DE102009039030A1

DE102009039030A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung der Belastung drehbar gelagerter Rotorblätter

Info

Publication number: DE102009039030A1
Application number: DE102009039030A
Authority: DE
Inventors: Edwin Dr. Becker; Johann Lösl
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-03
Also published as: EP2290235A2; EP2290235A3; EP2290235B1; DK2290235T3; ES2586468T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Belastung von Rotorblättern, insbesondere von Windenergieanlagen mit drehbar gelagerten Rotorblättern, wobei die Belastung der Rotorblätter über die Verformung eines Lagerrings des drehbaren Rotorblatts ermittelt wird. Dies geschieht kostengünstig mit Näherungssensoren, kann aber in vorteilhafter Weise auch über faseroptische Sensoren erfolgen. In einer elektronischen Auswertevorrichtung wird die Verformung des Lagerrings in Bezug gesetzt zur Belastung des Rotorblatts. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Inklinometer vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der Belastung von Rotorblättern, wenn diese in einer drehbaren Lagerung aufgehängt sind. Solche drehbar gelagerten Rotorblätter finden Verwendung in Windenergieanlagen, aber auch in Helikoptern.
Aus der US 2009 169 357 A1 ( EP 2 075 561 A2 ) sind Verfahren und Vorrichtung bekannt, mit denen Rotorblattbelastungen gemessen werden. Dabei werden Näherungssensoren oder Dehnungsmessstreifen verwendet. Bevorzugt ist dabei die Anbringung dieser Sensoren an oder in der Nähe der Hauptwelle beziehungsweise in der Nähe der Lager für die Winkelverstellung der Rotorblätter. Diese Anmeldung beschäftigt sich mit der Problematik zweier Koordinatensysteme für die Messung in Bezug auf die Gondel einer Windenergieanlage und in Bezug auf die Rotornabe.
In der WO 2009 095 025 A1 wird vorgeschlagen, die Belastung von Rotorblättern mit FBG-Sensoren in den Rotorblättern zu messen.
Aus der zum Anmeldezeitpunkt noch nicht veröffentlichten DE 10 2008 061 551.6 ist weiter eine Vorrichtung bekannt, mit der die Verformung eines Lagerrings mit einem faseroptischen Sensor ermittelt werden kann.
Die direkte Messung der Belastung von Rotorblättern ist deshalb mit Problemen verbunden, weil Dehnungsmessstreifen entweder unzuverlässig sind oder, wenn sie faseroptisch ausgeführt werden, sehr teuer sind. Auch sollte die direkte Messung der Belastung der Rotorblätter über die Länge des Rotorblatts verteilt erfolgen, was bei den heutigen Ausdehnungen der Rotorblätter von über 50 m schwierig ist. Bei drehbar gelagerten Rotorblättern kommt weiter das Problem hinzu, dass die Versorgung der Sensoren und die Ausleitung ihrer Signale in die Steuerung, die bei Windenergieanlagen üblicherweise in der Gondel angebracht ist, mit Schleifringen oder drahtlos über zwei Drehverbindungen, nämlich das Lager des Rotorblatts und das Hauptlager der Windenergieanlage erfolgen muss, was aufwändig ist.
Die vorliegende Erfindung umgeht diese und andere Probleme bei der Messung der Belastung von Rotorblättern durch die Messung einer Größe, die direkt von der Rotorblattbelastung beeinflusst wird, nämlich der Messung der Verformung eines Lagers oder eines Teils eines Lagers wie eines Lagerrings für die Drehung des Rotorblatts zur Pitch-Verstellung. Unter dem Begriff Verformung wird hier nicht nur eine Verbiegung eines Lagerrings verstanden. Es kann sich auch um eine Verlagerung handeln, wobei ein Lagerring gegenüber dem anderen in eine neue Position gelangt, zum Beispiel indem er verkippt wird, oder um die Verlagerung von Wälzkörpern. Diese allgemein verstandene Verformung lässt sich besonders einfach und kostengünstig mit Näherungssensoren messen. Alternativ kann die Verformung auch über faseroptische Sensoren erfasst werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die zu erfassende Rotorblattbelastung nicht im Rotorblatt selbst ermittelt wird wie in der EP 2 075 561 A2 , sondern in der Nähe der Rotornabe oder in der Rotornabe selbst. Es ist nicht nötig, Entfernungen von über 10 m im Inneren des Rotorblatts zu überbrücken oder Signale drahtlos oder über Schleifringe vom Rotorblatt in die Nabe bzw. die Gondel der Windenergieanlage zu übermitteln.
Eine elektronische Auswerteeinrichtung stellt den Bezug zwischen der Verformung des Lagerrings und der Belastung des Rotorblatts her. Diese elektronische Auswerterichtung kann in andere elektronische Steuerungen integriert sein, wie die Steuerung der Rotorblattverstellung, die oft in der Rotornabe der Windenergieanlage angebracht ist, oder die Steuerung der ganzen Windenergieanlage in der Gondel.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich ein ein- oder mehrdimensionales Inklinometer in die Messvorrichtung eingebracht. Über dieses Inklinometer wird die Winkelstellung der Rotornabe in Umdrehungsrichtung erfasst. Wenn das Inklinometer auch die Neigung der bezüglich der Drehung der Rotornabe axialen Richtung erfasst, wird darüber hinaus die Neigung der Gondel einer Windenergieanlage erfasst.
Mit einer solchen Messvorrichtung ist es möglich, sowohl aerodynamische Belastungen des Rotorblatts als auch mechanische, die zum Beispiel durch Unwuchten entstehen, zu erfassen. Diese Belastungen können dann in der Auswerteeinheit dazu verwendet werden, in die Steuerung der Windenergieanlage oder der Drehverstellung der Rotorblätter oder der Verstellung von Teilen der Rotorblätter einzugreifen. Auch ein dynamisches Auswuchten einzelner Rotorblätter, wie es in der Anmeldung DE 10 2008 023 109 beschrieben ist, ist möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können permanente Strukturveränderungen des Rotorblatts erkannt werden. Solche Strukturveränderungen können Brüche oder Delaminierungen sein. Wenn sich zum Beispiel ein Teil des Rotorblatts an der Vorderkante teilweise löst, so wird dieses Teil nach Überschreiten des oberen Totpunkts dem übrigen Rotorblatt vorauseilen. Wenn sich das Rotorblatt im unteren Teil der Drehung befindet, so wird es einen Zeitpunkt geben, an dem das von der Vorderkante des Rotorblatts gelöste Teil wieder auf das übrige Rotorblatt aufschlägt. Wenn sich dagegen ein Teil an der Rückseite des Rotorblatts teilweise löst, erfolgt der Aufschlag des Teils, das dem übrigen Rotorblatt nachläuft, auf das übrige Rotorblatt nach dem Überschreiten des oberen Totpunkts, aber noch im oberen Teil der Drehung. Eine solche Belastungsänderung des Rotorblatts schlägt sich in der Verformung des Lagerrings des Rotorblatts nieder, in Form von Unstetigkeiten des Verformungverlaufs über der Zeit. Wenn z. B. über ein Inklinometer die Winkelstellung des Rotorblatts mit erfasst wird, so können auch der Schadensort und/oder die Schadensart bestimmt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur dargestellt. Gezeigt ist eine Rotornabe 1 einer Windenergieanlage, die hier zur Aufnahme von drei Rotorblättern vorgesehen ist. Die Rotorblätter sind drehbar angebracht in Lagern mit Aussenringen 2a, 2b und Innenringen 3a, 3b (der dritte Lagerring ist nicht gezeigt). Die Rotorblätter können über einen Antrieb 7 in ihrer Winkelstellung verdreht werden. Über das Hauptlager 8 erfolgt die Verbindung zu einem Getriebe in der Gondel der Windenergieanlage.
Der Innenring 3a wird mit zwei Näherungssensoren 5 und 6 überwacht. Diese Näherungssensoren sind über nicht gezeigte Halterungen mit der Rotornabe 1 fest verbunden. Die Näherungssensoren erfassen so die Verformung des Lagerrings 3a. Bei diesen Näherungssensoren 5, 6 kann es sich um induktive Sensoren handeln. Dabei misst der Sensor 5 in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Lagers. Der Sensor 6 dagegen misst in axialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Lagers. Über Kabel sind diese Näherungssensoren mit einer nicht gezeigten Auswerteeinheit verbunden. In sinnvoller Weise kann ein zweites Paar von Sensoren an demselben Lagerring 3a messen, wenn es an einer anderen Umfangsposition angebracht wird. Insbesondere kann mit einem zweiten radial angebrachten Sensor (nicht gezeigt) die Verformung des Lagerrings in beiden Dimensionen der Radialebene des Lagers gemessen werden.
Die Auswerteeinheit kann im Inneren der Rotornabe 1 angebracht sein. Sie kann auch Bestandteil einer Steuereinheit für die Drehwinkelstellung der Rotorblätter sein. Die Auswerteeinheit kann auch in der Gondel der Windenergieanlage angebracht sein. Auch wenn die Auswerteeinheit in der Gondel angebracht ist, kann sie dort Bestandteil einer Steuereinheit für die Windenergieanlage sein. Die Auswerteeinheit kann die Ergebnisse der Messung der Verformung der Lagerringe 3a, 3b erfassen und weiter verarbeiten. Bei dieser Weiterverarbeitung wird die Belastung des Rotorblattes ermittelt. Es kann sich hierbei um aerodynamische Belastungen handeln, die zu einer Verformung des Rotorblatts führen. Solche aerodynamische Belastungen entstehen z. B. im Turmvorstau der Windenergieanlage. Auch mechanische Belastungen z. B. durch mechanische Unwuchten können so ermittelt werden.
Da die Auswerteeinheit die Verformung der Lagerringe erfasst, wozu ja auch Verlagerungen oder Verkippungen gehören, ist hier eine Überwachung des Lagers, seines Zustandes und des Spiels im Lager genauso möglich. So wird an dem Methoden des traditionellen Condition Monitoring bei der Lagerüberwachung angeknüpft.
Beispielhaft ist in einem zweiten Innenring 3b umlaufend ein faseroptischer Sensor 4 angebracht, der die Verformung des Lagerringes 3b erfasst und mit einer Auswerteeinheit im Innern der Rotornabe 1 oder im Innern der Gondel verbunden ist. Solche faseroptischen Sensoren können sowohl die Verformung eines Lagerrings in axialer Richtung als auch in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Lagers ermitteln. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können diese faseroptischen Sensoren als FBG-Sensoren ausgeführt sein. Die Abkürzung FBG steht dabei für Fibre Bragg Grating. Bei solchen Bragg-Gittern handelt es sich um in die Glasfasern eingebrachte Zonen mit verändertem Brechungsindex. An den Übergängen zwischen Zonen mit verschiedenem Brechungsindex kann erkannt werden, ob eine Verformung der Faser vorliegt. Je nach Verteilung dieser Übergänge zwischen Zonen mit verschiedenem Brechungsindex kann dabei die Verformung der Faser ortsaufgelöst gemessen werden.
Beispielhaft wurden hier zwei verschiedene Techniken zur Messung der Verformung von Lagerringen dargestellt. In der Praxis wird jedoch an einer Maschine eher für alle Lagerringe verstellbarer Rotorblätter dieselbe Technik eingesetzt werden. Es versteht sich, dass wie die Innenringe auch die Außenringe der Drehverbindungen mit Sensoren nach der Erfindung ausgerüstet werden können.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel enthält die in der Rotornabe angebrachte Auswerteeinheit ein Inklinometer. Dieses Inklinometer erfasst die Drehwinkelstellung der Rotornabe 1 in Bezug auf die Erdgravitation. So wird z. B. erfasst, wenn ein Rotorblatt senkrecht nach unten zeigt und sich deshalb in Turmvorstau der Windenergieanlage befindet. Darüber hinaus kann ein mehrdimensional ausgeführtes Inklinometer auch die Winkelstellung in axialer Richtung der Rotornabe 1 ermitteln. Das Inklinometer kann auch in der Nähe der Sensoren für die Verformung der Lagerringe angebracht sein.
Das Ergebnis der Verformungsmessung und die daraus ermittelte Belastung des Rotorblatts werden in sinnvoller Weise dazu verwendet, als Parameter in Steuereinheiten der Windenergieanlage berücksichtigt zu werden. Eine solche Steuereinheit ist zum Beispiel die Steuerung für die Drehstellung des Rotorblattwinkels. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die ermittelte Belastung des Rotorblatts als Parameter an die Steuerung zur Verstellung von aerodynamisch wirksamen Teilen der Rotorblätter zu verwenden. Es ist auch möglich, über die ermittelte Rotorblattbelastung dynamisch Wuchtgewichte zu verändern, z. B. durch Pumpen von Fluiden in die Rotorblätter, wie es in der DE 10 2008 023 109 dargestellt ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus der ermittelten Belastung des Rotorblatts zusammen mit der Drehwinkelstellung der Rotornabe, die mit dem Inklinometer ermittelt werden kann, auch die Verformung des Rotorblatts in mehreren Dimensionen errechnet, da ja auch die Messung der Verformung des Lagerrings mehrdimensional erfolgt. So wird es möglich, ohne einen hohen Aufwand an Sensoren die Operating Deflection Shape (ODS) eines Rotorblatts zu ermitteln. Auch Messungen der Eigenfrequenzen des Rotorblatts im Sinne einer experimentellen Modalanalyse (EMA) sind hier möglich.
Wenn an der Rotornabe mehr als ein Rotorblatt angebracht ist, ist es natürlich sinnvoll, die Belastung jedes einzelnen Rotorblatts mittels Sensoren für die Verformung des zugehörigen Lagerrings zu ermitteln, wobei die Ermittlung der Belastung aus der Verformung in einer allen Rotorblättern gemeinsamen Auswertevorrichtung erfolgt. Auf diese Weise können schon bei der Montage der Rotorblätter oder kurz danach Unterschiede zwischen diesen Rotorblättern erfasst werden. So kann auch die zeitliche Veränderung des Verhaltens einzelner Rotorblätter überwacht werden. Auch ein Vergleich der zeitlichen Entwicklung des Zustands der Rotorblätter ist zwischen den Blättern einer Windenergieanlage, aber auch zwischen den Blättern mehrerer verschiedener Anlagen möglich.
Versuche haben gezeigt, dass mit der Messung der Verformung eines Lagerrings für die Verdrehung eines Rotorblatts nicht nur die Belastung des Rotorblatts selbst, sondern auch die Belastung anderer Komponenten einer Windenergieanlage, wie zum Beispiel Hauptlager, Bremse, Getriebe möglich wird. Am Lagerring für die Drehverstellung des Rotorblatts lassen sich die Eigenfrequenzen dieser Komponenten der Windenergieanlage gut auswerten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009169357 A1 [0002]
EP 2075561 A2 [0002, 0007]
WO 2009095025 A1 [0003]
DE 102008061551 [0004]
DE 102008023109 [0010, 0019]

Claims

Vorrichtung zur Messung der Belastung mindestens eines Rotorblatts mit einer drehbaren Lagerung, mit mindestens einem Sensor, der die Verformung eines Lagerrings der Lagerung des drehbaren Rotorblatts erfasst, mit einer Auswertevorrichtung, die aus der Verformung des Lagerrings eine Belastung des Rotorblatts ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mindestens einen Sensor um mindestens zwei Näherungssensoren handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Näherungssensoren die Verformung des Lagerrings in axialer und radialer Richtung erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Näherungssensoren die Verformung des Lagerrings in zwei verschiedenen radial verlaufenden Richtungen des Lagerrings erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor ein faseroptischer Sensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor ein FBG-Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung ein ein- und/oder mehrdimensionales Inklinometer enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Inklinometer in axialer und/oder radialer Richtung bezogen auf einen mit dem Rotorblatt verbundenen Rotor misst.
Verfahren zur Ermittlung der Belastung eines Rotorblatts mit einer drehbaren Lagerung durch Ermittlung der Verformung eines Lagerrings der Lagerung des drehbaren Rotorblatts, wobei aus der Verformung des Lagerrings auf die Belastung des Rotorblatts geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des Lagerrings in mehreren Dimensionen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des Lagerrings in radialer und axialer Richtung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung einer mit dem Rotorblatt verbunden Rotornabe ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Belastung des Rotorblatts die Winkelstellung des Rotorblatts berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Belastung des Rotorblatts die Winkelstellung einer mit dem Rotorblatt verbundenen Rotornabe berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung der Rotornabe in axialer und/oder radialer Richtung der Drehachse der Rotornabe ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Belastung des Rotorblatts in die Regelung der Drehstellung des Rotorblatts einbezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Belastung des Rotorblatts in die Regelung der Stellung von Teilen des Rotorblatts einbezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Belastung des Rotorblatts in die Regelung für das dynamische Auswuchten des Rotorblatts einbezogen wird.