DE102010056033A1

DE102010056033A1 - Rotorblatt einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102010056033A1
Application number: DE102010056033A
Authority: DE
Inventors: Joachim Tiedeke; Michael Weigel
Original assignee: Baumer Innotec AG
Current assignee: Baumer Innotec AG
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verformung eines Rotorblatts bei Belastung, bei welcher die Verdrehung einer Sender-/Empfängereinheit gemessen wird und der ansonsten durch die Verdrehung von Sender und/oder Empfänger vorhandene Messfehler kompensiert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt, dem eine Messeinrichtung zugeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorblattverformung.
Hintergrund der Erfindung
Windkraftrotoren und Rotorblätter von Windkraftanlagen sind teilweise hohen Belastungen ausgesetzt. Hohe Windgeschwindigkeiten und daraus resultierend hohe Windlasten können auch bei derzeit als modern betrachteten geformten Rotorblättern aus glas- oder kohlefaserverstärktem Kunststoff zu deutlichen Verbiegungen und Verformungen führen. Übersteigen die Windgeschwindigkeiten tolerierbare Windlastpegelwerte, kann eine Strukturschädigung oder Bruch eines der oder aller Rotorblätter einer Windkraftanlage eine Folge sein.
Um die Rotoren und Rotorblätter vor einer Überlastung zu schützen wird zumeist bei kritischen Windlasten die gesamte Windkraftanlage stillgelegt. Hierfür werden die Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter so gefahren, dass die anstehende Strömung an den Rotorblättern vorbeiströmt, ohne ein allzu großes Drehmoment über die Rotorblätter auf den Rotor zu übertragen. Gegebenenfalls kann auch der gesamte Turm der Windkraftanlage aus dem Wind gedreht werden.
Insbesondere bei stark böigen Wetterverhältnissen kann es dazu führen, dass die alleinige Rotorblattüberwachung beispielsweise über ein Windgeschwindigkeitsmeßsystem nicht ausreicht, um die Rotorblätter ausreichend zu schützen. So können Spitzenlasten auftreten, die trotz einer mittleren Windgeschwindigkeit im tolerierbaren Bereich eines der, oder alle, Rotorblätter überlasten.
Um die tatsächliche Biegung und damit das Torsionsmoment zu bestimmen, die an ein Rotorblatt angreift, ist es eine Möglichkeit, die Verdrehung des Blattes mittels im Rotorblatt eingegossener elektrischer Leitungen zu bestimmen. Da eine Biegung eines Rotorblattes zu einer Streckung der Tragstruktur führt, kann die Widerstandsänderung der sich bei Verformung streckenden elektrischen Leiter eine Information über die Rotorblattbiegung abgeben. Dies ist in der Patentschrift DE 102 59 680 B4 gezeigt. Ihr ist nachteilig, dass die elektrischen Leitungen in die Tragstruktur eingebracht werden müssen, so dass die Wartung des Systems erheblich erschwert ist. Bei fehlender Information, beispielsweise bedingt durch Kabelbruch, kann die Anlage nicht oder nur eingeschränkt betrieben werden.
Eine alternative Ausführungsform zeigt die DE 10 2006 002 708 B4 . Die Verdrehung eines Rotorblattes wird hierin über den Strahlengang einer in der Nähe der Rotornabe befestigten Strahlungsquelle gemessen.
In der Nähe der Nabe des Rotorblatts ist dabei eine Sender-/Empfängereinheit, bestehend aus einer Lichtquelle und einem ortsauflösenden bildgebenden Sensor (beispielsweise CCD oder CMOS), zusammen mit einem abbildenden System angebracht.
Beabstandet von der Sender-/Empfängereinheit befindet sich ein Retroreflektor, insbesondere ein Tripel-Spiegel oder ein Array von Tripelspiegeln oder anderen retroreflektierenden Lösungen, über den das vom Sender ausgestrahlte Licht auf den ortsauflösenden Sensor reflektiert wird. Anhand der Position des Lichtpunktes auf dem ortsauflösenden Sensor kann die Verformung des Rotorblatts bestimmt werden.
Der Ort der Abbildung auf dem ortsauflösenden Sensor ist dabei proportional zu den Winkeln der Reflektoren zur optischen Achse des abbildenden Systems.
Es hat sich gezeigt, dass, auch wenn die Sender-/Empfängereinheit nahe an der Nabe des Rotors angeordnet ist, sich der Bereich, in dem sich die Sender-/Empfängereinheit befindet, ebenfalls verformt.
Typischerweise ist die Sender-/Empfängereinheit an einem Schott (sog. Plattform) des Rotorblatts angeordnet, welches sich zwischen dem Flansch und dem eigentlichen Rotorblatt erstreckt. Ein derartiges Schott soll verhindern, dass größere Mengen von Wasser oder herumfliegende Teile in die Nabe des Rotors gelangen und so mechanische Schäden verursachen. In dem Bereich zwischen Nabe und Schott ist das Rotorblatt üblicherweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, besitzt also keine Blattstruktur, welche von der Luft angeströmt wird und so zur Rotation der Windkraftanlage beiträgt. Der Bereich zwischen Nabe und Schott ist daher in der Regel relativ steif.
Dennoch kann es bei, insbesondere am Schott angeordneten, Sender-/Empfängereinheiten zu einer leichten Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit relativ zur Hauptachse des Rotorblatts kommen, derart, dass die Messung auf den Reflektor nicht mehr proportional zur Durchbiegung des Rotorblatts ist. Bei Verwendung eines Tripel-Spiegels reicht der vom Sender ausgehende Messbereich zwar in der Regel aus, um dennoch eine Messung vornehmen zu können. Aufgrund der Winkelabweichung der Sender-/Empfängereinheit kommt es allerdings zu einem Messfehler, der die Genauigkeit der Messung verringert.
Im Detail kommt dieser Messfehler in der Regel dadurch zustande, dass es zu einer elliptischen Verformung des im Flanschbereich in der Regel kreiszylinderförmig, also im Querschnitt rund ausgebildeten Teil des Rotorblatts, kommt. Diese Verformung führt auch zu einer Verformung des Schotts, wodurch eine daran befestigte Sender-/Empfängereinheit die Ausrichtung ändert. Da das vorstehend beschriebene Messprinzip darauf beruht, eine Winkeländerung zu messen, wirkt sich die Verformung in Form eines Winkelfehlers unmittelbar als Messfehler aus.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Rotorblatt zur Verfügung zu stellen, bei welchem mit einfachen Mitteln der Biegewinkel zumindest eines der am Rotor montierten Rotorblätter angegeben werden kann, wobei die genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest reduziert sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird mittels einer Einrichtung die Verformung eines Rotorblatts, insbesondere eines Rotorblatts einer Windkraftanlage, beziehungsweise Windenergieanlage, unter Belastung gemessen.
Die Einrichtung umfasst zumindest einen am Rotorblatt angeordneten Sensor und zumindest einen Empfänger. Empfänger und Sensor können, wie es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, auch in einer Baugruppe integriert sein.
Sender und Empfänger sind vorzugsweise als bildgebendes System ausgebildet. Es ist aber denkbar, auch auf andere Messverfahren zurückzugreifen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Einheit aus Sender und Empfänger in der Nähe der Nabe am Rotorblatt angeordnet.
Von dem Sender und Empfänger beabstandet ist am Rotorblatt ein Reflektor angebracht, welcher das vom Sender ausgestrahlte Signal, insbesondere das Licht einer Leuchtdiode, zurückwirft.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist statt einer Sender/Empfängereinheit und einem Reflektor der Sender beabstandet vom Empfänger am Rotorblatt angeordnet. Statt über beispielweise einen Reflektor zurückreflektiert zu werden, ist so das Lichtsignal direkt auf den Empfänger gerichtet. Diese Ausführungsform der Erfindung ist zwar in der Regel etwas aufwändiger, kann bei Störeinflüssen durch Verschmutzung, Beschlag etc. aber zuverlässiger sein.
Diese alternative Ausführungsform ist auch mit der vorstehend beschriebenen Verwendung eines Reflektors kombinierbar, so kann der Reflektor beispielsweise eine zusätzliche Lichtquelle umfassen.
Sind in der jeweiligen Ausführungsform Reflektoren vorgesehen, so sind vorzugsweise Reflektoren und Empfänger in einem unterschiedlichen Abstand von der Nabe angeordnet. Sind in der jeweiligen Ausführungsform keine Reflektoren vorgesehen, so sind vorzugsweise Empfänger und Sender in einem unterschiedlichen Abstand von der Nabe angeordnet.
Gemäß der Erfindung weist die Einrichtung Mittel zur Messung einer Verdrehung zumindest des Empfängers zu einer Bezugsachse auf. Diese Verdrehung entsteht beispielsweise durch die Verformung im Bereich des Schotts (Plattform) und führt zu einem Winkelfehler der Messung des Biegewinkels. Durch die Bestimmung des Winkelfehlers vom Sender und/oder Empfänger bei einer Verdrehung derselben kann der Fehler bestimmt werden und in die Berechnung der Verformung, insbesondere Durchbiegung des Rotorblatts eingehen und so kompensiert werden.
Unter einer Verdrehung wird eine Winkelabweichung des Senders und/oder Empfängers gegenüber der Position im unbelasteten Zustand bzw. gegenüber einer Bezugsachse des Rotorblatts verstanden. Unter einer Bezugsachse wird jede Achse verstanden, die als Referenzachse eines Koordinatensystems dienen kann, über das die Verformung des Rotorblatts berechnet werden kann. Die Erfassung der Verdrehung vom Sender und/oder Empfänger kann mittels einer rückwärtigen, also insbesondere zur Nabe zugewandten Anbringung von Referenzflächen erfolgen. Es können insbesondere in der Nähe der Befestigungspunkte des Schotts Referenzflächen beispielsweise für eine Distanzmessung mit weiter in Richtung Nabe montierten Distanzmeßsystemen angebracht sein, die also insbesondere direkt auf dem Schott angebracht sind. Um einen einzelnen Verdrehungswinkel zu messen sind zwei Referenzflächen ausreichend. Vorzugsweise werden drei oder mehr Referenzflächen mit drei oder mehr Distanzmeßsystemen verwendet, um die Verdrehungswinkel in alle Richtungen zu messen. Die Distanzmeßsysteme weisen je zumindest einen Sensor auf, der den Abstand zwischen dem Distanzmeßsystem und der Referenzfläche erfasst, wobei der Abstand zwischen dem Distanzmeßsystem und der Referenzfläche vorzugsweise kleiner ist, also der Abstand zwischen dem Sender und/oder Empfänger und dem Reflektor.
Es sind also Distanzmeßsysteme vorgesehen, welche vorzugsweise in der Nähe oder an der Nabe des Rotors angeordnet sind. Die Distanzmeßsysteme befinden sich damit vorzugsweise in einem Bereich, welcher allenfalls eine geringe Verformung bei Belastung erfährt. Weiter ist auch denkbar, das Verhältnis einer Verformung des Rotorblatts im Bereich des Referenzreflektors zu der Verformung des Reflektors zu bestimmen und in die Messung einfließen zu lassen.
Vorzugsweise befinden sich die Distanzmeßsysteme und/oder Referenzflächen aber im nabennahen Bereich, so dass die Verformung des Bereiches, in dem die Distanzmeßsysteme angeordnet sind, vernachlässigt werden kann.
Die Referenzflächen sind vorzugsweise an einer Stelle des Rotors angeordnet, welche gegenüber der Stelle, an der die Distanzmeßsysteme, insbesondere die Sensoren, angebracht sind, die im belasteten Zustand eine kleinere Positionsabweichung, mithin eine kleinere Durchbiegung erfährt.
Es können insbesondere induktive Meßsysteme verwendet werden, die eine hohe Genauigkeit für diese Aufgabe aufweisen. Aber auch optische Systeme wie beispielsweise Triangulationssensoren können verwendet werden.
Sender und/oder Empfänger sind bei einer Ausführungsform der Erfindung an einem, typischerweise im runden Übergangsbereich des Rotorblatts liegenden Schott angeordnet. In diesem Bereich lässt sich die Sender-/Empfängereinheit besonders einfach anbringen.
Bei einer Verdrehung der auf der rückwärtigen Seite der Aufnahme der Sender und/oder Empfänger, insbesondere des Schotts, angebrachten Referenzflächen kann, es bei einer Verformung oder Verdrehung der Aufnahme zu einer Abstandsänderung zwischen den Sensoren und den Referenzflächen kommen, was als Differenzdistanz gemessen wird. Mit dieser Differenzdistanz kann unter Bezugnahme auf mindestens zwei Abstandsmeßsysteme die Verdrehung der Aufnahme der Sender und/oder Empfänger bestimmt werden.
Bei einer speziellen Ausführungsform wird die Abstandsänderung zwischen der Aufnahme der Sender und/oder Empfänger und den Sensoren der Abstandsmeßsysteme über eine Hebelmechanik übersetzt. Hierdurch können entweder größere Differenzdistanzen über das Hebelverhältnis verkleinert werden. Oder aber es können kleinere Differenzdistanzen über die Hebelmechanik vergrößert werden. Mittels der Hebelmechanik kann also eine optimale Anpassung der Größe der Differenzdistanzen an den Messbereich des Distanzmeßsystems erreicht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine Stange auf der rückwärtigen Seite der Aufnahme des Senders und/oder Empfängers, also insbesondere in Richtung der Nabe, angebracht. Die Stange wird mit der Aufnahme, insbesondere einem Schott, fest verbunden. Bei einer Verformung der Aufnahme hervorgerufen insbesondere durch eine Verbiegung eines Rotorblatts kann die fest mit der Aufnahme verbundene Stange eine Ausrichtungsänderung zeigen. Über am Rotorblatt oder an der Nabe im Bereich des entfernten Endes der Stange angebrachte Sensoren kann die Ausrichtungsänderung gemessen und damit die Verformung der Aufnahme angezeigt werden. Eine solche Stange dient insbesondere zur Überbrückung der Distanz zwischen dem Anbringungsort der Sensoren, beispielsweise der Nabe, und dem Montageort der Sender/Empfänger, insbesondere der Aufnahme des Senders und/oder Empfängers.
Der Sender ist vorzugsweise als Lichtquelle, insbesondere als Leuchtdiode bzw. eine Mehrzahl von Leuchtdioden ausgebildet. Diese ist energiesparend und das monochromatische Licht lässt sich besser vom Umgebungslicht unterscheiden, so dass die Gefahr, dass der Empfänger durch Umgebungslicht beeinträchtigt wird, reduziert wird.
Der Reflektor ist vorzugsweise als Array von Tripel-Spiegeln oder Tripel-Prismen, bzw. geeigneten Retroreflektoren ausgebildet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weisen Sender und/oder Empfänger Mittel zur drahtlosen Übertragung von Messsignalen auf. So ist es nicht erforderlich, im Bereich der Nabe Kabeldurchführungen vorzusehen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist der Sender und/oder Empfänger Mittel zur Stromerzeugung auf, um sich selbst mit Energie zu versorgen. Derartige, nach dem Prinzip des „Energy Harvesting” arbeitende Systeme sind bekannt.
Es handelt sich dabei beispielsweise um Piezo-elektrisch funktionierende Systeme, welche durch die Drehung des Rotors Energie gewinnen, um diese in Strom umwandeln zu können. Aber auch andere Einrichtungen zur Erzeugung von Energie, wie beispielsweise Photozellen, sind denkbar.
Eine weitere Weiterbildung besteht darin, dass die Reflektoren nicht als Retroreflektoren ausgebildet sind, sondern selbst eine Lichtquelle und Mittel zur Stromerzeugung aufweisen. Dies erhöht die Robustheit gegenüber Verschmutzung, Beschlag und Vereisung. Ein solcher aktiver Reflektor kann entweder durch ein Signal, beispielsweise einem in Richtung des Reflektors gesendeten Lichtpulses, synchron zur Belichtung des Sensors getriggert werden, oder der Sensor synchronisiert die Belichtung des Detektors mit der Pulsfrequenz des aktiven Reflektors.
So braucht die Sender-/Empfängereinheit, oder auch der aktive Reflektor, nicht mit Batterien bestückt zu werden und es sind ferner keine Kabeldurchführungen zur Stromversorgung erforderlich.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Messung der Verformung eines Rotorblatts, insbesondere mittels einer vorstehend beschriebenen Einrichtung.
Mittels eines Senders wird ein Signal, insbesondere ein Lichtstrahl über einen Reflektor oder direkt auf einen beabstandeten Empfänger gesendet. Anhand einer Positionsänderung des empfangenen Signals wird die Verformung des Rotorblatts, insbesondere die Verbiegung des Rotorblatts, bestimmt.
Die Bestimmung erfolgt insbesondere optisch, mittels eines Flächensensors.
Gemäß der Erfindung wird eine durch eine Verformung des Rotorblatts verursachte Verdrehung des Senders und/oder Empfängers gemessen und diese Verdrehung bei der Berechnung der Verformung des Rotorblatts berücksichtigt.
Die Verdrehung wird vorzugsweise anhand von induktiven Sensoren mittels eines Abstandsmeßsystems bestimmt, welche vorzugsweise an, beziehungsweise in der Nähe der Nabe des Rotorblatts angeordnet sind. Die Verdrehung kann auch über optische Systeme, insbesondere Triangulationssensoren, bestimmt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 schematisch ein Messprinzip zur Bestimmung der Verformung eines Rotorblatts
2 ein mit einer Sender-/Empfängereinheit versehenes Rotorblatt
3 Rotorblatt mit Sender-/Empfängereinheit und einem von dieser erzeugten Messbereich
4 mögliche Schottverformung durch eine Rotorblattbelastung
5 eine mögliche Messbereichsverschiebung aufgrund der Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit
6 wie 3 mit zusätzlich verbauter Einrichtung zur Kompensation der Messbereichsverschiebung
7 Darstellung der Winkelanzeige der Einrichtung zur Kompensation der Messbereichsverschiebung
8 wie 6 mit Darstellung der Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit
9 Hebelanordnung für eine Messbereichsanpassung
10 wie 3 mit alternativer zusätzlich verbauter Einrichtung zur Kompensation der Messbereichsverschiebung
11 Darstellung der Entfernungsanzeige der Einrichtung zur Kompensation der Messbereichsverschiebung nach 10
12 wie 10 jedoch mit Darstellung der Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die Erfindung soll im Folgenden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen Bezug nehmend auf die Zeichnungen 1 bis 12 näher erläutert werden.
Bezug nehmend auf 1 wird schematisch ein Messprinzip zur Bestimmung der Verformung eines Rotorblatts erläutert. Es ist eine Einrichtung 1 zur Messung der Verformung eines Rotorblatts schematisch dargestellt.
Die Einrichtung 1 zur Messung der Verformung eines Rotorblatts umfasst einen Sender 3, hier in Form einer Leuchtdiode, sowie einen Empfänger 4, hier in Form eines CCD- oder CMOS-Empfängers.
Mittels des Senders 3 wird Licht abgestrahlt, welches von einem (oder mehreren) am Rotorblatt angeordneten Retroreflektor reflektiert wird.
Hier dargestellt ist im unbelasteten Zustand eine Reflektorposition, welche mit Bezugszeichen 6 bezeichnet ist. In dieser Position liegt der Retroreflektor genau mittig gegenüber dem Empfänger 4. Die Position des Lichtpunktes im unbelasteten Zustand ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Im belasteten Zustand, für den der Strahlengang eingezeichnet ist, verschiebt sich die Position des Retroreflektors auf die mit Bezugszeichen 7 bezeichnete Position. In der Folge wandert der über eine Linse 9 auf den Empfänger projizierte Lichtpunkt auf die mit Bezugszeichen 11 bezeichnete Position. Der Reflektionswinkel 8 kann so bestimmt werden und anhand dieses Winkels und des bekannten Abstands zum Retroreflektor direkt die Verformung des Rotorblatts an der Stelle des Retroreflektors oder der Retroreflektoren berechnet werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt) sitzt der Sender an der Stelle des Reflektors. Es ist ersichtlich, dass sich so das in 1 dargestellte Grundprinzip nicht ändert. In dieser Ausführungsform wird die Strahlung direkt an einem dem Empfänger 4 gegenüberliegenden Punkt erzeugt, so dass ein einfacher Strahlengang vorliegt.
In 2 ist schematisch ein Rotorblatt 2 dargestellt, welches mit einer Sender-/Empfängereinheit 3, 4 versehen ist. Die Sender-/Empfängereinheit 3, 4 ist in diesem und den weiteren Beispielen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Das Rotorblatt 2 ist mittels eines Flansches 18 in der Nabe 13 einer Windkraftanlage befestigt. Die Sender-/Empfängereinheit 3, 4 ist beispielsweise an einem Schott 14, auch Plattform genannt, angebracht, welches an den Flansch 18 angrenzt. Es ist jedoch jede andere Position möglich. Voraussetzung ist ein freies Sichtfeld zu den Retroreflektoren. Insbesondere wäre auch eine Montage direkt in oder an der Nabe bzw. dem Flansch denkbar.
Von der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 beabstandet befindet sich ein Retroreflektor 5, hier schematisch in Form eines Tripel-Spiegels, der das vom Sender 3 abgestrahlte Licht auf die Sender-/Empfängereinheit 3, 4 zurückreflektiert. Der von dem Sender, hier in Form einer Leuchtdiode, ausgehende Lichtkegel ist größer oder gleich des vom Empfänger vorgegebenen Messbereichs. Der hier schematisch eingezeichnete Messbereich ist so groß, dass der Reflektor 5 nicht aus dem Messbereich wandern kann.
3 zeigt, schematisch dargestellt, das Prinzip der im gezeigten Beispiel an dem Schott 14 angebrachten Sender-/Empfängereinheit 3, 4. Der Sender 3 strahlt einen Kegel, der den Messbereich 12 definiert, auf das Rotorblatt 2 ab. Der Kegel kann insbesondere ein Lichtkegel sein.
4 zeigt, ausgehend von 3, als Prinzipskizze die Verformung des Schotts 14 bei Belastung. Die Verformung des Schotts 14 kann zu einer Verdrehung, und damit zu einer Winkelabweichung der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 gegenüber der Position im unbelasteten Zustand, führen. Es ist in 4 gezeigt, dass der Messbereich 12 nicht mehr genau auf der Achse des Rotorblatts 2 liegt, sondern gewandert ist. Insbesondere ist der Messbereich 12 nicht mehr in dem mit 3 gezeigten Bereich, der auch in 4 mit gepunkteter Linie gezeigt ist. Die Richtungsänderung ist mit dem Pfeil 15 dargestellt. Es versteht sich, dass die hier dargestellten Verformungen stark übertrieben dargestellt sind. Zudem handelt es sich um ein dreidimensionales Problem, d. h. die Verformung kann über einen Flächensensor nicht nur in einer Richtung bestimmt werden.
5 zeigt analog zur 2 das Rotorblatt 2, nun jedoch im belasteten Zustand. Aufgrund der Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 kann der Messbereich 12 in dieser Ansicht leicht nach unten wandern, was mit 5 gezeigt ist. Der Reflektor 5 befindet sich immer noch im Messbereich 12, allerdings kommt es durch die Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 und dem damit verbundenen Winkelfehler zu einem Messfehler.
6 zeigt analog zur 3 das Rotorblatt 2 im unbelasteten Zustand mit einer Sender-/Empfängereinheit 3, 4 und den Messbereich 12. Es ist schematisch dargestellt, wie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Messfehler durch eine Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 kompensiert werden kann. Am rückwärtigen Bereich der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 befindet sich eine Einrichtung 20 zur Kompensation der Verformung des Schotts 14. Die Einrichtung 20 zur Bestimmung der Verformung eines Schotts 14 beinhaltet Referenzflächen 22 sowie Sensoren 24. Referenzflächen 22 mit Sensoren 24 bilden zusammen ein Distanzmeßsystem, wie anhand der 6 und 7 nachvollzogen werden kann.
Die Sensoren 24 des Distanzmeßsystems sind in diesem Beispiel induktiv ausgeführt. Sie messen die Distanz 26 zu den Referenzflächen 22. In der schematischen Darstellung der 6 sind nur zwei Sensoren 24 und zwei Referenzflächen 22 gezeigt. Da es sich bei der Verformung eines Schotts um ein dreidimensionales Problem handelt, ist ein Einbau von zumindest drei Sensoren 24 und drei Referenzflächen 22 aber bevorzugt.
Die Sensoren 24 sind im gezeigten Beispiel der 6 im Bereich zwischen Schott 14 und Nabe 13 angebracht. Eine Anbringung direkt an oder im Bereich der Nabe 13 ist aber ebenfalls möglich. Die Ermittlung der Distanz 26 zwischen Sensoren 24 und Referenzflächen erfolgt im gezeigten Fall induktiv. Aber auch optische Sensoren 24, insbesondere Triangulationssensoren, können verbaut sein.
7 zeigt eine Aufsicht auf die Referenzflächen 22, wie sie von den Sensoren 24 der Einrichtung 20 zur Bestimmung der Verformung eines Schotts 14 gesehen werden. Es sind drei Referenzflächen 22 gezeigt, welche auf dem Schott 14 angebracht sind, so dass Verformungen in zwei Ebenen erfasst werden können. Die Distanzen 26 (gezeigt in 6 und 8) zwischen Sensoren 24 und Referenzflächen 22 werden gemessen. Zusammen mit dem Abstand 28 zwischen den Referenzflächen 22 kann der Verdrehungswinkel erhalten werden. Wird, Bezug nehmend auf 6, die eine Distanz 26 mit „f1” bezeichnet, die zweite Distanz 26 mit „f2” sowie Bezug nehmend auf 7 der eingezeichnete Abstand 28 als „A”, so ergibt sich der Verdrehungswinkel „Phi” zu Phi = arctan[(f2 – f1)/A].
Dies gilt für die jeweils betrachtete Ebene entsprechend getrennt.
Da die Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 damit induktiv oder optisch bestimmt werden kann, kann diese bei der Bestimmung der Verformung des Rotorblatts 2 berücksichtigt werden. Damit wirkt sich die Verdrehung der Sender/Empfängereinheit 3, 4 nicht als systematischer Messfehler für die Verformung des Rotorblatts 2 aus.
8 zeigt, schematisch dargestellt, das Messprinzip. Aufgrund einer Verdrehung des Schotts 14 ist auch die Sender-/Empfängereinheit 3, 4 verdreht, wodurch sich der Messbereich 12 verschiebt. Die Abstände 26 zwischen den Sensoren 24 und den Referenzflächen 22 sind nun unterschiedlich und erschließen das Ausmaß der Verformung des Schotts 14.
Auch ein umgekehrter Einbau der Referenzflächen 22 und der Sensoren 24 ist möglich aber nicht eigens gezeigt. Dann können die Sensoren 24 beispielsweise am Schott 14 und die Referenzflächen 22 an der Nabe 13 des Rotorblatts 2 befestigt sein.
9 zeigt, schematisch dargestellt, eine Erweiterung der mit 6 bis 8 gezeigten Einrichtung 20. Die Distanz 26 zwischen Sensor 24 und Referenzfläche 22 wird hier über einen Hebel 32 mit Lagerung 30 übersetzt. Die mit 9 gezeigte Anordnung, die eine Messung der Distanz 26 zwischen Sensor 24 und der Hebelreferenzfläche 34 zeigt, erlaubt eine Verkleinerung von größeren Differenzdistanzen (f2 – f1) über das Hebelverhältnis des Hebels 32. Aber auch eine Vergrößerung der Differenzdistanzen (f2 – f1) über eine solche Anordnung ist möglich bei umgekehrter Auslegung. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung der zu messenden Distanzen an die Messbereiche des Distanzmesssystems, insbesondere der Sensoren 24.
10 zeigt analog zur 3 das Rotorblatt 2 im unbelasteten Zustand mit einer Sender-/Empfängereinheit 3, 4 und den Messbereich 12. Es ist schematisch dargestellt, wie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Messfehler durch eine Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 kompensiert werden kann.
Am rückwärtigen Bereich der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 befindet sich eine Einrichtung 20 zur Bestimmung der Verformung eines Schotts 14. Die Einrichtung 20 zur Bestimmung der Verformung eines Schotts 14 beinhaltet eine Stange 36, die an der rückwärtigen Seite des Schotts 14 fest verschraubt angebracht ist. Zusammen mit zumindest einem Sensor 24 kann ein Distanzmesssystem in Form einer Einrichtung 20 gebildet sein. Die Länge 38 der Stange 36 ist mit einem Pfeil dargestellt.
11 zeigt das Messprinzip dieser Ausführungsform der Einrichtung 20 zur Bestimmung der Verformung eines Schotts 14 mittels der Aufsicht auf die, im gezeigten Beispiel, zur Nabe 13 zeigenden Richtung. Es sind zwei Sensoren 24 dargestellt sowie das freie Ende der Stange 36, welches in der Nähe der Sensoren 24 befindlich ist. Das Distanzmesssystem misst nun die Distanzen 26 zwischen den Sensoren 24 und der Stange 36. Bezeichnet man einen zu messenden Winkel mit „Phi”, eine der Distanzen 26 mit „f” sowie die Länge 38 der Stange 36 mit „A” so lassen sich die Verdrehungswinkel jeweils erhalten nach Phi = arctan[f/A].
Dies gilt für diese Ausführungsform der Einrichtung 20 für jede zu betrachtende Ebene getrennt.
12 zeigt, analog der 8, schematisch dargestellt das Messprinzip in der Seitenansicht mit dem Rotorblatt 2. Aufgrund einer Verdrehung des Schotts 14 ist auch die Sender-/Empfängereinheit 3, 4 verdreht, wodurch sich der Messbereich 12 verschiebt. Der Abstand 26 zwischen dem Sensor 24 und der Stange 36 vergrößert sich, was das Ausmaß der Verformung des Schotts 14 zugänglich macht.
Aufgrund der Anbringung der Einrichtung 20 zur Bestimmung der Verformung eines Schotts kann die Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit 3, 4 bestimmt werden und so in die Berechnung der Verformung des Rotorblatts einfließen. Es versteht sich, dass auch andere Systeme verwendet werden können, um die Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit zu bestimmen. Grundsätzlich kann jede Technik verwendet werden, mit der zwei Winkel zu einer Referenzebene gemessen werden können.
Ist der Verdrehung der Sender-/Empfängereinheit eine laterale Verschiebung überlagert, so kann eine Korrektur erheblich erschwert sein, möglicherweise auch nicht mehr anwendbar sein.
Die Erfindung ermöglicht auf sehr einfache Weise eine Verbesserung der Genauigkeit eines Systems zur Berechnung der Verformung eines Rotorblatts.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Einrichtung zur Messung der Verformung eines Rotorblatts
2: Rotorblatt
3: Sender
4: Empfänger des Messkanals
5: Reflektor (=Messmarke)
6: Reflektorposition 1
7: Reflektorposition 2
8: Reflektionswinkel
9: Linse des Messkanals
10: Spotposition auf Empfänger 1
11: Spotposition auf Empfänger 2
12: Messbereich
13: Nabe
14: Schott (bzw. Plattform)
15: Pfeil (= Winkelverdrehung)
18: Flansch
20: Einrichtung zur Bestimmung der Verformung eines Schotts
22: Referenzfläche
24: Sensor
26: Distanz zwischen Sensor und Referenz in Form einer Referenzfläche bzw. Stange
28: Abstand zwischen den Referenzflächen
30: Lagerung
32: Hebel
34: Hebelreferenzfläche
36: Stange
38: Länge der Stange 36

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10259680 B4 [0005]
DE 102006002708 B4 [0006]

Claims

Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) bei Belastung, insbesondere des Rotorblatts einer Windkraftanlage, umfassend zumindest einen am Rotorblatt (2) angeordneten Empfänger (4) sowie zumindest einen vom Empfänger (4) beabstandet am Rotorblatt (2) angeordneten Sender (3) und/oder Reflektor (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung Mittel zur Messung einer Verdrehung des Senders (3) und/oder Empfängers (4) zu einer Rotorblatt-Bezugsachse aufweist.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung einer Verdrehung Sensoren (24) umfassen, welche gegenüber dem Sender (3) und/oder Empfänger (4) in geringerem Abstand als der Sender (3) und/oder Reflektor (5) angebracht sind, und die Sensoren (24) eine Distanz (26) messen, um die Verdrehung des Senders (3) und/oder Empfängers (4) zu einer Rotorblatt-Bezugsachse zu messen.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (24) an der Nabe (13) des Rotors angeordnet sind und die Distanz zu an dem Schott (14) angebrachten Referenzflächen (22) oder zu zumindest einer an dem Schott (14) angebrachten Stange (36) messen.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (24) am Schott (14) des Rotors angeordnet sind und die Distanz zu an der Nabe (13) angebrachten Referenzflächen (22) messen
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (26) zwischen Sensor (24) und Referenzfläche (22) von einem Hebel (32) übersetzt ist, um die sich aus der Verformung ergebenden Distanzen (26) an den Messbereich des Sensors (24) anzupassen.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (24) an einer Stelle des Rotorblatts angeordnet sind, welche gegenüber der Stelle liegt, an der der Reflektor (5) angebracht ist, und welche im belasteten Zustand eine kleinere und/oder eine proportionale Positionsabweichung aufweist.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3) als Lichtquelle, insbesondere als Laserdiode oder Leuchtdiode ausgebildet ist.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (5) als Tripelspiegel oder Tripelprisma, Array von Tripelspiegel, Array von Tripelprismen, oder einem anderen geeigneten Retroreflektor ausgebildet ist und/oder dass der Empfänger als optischer Flächensensor, insbesondere als CCD- oder CMOS-Sensor ausgebildet ist.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (4) und der Reflektor oder der Empfänger und der Sender (3) in einem unterschiedlichen Abstand von der Nabe (13) angeordnet sind.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sender (3) und/oder Empfänger (4) Mittel zur drahtlosen Übertragung von Messsignalen aufweisen.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sender (3) und/oder Empfänger (4) Mittel zur Stromerzeugung aufweisen, um mit Energie versorgt zu werden.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sender (3) Mittel zur Stromerzeugung aufweist, um mit Energie versorgt zu werden.
Einrichtung (1) zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor (24) Mittel zur Stromerzeugung aufweist, um mit Energie versorgt zu werden und/oder dass die Reflektoren (5) zusätzlich oder ausschließlich Lichtquellen enthalten.
Verfahren zur Messung der Verformung eines Rotorblatts, insbesondere mittels einer Einrichtung zur Messung der Verformung nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: – Senden eines Signals direkt von einem beabstandeten Sender (3) oder über einen Reflektor (5) auf einen Empfänger (4), – Bestimmen einer Verformung, insbesondere Bestimmen einer Verbiegung eines Rotorblatts (2) anhand einer Positionsänderung des empfangenen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch eine Verformung des Rotorblatts (2) verursachte Verdrehung eines Senders (3) zum Senden des Signals und/oder eines Empfängers (4) zum Empfangen des Signals gemessen wird und diese Verdrehung bei der Berechnung der Verformung des Rotorblatts (2) berücksichtigt wird.
Verfahren zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehung des Senders und/oder Empfängers über zumindest einen Sensor (24) gemessen wird.
Verfahren zur Messung der Verformung eines Rotorblatts (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehung des Senders (3) und/oder Empfängers (4) über zumindest einen Sensor (24) gemessen wird, welcher an oder in der Nähe der Nabe (13) des Rotorblatts (2) angeordnet ist.