DE102005031436A1

DE102005031436A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung einer elastomechanischen Tragstruktur

Info

Publication number: DE102005031436A1
Application number: DE102005031436A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl.-Ing. Reetz
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: REETZ, JOHANNES, DIPL.-ING., 30161 HANNOVER, DE
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-05
Also published as: WO2007003173A2; DE102005031436B4; WO2007003173A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 5 zur Überwachung einer elastomechanischen Tragstruktur 1, insbesondere eines einen Rotor und einen den Rotor tragenden Turm aufweisenden Windrades einer Windenergieanlage, mit zumindest einem an der Tragstruktur 1 angeordneten Schwingungsaufnehmer 6, mit einer Auswerteeinheit 14 zur Bestimmung von momentanen Eigenfrequenzen der Tragstruktur 1 auf Grundlage eines Sensorsignals des Schwingungsaufnehmers 6 und zur Bestimmung von momentanen Parametern einer bezüglich potentiellen Schädigungsbereichen 2, 3, 4 der ursprünglich ungeschädigten Tragstruktur 1 parametrisierten Steifigkeitsmatrix und/oder Trägheitsmatrix der Tragstruktur 1 auf Grundlage der momentanen Eigenfrequenzen, mit einer Diagnoseeinheit 15 zum Vergleich der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix mit den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix und mit einer Ausgabeeinheit 16 zur Ausgabe einer Zustandsmitteilung über einen Zustand der Tragstruktur 1 bei einer Abweichung der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix von den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer elastomechanischen Tragstruktur mittels einer Vorrichtung der vorgenannten Art.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer elastomechanischen Tragstruktur, insbesondere eines einen Rotor und einen den Rotor tragenden Turm aufweisenden Windrades einer Windenergieanlage. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer elastomechanischen Tragstruktur mittels einer vorgenannten Vorrichtung.

Ein grundsätzliches Problem von Tragkonstruktionen, allgemein Tragstrukturen, ist ihre Lebensdauerbegrenzung aufgrund von im Zeitverlauf eintretenden Strukturschäden. Ein geläufiges Hilfsmittel zur Instandhaltung solcher Tragkonstruktionen sind insbesondere bei nur schwer zugänglichen Tragkonstruktionen auch unter der Bezeichnung Condition Monitoring Systems (CMS) bekannte Zustandsüberwachungssysteme. Solche Zustandsüberwachungssysteme sollen ein frühzeitiges Erkennen von Strukturschäden der Tragkonstruktion ermöglichen, so dass durch geeignete Maßnahmen, zum Beispiel durch einen Austausch eines Bauteiles der Tragkonstruktion, Folgeschäden an der Tragkonstruktion und/oder im Umfeld der Tragkonstruktion gegebenenfalls vermieden werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine präzise Überwachung der Tragstruktur ermöglicht. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung der Tragstruktur mittels einer solchen Vorrichtung anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit zumindest einem an der Tragstruktur angeordneten Schwingungsaufnehmer, mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung von momentanen Eigenfrequenzen der Tragstruktur auf Grundlage eines Sensorsignales des Schwingungsaufnehmers und zur Bestimmung von momentanen Parametern einer bezüglich potentiellen Schädigungsbereichen der ursprünglichen ungeschädigten Tragstruktur parametrisierten Steifigkeitsmatrix und/oder Trägheitsmatrix der Tragstruktur auf Grundlage der momentanen Eigenfrequenzen, mit einer Diagnoseeinheit zum Vergleich der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix mit den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix und mit einer Ausgabeeinheit zur Ausgabe einer Zustandsmitteilung über einen Zustand der Tragstruktur bei einer Abweichung der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix von den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße, elektrisch, insbesondere auch elektronisch, arbeitende Vorrichtung ist somit geeignet für eine Zustandsüberwachung einer elastomechanischen Tragstruktur, das heißt eines unter Einwirkung von äußeren Kräften elastischen Formänderungen und Spannungen unterliegenden elastisch festen Tragkörpers, und bietet den Vorteil einer besonders zuverlässigen und präzisen Information über Zustandsänderungen der Tragstruktur. Die Zustandsüberwachung ist vorzugsweise eine Schadensüberwachung, so dass mit der Vorrichtung eine Schadensfrüherkennung ermöglicht ist. Die Erfindung ist vielseitig einsetzbar; so kann die Tragstruktur beispielsweise ein Ingenieurbauwerk, zum Beispiel ein Kirchturm, ein Schornstein, ein Mast, eine Antenne oder eine Brücke, sein. Es ist aber beispielsweise auch denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes eines Flügels eines Luftfahrzeuges einzusetzen. Auch kann mittels der Erfindung zum Beispiel eine Überwachung eines natürlichen Objektes, beispielsweise eines älteren, hohen Baumes, vorgenommen werden. Vorzugsweise kann die Erfindung aber einer Überwachung einer Windenergieanlage dienen, wobei die Tragstruktur insbesondere den Turm der Windenergieanlage umfasst. Es sind mit der Vorrichtung vorteilhaft ein oder mehrere potentielle Schädigungsbereiche der Tragstruktur untersuchbar und überwachbar. Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass die potentiellen Schädigungsbereiche, die zum Beispiel Verbindungsstöße, Wechseltauchzonen (insbesondere bei im Meer aufgebauten Windenergieanlagen), Kolkbereiche, Querschnittssprünge und/oder Bereiche der Tragstruktur, die als erste Glieder einer möglichen Versagenskette anzusehen sind, umfassen können, bei einem eintretenden Schaden ihre Steifigkeit und/oder Masse ändern, wodurch sich das Tragverhalten der Tragstruktur in regelmäßig unerwünschter Weise verändert. Insbesondere können mit der Erfindung Ermüdungsschäden an der Tragstruktur verhindert werden. Eine Beobachtung einer Steifigkeitsänderung kann unter Zuhilfenahme der Steifigkeitsmatrix erfolgen, eine Beobachtung einer Masseänderung kann unter Zuhilfenahme der Trägheitsmatrix erfolgen, wobei vorteilhaft ausgehend von Steifigkeitsmatrix und Trägheitsmatrix sowohl eine Steifigkeits- als auch eine Masseänderung erkennbar ist. Es ist ausreichend, einen einzigen Schwingungsaufnehmer, das heißt einen Sensor zur Messung von Schwingungsgrößen, vorzusehen, jedoch können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch mehrere Schwingungsaufnehmer zur Anwendung kommen. Insbesondere kann auch an einem Messpunkt gleichzeitig in verschiedenen Richtungen, insbesondere in allen Raumrichtungen, gemessen werden. Vorzugsweise kann mit der Diagnoseeinheit zusätzlich auch ein Vergleich der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix mit entsprechenden Parametern von Zuständen der Tragstruktur, die zwischen dem Ursprungszustand und dem momentanen Zustand der Tragstruktur liegen, vorgenommen werden. Vorteilhaft kann auf diese Weise auch der zeitliche Verlauf des Zustandes beobachtet und beispielsweise eine Trendanalyse durchgeführt werden.

Es ist beispielhaft vorstellbar, dass der Schwingungsaufnehmer mit der Auswerteeinheit verkabelt ist. Hingegen ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein mit dem Schwingungsaufnehmer verbundener Sender zur Übermittlung des Sensorsignales des Schwingungsaufnehmers über eine Fernübertragungsstrecke zu einem Empfänger vorgesehen, und die Auswerteeinheit ist mit dem Empfänger verbunden. Auf diese Weise kann mit der Erfindung eine Tragstruktur überwacht werden, die in sehr großer Entfernung zu der Auswerteeinheit und somit zu einem Bediener der Vorrichtung angeordnet ist. Insbesondere kann mit einer solchen Vorrichtung auf einfache Weise eine Überwachung einer im Meer angeordneten, Oft-Shore-Windenergieanlage vom Festland aus vorgenommen werden. Vorzugsweise sind als Sender ein Funksender, als Empfänger ein Funkempfänger und als Fernübertragungsstrecke eine Funkfernübertragungsstrecke vorgesehen.

Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Schwingungsaufnehmer zum Beispiel ein Wegaufnehmer oder ein beispielsweise Dehnungsmessstreifen aufweisender Aufnehmer oder auch ein Lasermessgerät ist. Besonders vorteilhaft für eine hohe Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei gleichzeitig einfachem und vergleichsweise kostengünstigem Aufbau ist es hingegen, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Schwingungsaufnehmer einen Geschwindigkeitsaufnehmer und/oder einen Beschleunigungsaufnehmer umfasst. Grundsätzlich ist es für die Erfindung nicht erforderlich, dass der Schwingungsaufnehmer eine Schwingungsgröße absolut richtig aufnimmt, sondern es muss lediglich das Sensorsignal eine richtige Bestimmung der Eigenfrequenzen zulassen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Ausgabeeinheit, die grundsätzlich in beliebiger Weise zu einer Informationsübermittlung ausgestaltet sein kann, einen Bildschirm und/oder einen Drucker auf, so dass in einfacher Weise eine Visualisierung der mit der Vorrichtung durchgeführten Überwachung vorgenommen werden kann.

Für eine vereinfachte Auswertbarkeit und Weiterverarbeitbarkeit des Sensorsignales ist gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zwischen dem Schwingungsaufnehmer und der Auswerteeinheit, und zwar insbesondere zwischen dem Schwingungsaufnehmer und dem Sender, eine Verarbeitungseinheit zur Bildung des Sensorsignales aus zumindest einer Ausgangsgröße des Schwingungsaufnehmers angeordnet. Die Verarbeitungseinheit, die allgemein auch als Zwischenglied bezeichnet werden könnte, übernimmt die Verstärkung und Verarbeitung der elektrischen Ausgangsgröße des Schwingungsaufnehmers.

Die oben zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, wobei der Schwingungsaufnehmer eine das Sensorsignal bildende Schwingungsgröße einer durch Schwingungsanregung der Tragstruktur hervorgerufenen Schwingung der Tragstruktur aufnimmt, wobei aus der Schwingungsgröße mittels der Auswerteeinheit die momentanen Eigenfrequenzen der Tragstruktur bestimmt werden, wobei aus den momentanen Eigenfrequenzen mittels einer in der Auswerteeinheit abgelegten, ein dynamisches Verhalten der ungeschädigten Tragstruktur beschreibenden und bezüglich potentiellen Schädigungsbereichen der Tragstruktur parametrisierten Steifigkeitsmatrix und/oder Trägheitsmatrix momentane Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix bestimmt werden, wobei die derart bestimmten momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix mittels der Diagnoseeinheit mit den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix verglichen werden und wobei bei einer Abweichung der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix von den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix mittels der Ausgabeeinheit eine Zustandsmitteilung über einen Zustand der Tragstruktur ausgegeben wird. Die weiteren Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet vorteilhaft auf der Grundlage von mit einem nur geringen Aufwand messbaren Größen. Probleme, wie sie bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen auftreten und die insbesondere unvollständige Messdaten und/oder eine die Aussagegenauigkeit wesentlich verschlechternde Modellreduktionen betreffen, werden mit der Erfindung zuverlässig vermieden. Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft auch dann eine Zustandsmitteilung erfolgen, wenn keine Abweichung der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix von den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix vor liegt. Das Verfahren ist vorteilhaft zum Beispiel bei als Off-Shore-Bauwerke oder als landgebundene Ingenieurbauwerke oder als Verkehrsmittel ausgebildeten Tragstrukturen einsetzbar. Die Schwingungsanregung der Tragstruktur kann vorteilhaft von außen und natürlich erfolgen, zum Beispiel bei einem Turm eines Off-Shore-Windrades durch Luftbewegungen (Wind) oder Meereswasserwellen oder seismische Bewegungen. Die Steifigkeitsmatrix und die Trägheitsmatrix werden von Modellmatrizen gebildet, wobei die Parametrisierung der Modellmatrizen zum Erzielen einer Schädigungsaussage so erfolgt, dass die Parameter zu den für Strukturschäden prädestinierten Strukturbereichen, allgemein Schädigungsbereichen, gehören; beispielsweise kann es sich bei den Schädigungsbereichen um Bereiche mit der kürzesten zu erwartenden Lebensdauer handeln. Diese an der Tragstruktur zu untersuchenden Bereiche sind frei wählbar, und es werden beispielsweise in einem das dynamische Verhalten der ungeschädigten Tragstruktur beschreibenden Modell der Tragstruktur die zu den gewählten Schädigungsbereichen gehörenden Steifigkeits- und/oder Trägheitsmatrix parametrisiert, wobei die Anzahl der in einem Durchgang zu bestimmenden momentanen, das heißt aktuellen, Parameter kleiner oder gleich der Anzahl der an der Tragstruktur zuverlässig bestimmbaren Eigenfrequenzen der Tragstruktur ist. Zur Parameterermittlung werden modale Größen der Tragstruktur verwendet, wozu die experimentelle Modalanalyse angewendet werden kann. Von besonderem Vorteil ist bei der Erfindung, dass lediglich die Eigenfrequenzen als modale Größen bestimmt werden müssen. Die experimentelle Modalanalyse liefert die modalen Größen der Struktur und ermöglicht eine Beobachtung der Entwicklung dieser Größen. Beispielsweise können vorteilhaft Ausgangsmessungen aus natürlicher Anregung der Tragstruktur, zum Beispiel aufgrund Luftbewegungen, erfolgen. Von besonderem Vorteil ist, dass bei der Erfindung die Eigenfrequenzen mit hoher Genauigkeit bei nur geringem Messaufwand bestimmt werden können. Die derart bestimmten Eigenfrequenzen kommen bevorzugt in regelmäßigen Abständen der Parameterbestimmung zu. Beispielhaft erfolgt aus einer bestimmten Anzahl k von Eigenfrequenzen und den parametrisierten Modellmatrizen eine Bestimmung der momentanen Parameter, deren Anzahl n mit der Anzahl k der Eigenfrequenzen übereinstimmt. Dazu wird für eine gleiche Anzahl k von Modellgleichungen das Multiparametereigenwertproblem gelöst, wobei simultan die Anzahl k der Modellgleichungen im Vektorraum der Eigenwertprobleme gelöst wird. Ein der zu untersuchenden Tragstruktur aufgrund einer physikalisch-mechanischen Plausibilitätsüberprüfung sowie einer Übereinstimmung der Eigenfrequenzen nächstkommender Parametersatz gibt die momentanen Parameter an. Ausgehend von den momentanen Parametern wird eine Schadensbeurteilung für alle betrachteten Schädigungsbereiche gestellt. Die ursprünglichen Parameter, das heißt die Parameter der ungeschädigten Tragstruktur, sind grundsätzlich gleich 1, die momentanen Parameter können von 1 abweichen und zeigen bei einer solchen Abweichung von 1 eine Änderung der Steifigkeit beziehungsweise der Masse der Tragstruktur in dem jeweiligen Schädigungsbereich an. Der Betrag der momentanen Parameter gibt jeweils das Verhältnis der momentanen Steifigkeit beziehungsweise Masse zu der Ausgangssteifigkeit beziehungsweise Ausgangsmasse des jeweiligen Schädigungsbereiches der Tragstruktur an. Von besonderem Vorteil ist bei der Erfindung, dass keine Annäherung an eine Lösung vorgenommen wird, sondern dass eine direkte Lösung gefunden wird. Die Erfindung nutzt vorteilhaft den Umstand, dass sich selbst bei nur kleinen Zustandsänderungen, insbesondere Schädigungen, der Tragstruktur deren Eigenfrequenzen feststellbar ändern.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Schwingungsgröße mittels des Senders über eine Fernübertragungsstrecke an den Empfänger übertragen, so dass das Verfahren als Ferndiagnoseverfahren ohne örtliche Zuordnung der Auswerteeinheit und insbesondere der Ausgabeeinheit zu der zu überwachenden Tragstruktur eingesetzt werden kann. Von Vorteil bei vorgenannter Weiterbildung ist insbesondere, dass aus einer Fernüberwachung der elastomechanischen Tragstruktur eine aussagekräftige Schadensbeurteilung vorgenommen werden kann.

Die Zustandsmitteilung kann vorteilhaft eine besonders hohe Informationsdichte und Aussagekraft aufweisen, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Zustandsmitteilung eine Angabe eines Schädigungsbereiches und/oder eine Angabe einer Größe einer Zustandsänderung umfasst. Vorzugsweise ist die Zustandsmitteilung eine Schadensmitteilung, und die Größe der Zustandsänderung ist eine Schadensgröße. Die Schädigungsmitteilung liefert vorteilhaft eine Aussage über ein Vorhandensein von Strukturschäden der Tragstruktur, deren Ort und deren Ausmaß.

Der Schwingungsaufnehmer könnte die Schwingungsgröße grundsätzlich fortwährend und ohne Unterbrechung aufnehmen. Jedoch ist es zur Reduzierung der von der Schwingungsgröße verursachten Datenmenge und für einen niedrigen Verbrauch elektrischer Energie für das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung der Schwingungsaufnehmer die Schwingungsgröße in regelmäßigen Zeitabständen aufnimmt. Dabei steigt die Überwachungsgenauigkeit, um so kürzer diese Zeitabstände sind.

Eine sehr exakte Aussage über den Zustand der Tragstruktur lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewinnen, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung die zur Ermittlung der momentanen Parameter herangezogenen momentanen Eigenfrequenzen mit Hilfe einer experimentellen Modalanalyse bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders schnell und zuverlässig, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die momentanen Parameter mittels einer inversen Parameteridentifikation auf Grundlage eines Multiparametereigenwertproblems bestimmt werden.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon als Ausführungsbeispiel schematisiert in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine Vorrichtung zur Überwachung einer elastomechanischen Tragstruktur.
In der einzigen Figur ist eine von einem Turm, insbesondere einem einen Rotor tragenden Turm einer hier nicht weiter dargestellten Oft-Shore-Windenergieanlage, gebildete elastomechanischen Tragstruktur 1 gezeigt. Ein, insbesondere auf einem Meeresboden verankertes, Fundament 17 trägt die Tragstruktur 1. Die Tragstruktur 1 weist als zu untersuchende und zu überwachende Details drei potentielle Schädigungsbereiche 2, 3, 4 auf, deren Eigenschaften mittels einer Vorrichtung 5 zur Überwachung der Tragstruktur 1 beobachtet werden sollen. Die Schädigungsbereiche 2, 3, 4 verändern bei einem sich zumindest abzeichnenden, spätestens aber bei einem bereits eintretenden Schaden jeweils ihre Steifigkeit, wodurch sich das Tragverhalten der Tragstruktur 1 verschlechtert. Dabei kann es sein, dass entweder nur an einem der Schädigungsbereiche 2, 3, 4 ein Schaden auftritt oder dass an mehreren der Schädigungsbereiche 2, 3, 4 ein Schaden auftritt.
An der Tragstruktur 1 ist ein als Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer ausgebildeter Schwingungsaufnehmer 6 angeordnet, mittels dessen eine Schwingungsgröße der Tragstruktur 1 gemessen wird. Mit dem Schwingungsaufnehmer 6 ist eine einer Verstärkung und Verarbeitung einer die Schwingungsgröße abbildenden elektrischen Ausgangsgröße des Schwingungsaufnehmers 6 dienende Verarbeitungseinheit 7 elektrisch verbunden. Die Verarbeitungseinheit 7 umfasst einen Verstärker, einen A/D-Wandler sowie gegebenenfalls eine Signalverarbeitungseinheit und gibt an einem Ausgang 8 ein Informationen über das momentane dynamische Verhalten der Tragstruktur 1 umfassendes elektrisches Sensorsignal des Schwingungsaufnehmers 6 aus.
Mittels eines mit der Verarbeitungseinheit 8 durch eine elektrische Leitung 9 verbundenen Senders 10 wird das Sensorsignal über eine Fernübertragungsstrecke 11 zu einem Empfänger 12 übertragen. Der Empfänger 12 ist durch eine elektrische Leitung 13 mit einer Auswerteeinheit 14 zur Bestimmung von momentanen Eigenfrequenzen der Tragstruktur 1 auf Grundlage des Sensorsignales des Schwingungsaufnehmers 6 und zur Bestimmung von momentanen Parametern einer bezüglich der potentiellen Schädigungsbereiche 2, 3, 4 der ursprünglichen ungeschädigten Tragstruktur 1 parametrisierten Steifigkeitsmatrix und einer entsprechend parametrisierten Trägheitsmatrix der Tragstruktur 1 auf Grundlage der momentanen Eigenfrequenzen verbunden. Grundsätzlich ist aber nur die parametrisierte Steifigkeitsmatrix oder die parametrisierte Trägheitsmatrix erforderlich; im Allgemeinen findet die parametrisierte Steifigkeitsmatrix Anwendung, wenn eine Beobachtung und Zustandsüberwachung von Details der Tragstruktur gefragt ist, deren vorrangig sich ändernde Eigenschaft die Steifigkeit ist, wohingegen die parametrisierte Trägheitsmatrix Anwendung findet, wenn eine Beobachtung und Zustandsüberwachung von Details der Tragstruktur gefragt ist, deren vorrangig sich ändernde Eigenschaft die Masse ist, und es kann auch eine Kombination aus beidem vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 14 umfasst eine mathematische Beschreibung des dynamischen Verhaltens der ungeschädigten Tragstruktur 1 in Form von Modellmatrizen aufweisenden Modellgleichungen, vorteilhaft zum Beispiel ein FE(=Finite-Elemente)-Modell der ungeschädigten Tragstruktur 1, wobei die zu den potentiellen Schadensbereichen 2, 3, 4 gehörenden Anteile der Modellmatrizen parametrisiert sind.
Außerdem umfasst die Auswerteeinheit 14 eine Signalverarbeitungseinheit zur Bestimmung der momentanen Eigenfrequenzen der Tragstruktur 1 aus dem Sensorsignal des Schwingungsaufnehmers 6 sowie eine Einheit zu einer inversen Parameteridentifikation auf Grundlage eines Multiparametereigenwertproblems, wobei aus den oben genannten parametrisierten Modellmatrizen und den vorgenannten momentanen, das heißt aktuellen, Eigenfrequenzen die momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix und der Trägheitsmatrix bestimmt werden. Bei einer Änderung in der Parametrisierung der Modellmatrizen können mit den modalen Größen aus der Eingenfrequenzbestimmung entsprechend andere potentielle Schädigungsbereiche untersucht werden.
In einer der Auswerteeinheit 14 nachgeschalteten Diagnoseeinheit 15 werden die momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix und der Trägheitsmatrix mit den ursprünglichen Parametern, das heißt den der ungeschädigten Tragstruktur 1 zugehörigen Parametern, und gegebenenfalls zusätzlich mit Parametern von Zuständen der Tragstruktur, die zwischen dem Ursprungszustand und dem momentanen Zustand der Tragstruktur liegen, verglichen. Die Diagnoseeinheit 15 kann auch in die Auswerteeinheit 14 integriert sein.
Der Diagnoseeinheit 15 nachgeschaltet ist eine Ausgabeeinheit 16 zur Ausgabe einer Zustandsmitteilung, insbesondere einer Schädigungsmitteilung, über einen momentanen Zustand, insbesondere eine Schädigung, der Tragstruktur 1. Eine solche Zustandsmitteilung wird zumindest dann ausgegeben, wenn die momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix oder die momentanen Parameter der Trägheitsmatrix von den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix abweichen. Eine Abweichung ist ein Indiz für eine Veränderung, und zwar insbesondere eine Schädigung, in einem dem jeweiligen Parameter zugehörigen potentiellen Schädigungsbereich. Von Vorteil ist es, wenn mittels der Ausgabeeinheit nicht nur eine allgemeine Zustandsmitteilung ausgegeben wird, sondern wenn gleichzeitig eine Angabe über die Größe der Zustandsänderung, das heißt der Zustandsabweichung, sowie über den konkreten Schädigungsbereich der insgesamt betrachteten potentiellen Schädigungsbereiche 2, 3, 4 erfolgt; ein Benutzer erhält dann Informationen darüber, ob sich ein Parameter geändert hat und somit eine Änderung der Steifigkeit und/oder der Trägheit, insbesondere also eine sich zumindest abzeichnende Schädigung, erfolgt ist, ferner darüber, wo die Änderung aufgetreten ist, das heißt zu welchem der betrachteten potentiellen Schädigungsbereiche der Parameter gehört, und weiterhin darüber, wie groß die Änderung ist, also wie groß die Parameteränderung ist und damit wie groß die Reststeifigkeit und/oder Restträgheit der Tragstruktur in dem vorgenannten konkreten Schädigungsbereich ist. Die Zustandsmitteilung kann zum Beispiel in einem hier nicht dargestellten Datennetzwerk protokolliert oder weiterverarbeitet werden.
Liegt das Hauptaugenmerk darauf, mit der Vorrichtung 5 eine Schadensfrüherkennung für die Tragstruktur 1 vorzunehmen, so sind Änderungen in der Steifigkeit der Tragstruktur 1 von hauptsächlicher Bedeutung, so dass von der parametrisierten Steifigkeitsmatrix auszugehen ist. Eine Kombination aus der Berücksichtigung der parametrisierten Steifigkeitsmatrix und der parametrisierten Trägheitsmatrix kann zum Beispiel dann vorteilhaft sein, wenn an der zu überwachenden Tragstruktur Umbauten oder Änderungen im Füllungsgrad von Behältern (das heißt deren Befüllung oder Entleerung), welche zu Masseveränderungen der Tragstruktur 1 führen, vorgenommen werden.

Claims

Vorrichtung (5) zur Überwachung einer elastomechanischen Tragstruktur (1), insbesondere eines einen Rotor und einen den Rotor tragenden Turm aufweisenden Windrades einer Windenergieanlage, – mit zumindest einem an der Tragstruktur (1) angeordneten Schwingungsaufnehmer (6), – mit einer Auswerteeinheit (14) zur Bestimmung von momentanen Eigenfrequenzen der Tragstruktur (1) auf Grundlage eines Sensorsignales des Schwingungsaufnehmers (6) und zur Bestimmung von momentanen Parametern einer bezüglich potentiellen Schädigungsbereichen (2, 3, 4) der ursprünglichen ungeschädigten Tragstruktur (1) parametrisierten Steifigkeitsmatrix und/oder Trägheitsmatrix der Tragstruktur (1) auf Grundlage der momentanen Eigenfrequenzen, – mit einer Diagnoseeinheit (15) zum Vergleich der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix mit den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix – und mit einer Ausgabeeinheit (16) zur Ausgabe einer Zustandsmitteilung über einen Zustand der Tragstruktur (1) bei einer Abweichung der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix von den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Schwingungsaufnehmer (6) verbundener Sender (10) zur Übermittlung des Sensorsignales des Schwingungsaufnehmers (6) über eine Fernübertragungsstrecke (11) zu einem Empfänger (12) vorgesehen ist und dass die Auswerteeinheit (14) mit dem Empfänger (12) verbunden ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaufnehmer (6) einen Geschwindigkeitsaufnehmer und/oder einen Beschleunigungsaufnehmer umfasst.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (16) einen Bildschirm und/oder einen Drucker aufweist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schwingungsaufnehmer (6) und der Auswerteeinheit (14) eine Verarbeitungseinheit (7) zur Bildung des Sensorsignales aus zumindest einer Ausgangsgröße des Schwingungsaufnehmers (6) angeordnet ist.
Verfahren zur Überwachung einer elastomechanischen Tragstruktur mittels einer Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaufnehmer eine das Sensorsignal bildende Schwingungsgröße einer durch Schwingungsanregung der Tragstruktur hervorgerufenen Schwingung der Tragstruktur aufnimmt, dass aus der Schwingungsgröße mittels der Auswerteeinheit die momentanen Eigenfrequenzen der Tragstruktur bestimmt werden, dass aus den momentanen Eigenfrequenzen mittels einer in der Auswerteeinheit abgelegten, ein dynamisches Verhalten der ungeschädigten Tragstruktur beschreibenden und bezüglich potentiellen Schädigungsbereichen der Tragstruktur parametrisierten Steifigkeitsmatrix und/oder Trägheitsmatrix momentane Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix bestimmt werden, dass die derart bestimmten momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix mittels der Diagnoseeinheit mit den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix verglichen werden und dass bei einer Abweichung der momentanen Parameter der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix von den ursprünglichen Parametern der Steifigkeitsmatrix beziehungsweise der Trägheitsmatrix mittels der Ausgabeeinheit eine Zustandsmitteilung über einen Zustand der Tragstruktur ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsgröße mittels des Senders über eine Fernübertragungsstrecke an den Empfänger übertragen wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsmitteilung eine Angabe eines Schädigungsbereiches und/oder eine Angabe einer Größe einer Zustandsänderung umfasst.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsaufnehmer die Schwingungsgröße in regelmäßigen Zeitabständen aufnimmt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ermittlung der momentanen Parameter herangezogenen momentanen Eigenfrequenzen mit Hilfe einer experimentellen Modalanalyse bestimmt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die momentanen Parameter mittels einer inversen Parameteridentifikation auf Grundlage eines Multiparametereigenwertproblems bestimmt werden.