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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung bezieht sich auf die berührungslose und zerstörungsfreie sowie schnelle und kostengünstige Detektierung verschiedener Fehler in großflächigen Bauteilen, die mindestens in einer Dimension größer als das erfasste Bildfeld sind. Insbesondere handelt es sich dabei um Bauteile, die aus mehrschichtigen und mehrkomponentigen Materialien aufgebaut sind. Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist ein Rotorblatt einer Windenergieanlage. Windenergieanlagen sind mittlerweilen sowohl im Hügelland, wie in Küstengebieten aber auch Off-Shore (
DE 199 46 899 B4 ) weit verbreitet. Die Bedeutung dieser Anlagen nimmt beständig zu. Zusätzlich kommen jetzt viele der gebauten Anlagen in ein Alter, in dem eine präventive technische Überprüfung Schäden erheblich reduzieren kann.
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Das Prüfen von in Betrieb befindlichen Rotorblättern erfolgt heute ausschließlich durch visuelle Kontrolle oder akustisch durch Abklopfen der Rotorblätter (Inspektion der Rotorblätter von Windenergieanlagen mit akustischen Verfahren. – Anne Jüngert, Christian U. Grosse, Markus Krüger, DACH-Jahrestagung 2008 in St. Gallen – Mi. 1.B.3) bzw. mit Hilfe entsprechenden Sensoren, die auf den Rotorblättern aufgebracht sind (
US 2010/0011862 A1 ). Hierfür besteht immer die Notwendigkeit, dass die prüfende Person Zugang zu den Rotorblättern hat. Um diesen Zugang zu ermöglichen, wird die Prüfperson am Rotorblatt abgeseilt oder mit Hilfe einer Plattform (
DE 43 39 638 A1 ), einer Hebebühne (
DE 103 18 875 B4 ,
US 2010/0011862 A1 ) oder spezieller Rahmenkonstruktion (
DE 10 2008 019 680 A1 ) in entsprechende Höhe zum Rotorblatt gebracht. Dies ist, nicht nur wegen der hohen Anforderungen an die Arbeitssicherheit, zeitaufwändig und kostenspielig, da die Windkraftanlagen schwer zugänglich sind. Zudem ist dies nur möglich, sofern es das Terrain erlaubt. Aufgrund der maximalen Arbeitshöhe der Hubarbeitsbühnen, ist die Methode nur an kleineren Windkraftanlagen möglich. Somit ist diese Methode für viele Windkraftanlagen, wie z. B. Off-Shore-Anlagen, keine gangbare Alternative.
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Es ist ein Verfahren zur Inspektion von Rotorblättern an Windkraftanlagen bekannt (
DE 10 2008 053 928 A1 ), in dem eine optische Inspektion mit Hilfe einer optisch bestückten Flugdrohne bekannter Bauart ausgeführt wird. Aufgrund der beschränkten Möglichkeiten der optischen Prüfung ist jedoch die Bestimmung des Ausmaßes von Fehlern in der Tiefe des Rotorblatts nicht möglich.
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Um die in einem Rotorblatt verborgenen Fehler zu detektieren, kann ein thermographisches Verfahren mit aktiver Wärmeanregung (
DE 10 2007 059 502 B3 ) eingesetzt werden. Die aktive bildgebende Thermographie hat sich schon seit Jahren als Prüfungsmethode etabliert. Nach dieser Methode wird auf dem zu prüfenden Bauteil zunächst ein Wärmefluss angeregt. Durch unterschiedliche mechanische Eigenschaften und Wärmeeigenschaften des Bauteils sowie im Bauteil eventuell vorhandene Fehler entstehen die Temperaturunterschiede an der Bauteiloberfläche. Diese werden mit Hilfe eines Infrarotsensors in einer Serie von Thermobildern erfasst. Dabei werden die einzelnen Thermobilder sowie aus der Bildserie mittels unterschiedlichen Methoden der Signal- und Bildverarbeitung gewonnene Ergebnisbilder verschiedener Typen, die einen Wärmefluss in Transmission und/oder in Reflektion mit zeitlicher und räumlicher Auflösung darstellen, untersucht (Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing/Xavier P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001). Um ein auswertbares Bild zu gewinnen, soll aber eine ausgesuchte Anregung eines Prüflings seine Erwärmung in der Weise verursachen, dass diese Erwärmung sich an den fehlerfreien und fehlerhaften Stellen signifikant unterscheidet. Diese ist sowohl von der Anregungstechnik als auch von den Eigenschaften und der Geometrie des Prüflings abhängig. Durch aktive Anregung, das heißt durch Erwärmung der Oberfläche mittels einer Energiequelle, wird ein Wärmefluss von der Bauteiloberfläche in die Tiefe hervorgerufen. Gelangt der Wärmefluss lokal an eine Ausbreitungsbarriere, so kommt es zu einem Wärmestau. Dieser Wärmestau kann nach entsprechender Laufzeit, die von den Materialparametern und der Tiefenlage der Barriere abhängt, an der Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils mittels einer Infrarotkamera detektiert werden. Diese Kamera kann dabei entweder stationär auf dem Boden bzw. auf einer Anlage (
DE 10 2007 059 502 B3 ) oder auf einer Flugdrohne bekannter Bauart (
WO 2010/051 278 A1 ) platziert werden.
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Der Einsatz der Methode der aktiven bildgebenden Thermographie beschränkt sich in dem Fall jedoch auch darin, dass dabei zur Positionierung der Anregungsquelle der Einsatz von oben beschriebenen teuren Krananlagen oder ähnlichen Hilfsmitteln unvermeidlich ist. Somit liegt der Erfindung nahe, mindestens chic Anregungsquelle auf einem fliegenden Träger, z. B. auf einem unbemannten lenkbaren Flugapparat, zu platzieren. Das größte Problem besteht dabei, einen fliegenden Träger mit einer effektiven, kostengünstigen und sicheren Anregungsquelle zu gestalten.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einrichten einer Anregungsquelle auf einem fliegenden Träger zur berührungslosen und zerstörungsfreien sowie schnellen und kostengünstigen Detektierung eines Fehlers in einem Rotorblatt einer Windenergieanlage mittels aktiver Wärmefluss-Thermographie zu schaffen.
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Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 8.
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Patentgemäß wird ein Bauteil, das in mindestens einer Dimension größer als das erfasste Bildfeld ist, mittels Wärmefluss-Thermographie geprüft. Dabei wird eine Inspektion des Bauteils in mindestens einem zu prüfenden Bereich durchgeführt, in dem an mehreren Aufnahmepositionen jeweils eine Serie von Thermobildern erfasst wird, sodass der zu prüfende Bereich von den Bildfeldern an sämtlichen Aufnahmepositionen abgedeckt wird. Somit wird eine ausreichende Auflösung der zu detektierten Objekte, z. B. Fehler, im Bauteil gewährleistet. Dabei wird die Anregung des Rotorblattes von mindestens einer Anregungsquelle durchgeführt.
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Gemäß Anspruch 1 sieht das Verfahren vor, nach dem eine Anregungsquelle als speziell geformtes Umlenk- und Fokussiersystems ausgebildet ist, mit dem die Sonnenstrahlung auf der Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes fokussiert wird. Die Anregungsquelle, die auf einem fliegenden Träger befestigt ist, wird das zu prüfende Rotorblatt mit einem kontrollierten Abstand abfahren. Somit kann die Fokussierung der Sonnenstrahlung auf der Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes entsprechend dem Auswerteverfahren der aufgenommenen Serie von Thermobildern gestaltet werden. Je nach Bedarf kann die Sonnenstrahlung in unterschiedlicher Art und Weise fokussiert werden, sodass der Anregungsbereich beispielsweise lokal flächenmäßig oder streifenartig geformt wird. Dabei wird eine Serie von Thermobildern mittels mindestens eines Infrarotsensors aufgenommen, dessen Bildfeld in der Größe so ausgelegt wird, dass die Detektierung der Fehler im zu prüfenden Rotorblatt ahne weitere Hilfsmittel gewährleistet wird. Somit zeigen kleine geometrische Abweichungen des Anregungsbereiches von der zu prüfenden Stelle keine Auswirkung auf das Verfahren, solange der Aufnahmebereich des Infrarotsensors innerhalb des Anregungsbereiches liegt.
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Der Infrarotsensor kann entweder fest stationiert oder zusammen mit der Anregungsquelle auf einem fliegenden Träger befestigt werden. In erstem Fall muss der Infrarotsensor aber nicht im engeren Sinn am Boden stehen. Er kann z. B. auf einem Boot oder Schiff befestigt sein, er kann auch auf einem Gegenstand, wie einem Turm einer anderen Windanlage o. ä., befestigt werden. Dies gewährleistet eine pixelgenaue Aufnahme der Serie von Thermobildern von der zu prüfenden Stelle des Rotorblatters. Andersfall soll ein fliegender Träger als unbemannter lenkbarer Flugapparat vorgesehen werden, der eine dauernd stabile Positionierung des Infrarotsensors gegenüber der zu prüfenden Stelle gewährleisten kann. Dieser kann sowohl schwerer als Luft, z. B. als Flugdrohne. Hubschrauber-Modell o. ä, als auch leichter als Luft, z. B. als Zeppelin, Luftballon o. ä, sein. Auf dieser Weise wird eine dauernd stabile Positionierung sowohl der Anregungsquelle als auch des Infrarotsensors gegenüber der zu prüfenden Stelle sichergestellt. Somit werden stabile Anregungsbedingungen sowie eine pixelgenaue Aufnahme der Serie von Thermobildern des zu prüfenden Rotorblattes gewährleistet. Dabei kann die Datenverarbeitung in der Auswerteeinheit stattfinden, die sich ebenso auf dem fliegenden Träger oder aber stationär auf dem Boden befindet. Die gewonnenen Daten können auf einer Festplatte oder auf einem externen Datenträger mit einem geringen Leistungsgewicht hinterlegt oder ggf. per Kabel oder per Funk zur Auswerteeinheit übertragen werden. Als zusätzliche Maßnahmen können bei der Datenübertragung auch verschiedene Arten der Datenreduktion vorgenommen werden, welche sich z. B. auf redundante Information und auf Änderungen beziehen, die im Bereich des Rauschens liegen oder eine nicht signifikante Veränderung darstellen.
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Gemäß Anspruch 2 wird die Vermessung des Abstandes des fliegenden Trägers zum zu prüfenden Rotorblatt und die Regelung der Positionierung des fliegenden Trägers automatisch erfolgen. Somit wird die notwendige Stabilität und Genauigkeit des Verfahrens gewährleistet. Um insgesamt ein kontaktloses Verfahren zu gewährleisten, soll dies kontaktlos, beispielsweise mittels mindestens eines Sensors, erfolgen. Ein solcher Sensor kann u. a. optisch, kapazitiv oder akustisch (Ultraschall) ausgebildet sein. Somit wird die sowohl kontaktlose als auch automatische Ausführung dieser Vermessung gewährleistet.
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Gemäß Anspruch 3 wird die Nachführung des fest stationierten Infrarotsensors der unabhängig bewegten Anregungsquelle automatisch erfolgen, sodass der erwärmte Bereich immer vollständig abgebildet wird. Somit wird die Aufnahme der Serie von Thermobilder an jeder zu prüfenden Stelle des Rotorblattes pixelgenau und stabil durchgeführt.
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Gemäß Anspruch 4 ist die Vorrichtung zur Inspektion von Rotorblättern einer Windkraftanlage mittels Wärmefluss-Thermographie mit einem speziell geformten Umlenkund Fokussiersystem ausgerüstet. Dieses System wird auf dem fliegenden Träger befestigt, der als unbemannter lenkbarer Flugapparat ausgebildet ist. Mittels dem speziell geformten Umlenk- und Fokussiersystem wird die Sonnenstrahlung auf die Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes fokussiert.
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Gemäß Anspruch 5 ist der Reflektor des speziell geformten Umlenk- und Fokussiersystems als parabolisch geformter Kollektor nach Art eines Parabolrinnenkollektors ausgeführt. Da dieser das Sonnenlicht linienförmig fokussiert, können die Thermographiebilder analog zu anderen bewegten Linienanregungsquellen ausgewertet werden.
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Gemäß Anspruch 6 ist der Reflektor mit winddurchlässigen Öffnungen versehen, sodass der Windwiderstand des fliegenden Trägers reduziert wird. Somit wird eine schnelle Inspektion des Rotorblattes gewährleistet.
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Gemäß Anspruch 7 enthält das Umlenk- und Fokussierungssystem eine Fresnellinse. Somit kann das Sonnenlicht zweckmäßig und gleichzeitig gewichtsparend fokussiert werden.
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Gemäß Anspruch 8 wird ein fest stationierter Infrarotsensor der unabhängig bewegten Anregungsquelle mittels einer bewegbaren Umlenkeinrichtung nachgeführt. Somit kann eine vollständige, pixelgenaue und schnelle Inspektion des Rotorblattes gewährleistet werden. Dafür kann beispielsweise ein Strahlumlenksystem eingesetzt werden, das die Aufnahmeperspektive um die resultierende Bewegung der Anregungsquelle nach führt. Da davon auszugehen ist, dass ein einfaches Umlenksystem, das nur aus einem Spiegel besteht, leichter als ein Infrarotsensor sein kann, wäre auch eine Nachführung des Strahlenganges einfacher aufzubauen, als eine Schwenkeinheit für den Infrarotsensor.
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Die Einzelheiten der Erfindung sowie ihre weiteren Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand der 1–2 erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es wird gezeigt:
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1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Inspektion eines Rotorblattes einer Windkraftanlage. Als Anregungsenergie wird die Sonnenstrahlung verwendet. An einem fliegenden Träger ist statt einer kompletten Anregungsquelle nur ein fokussierender Spiegel befestigt, der das Sonnenlicht auf der Rotorfläche abbildet (gepunktete Linie). Der Infrarotsensor, der die Infrarotsignaturen der Oberfläche des Rotorblattes aufzeichnet, befindet sich am Boden. Zum Bewegungsablauf sind an der Unterseite des fliegenden Trägers zwei (sichtbare) von vier Schubvorrichtungen abgebildet. Die punkt-strichförmige Linie zeigt den Strahl eines Sensors, der die Position des fliegenden Trägers bezüglich des Rotorblattes bestimmt.
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2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Inspektion eines Rotorblattes einer Windkraftanlage. Als Anregungsenergie wird die Sonnenstrahlung verwendet. An einem fliegenden Träger ist statt einer kompletten Anregungsquelle nur ein fokussierender Spiegel befestigt, der das Sonnenlicht auf der Rotorfläche abbildet (gepunktete Linie). Daneben ist ein Infrarotsensor befestigt, der die Infrarotsignaturen der Oberfläche aufzeichnet. Zum Bewegungsablauf sind an der Unterseite des fliegenden Trägers zwei (sichtbare) von vier Schubvorrichtungen abgebildet. Die punkt-strichförmige Linie zeigt den Strahl eines Sensors, der die Position des fliegenden Trägers bezüglich des Rotorblattes bestimmt. Eine in den fliegenden Träger integrierte Elektronik wandelt das Infrarotsensorsignal in ein Funksignal um, das mittels der abgebildeten Antennen zur Auswertungseinheit übertragen wird.
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Als Beispiel kann ein Rotorblatt (1) einer Windkraftanlage genommen werden, das mittels aktiver bildgebender Thermographie untersucht werden soll. Dabei wird die Sonnenstrahlung auf der Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes (1) fokussiert. Dafür wird ein speziell geformtes Umlenk- und Fokussiersystem (7) benutzt, welches auf einem fliegenden Träger (4) befestigt ist (1 und 2). Somit dient das speziell geformte Umlenk- und Fokussiersystem (7) als Anregungsquelle. Der Reflektor (8) des speziell geformten Umlenk- und Fokussiersystems (7) wird dabei als parabolisch geformter Kollektor nach Art eines Parabolrinnenkollektors ausgeführt, welcher mit winddurchlässigen Öffnungen versehen ist. Alternativ enthält das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) eine Fresnellinse. Das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) wird auf einem fliegenden Träger (4) befestigt, welcher mit mindestens einem Sensor (6) zur Vermessung des Abstandes zum Rotorblatt (1) ausgestaltet ist. Der fliegende Träger (4) wird außerdem mit mindestens zwei Schubvorrichtungen (5) an seinen gegenüberliegenden Seiten gestaltet. Die Positionierung des fliegenden Trägers (4) wird mit Schubvorrichtungen (5) wie z. B. Rotoren, Düsen, Triebwerken o. ä. erfolgen. Diese Schubvorrichtungen (5) werden an verschiedenen Seiten des fliegenden Trägers (4) angebracht, wobei die Steuerung des fliegenden Trägers (4) über die Schubkräfte der einzelnen Schubvorrichtungen (5) unabhängig voneinander durchgeführt wird. Dabei kann sowohl die Stärke als auch die Richtung der Schubkraft einzelner Schubvorrichtungen (5) reguliert werden. Somit kann eine gleichförmige Bewegung sowie eine stabile und präzise Positionierung des fliegenden Trägers (4) und somit eine annähernd gleichstarke Anregung der Oberfläche des zu untersuchenden Rotorblattes (1) gewährleistet werden.
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Falls die Aufnahme der Serie von Thermobildern von einem auf dem Boden fest stationierten Infrarotsensor (3) durchgeführt wird (1), soll die Brennweite des Objektivs des Infrarotsensors (3) eine sinnvolle geometrische Auflösung der Aufnahme gewährleisten, mit der die Fehler im Rotorblatt (1) detektiert werden. Der Infrarotsensor (3) wird außerdem dem unabhängig bewegten Umlenk- und Fokussierungssystem (7), welches als Anregungsquelle dient, mittels einer bewegbaren Umlenkeinrichtung (9) nachgeführt, sodass die Fehler im zu prüfenden Rotorblatt (1) ohne weitere Hilfsmittel detektiert werden (1).
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Falls die Aufnahme der Serie von Thermobildern von einem auf dem fliegenden Träger (4) befestigten Infrarotsensor (3) durchgeführt wird (2), kann die Auswerteeinheit (10) sowohl auf dem fliegenden Träger (4) als auch auf dem Boden sein. In letztem Fall wird eine in den fliegenden Träger (4) integrierte Elektronik das Infrarotsensorsignal in ein Funksignal umwandeln, das per Kabel oder mittels der Antennen (11 und 12) zur Auswertungseinheit (10) übertragen wird.
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Sobald das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) auf dem fliegenden Träger (4) in der Nähe des zu prüfenden Rotorblattes (1) mit Hilfe einer Fernsteuerung in die Startposition der Messung herangebracht wird, übernimmt eine automatische Abstandssteuerung und Wegüberwachung die Kontrolle des fliegenden Trägers (4). Dieses arbeitet sich nun mit gleich bleibender Geschwindigkeit am zu prüfenden Rotorblatt (1) entlang, sodass das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) mit einem festen Abstand zum Rotorblatt (1) bewegt wird. Die zu prüfenden Stellen des Rotorblattes (1) werden starker als seine Umgebung erhitzt. Dabei klingt die Wärme in Abhängigkeit ihrer Tiefenstruktur ab. Nach der Laufzeit der Wärme durch das Material zeigen sich die inneren Strukturen an der Oberfläche. Diese Strukturen werden mit dem Infrarotsensor (3) in den Serien von Thermobildern erfasst, zu der Auswerteeinheit (10) weitergeleitet und dort mit Methoden der Bildverarbeitung oder Signalanalyse untersucht.
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Zusammenfassend kann ein Rotorblatt einer Windkraftanlage mit Hilfe der vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtung berührungslos und zerstörungsfrei sowie schnell und kostengünstig mittels aktiver Thermografie untersucht werden, wobei eine explizite Detektierung eines in ihm eventuell vorhandenen Fehlers gewährleistet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorblatt einer Windkraftanlage
- 2
- Sonne
- 3
- Infrarotsensor
- 4
- Fliegender Träger
- 5
- Schubvorrichtungen zur Positionierung des fliegenden Trägers (4)
- 6
- Sensor zum Abstandmessung
- 7
- Umlenk- und Fokussiersystem
- 8
- Reflektor des Umlenk- und Fokussiersystems (7)
- 9
- Umlenkeinrichtung für den fest stationierten Infrarotsensor (3)
- 10
- Auswerteeinheit
- 11
- Antenne auf dem fliegenden Träger (4) zur Übertragung der gewonnen Daten per Funk
- 12
- Antenne auf der Auswerteeinheit (10) zur Übertragung der gewonnen Daten per Funk
