vergleichsspektrum, so wird dem Leitrechner
Das
erfindungsgemäße Verfahren
basiert auf der Nutzung von Eigenfrequenzen und Körperschall
sowie Schall-Lauf- und -Reflexionsverhalten, da diese akustischen
Eigenschaften eng mit dem Zustand eines Rotorblatts
Gemessen und ausgewertet werden die Eigenfrequenzspektren, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren auf Sende-Schall- oder Impuls-Signale sowie Betriebseigengeräusche. Die empfangenen und die daraus durch Transformation gewonnenen Signal-Spektren werden hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden, aber auch hinsichtlich von Gesamtheiten wie Frequenzbanden und Frequenz-Amplitudengruppen bewertet.Measured and evaluated are the natural frequency spectra, continuous and Reflection signal spectra on transmitted-sound or impulse signals as well as operating noise. The received and derived from it by transformation signal spectra be considered in terms of their individual specific frequency and amplitudes, but also in terms of entities such as frequency bands and frequency amplitude groups rated.
Auf der Grundlage von vorher durch Modellrechnungen und durch experimentelle Untersuchungen an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern bestimmten Frequenz- und Amplituden-Spektren bzw. Spektrenformen/-Banden, die eindeutig bestimmten Rotorblattzuständen, den schadfreien und den bestimmten Schäden zuzuordnenden Zuständen, zugeordnet werden können, werden mit den empfangenen Ist-Frequenz- und Ist- Amplituden-Spektren sowie Ist-Spektrenformen/-Banden verglichen.On the basis of previously through model calculations and through experimental Investigations on undamaged and damaged rotor blades certain frequency and amplitude spectra or spectra forms / bands, the uniquely determined rotor blade conditions, the damage-free and the certain damages states to be assigned, can be assigned are compared with the received actual frequency and actual amplitude spectra as well as actual spectra forms / bands.
Bei
Abweichungen wird zunächst
zumindest eine Anzeige erhalten, ob die Abweichung einem Schadzustand
zugeordnet werden kann, der Anlass gibt, Einfluss auf den Betrieb
der Windkraftanlage
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Gewinnung von objektiven Bewertungsdaten, was mit den derzeit durchgeführten visuellen Betrachtungen nur eingeschränkt gegeben ist.One Advantage of the method according to the invention lies in the production of objective evaluation data, which coincides with the currently performed visual considerations is limited.
Die
Erfindung eröffnet
die Möglichkeit,
dass die Schadstellen
Aufgrund
der Erkennung von Schäden
in den Rotorblättern
Insbesondere
bei den Schichtwerkstoffen der Rotorblätter
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit der Materialprüfung des Rotorblattes bereits vor dem Einbau an der Windkraftanlage, indem das jeweilige Rotorblatt zunächst im Werk, dann vor Ort nach dem Transport und während der Montage akustischen Untersuchungen unterzogen wird und die Signale mit standardisierten Sollwerten verglichen werden. Liegen die Signalwerte innerhalb einer vorgegebenen Toleranzbreite, kann ein qualitätssicherer Zustand der Rotorblätter definiert werden.One Another advantage of the invention is the possibility of material testing of Rotor blade already before installation at the wind turbine by the respective rotor blade first at the factory, then on site after transport and during installation acoustic Investigations are carried out and the signals with standardized Setpoints are compared. Are the signal values within one predetermined tolerance width, a quality-assured state of the rotor blades can be defined become.
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