DE102014118258A1

DE102014118258A1 - Verfahren zur Reduktion von aerodynamischen Unwuchten von Windenergieanlagen

Info

Publication number: DE102014118258A1
Application number: DE102014118258.8A
Authority: DE
Inventors: Mathias Hillmann; Thomas Rische; Erik Miersch; Sirko Bartholomay; Burkhard Cerbe
Original assignee: Cp Max Rotortechnik & Co KG GmbH; CpMax Rotortechnik & Co KG GmbH
Current assignee: Cp Max Rotortechnik & Co KG GmbH; CpMax Rotortechnik & Co KG GmbH
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion einer aerodynamischen Unwucht einer Windenergieanlage, wobei im Rahmen einer Schwingungsmessung im Urzustand eine ursprüngliche axiale Schwingung eines Rotors (2) mit einer Schwingungsamplitude âur,ax und einem Phasenwinkel φur,ax ermittelt wird, worauf durch Verstellung eines Blatteinstellwinkels von wenigstens einem Rotorblatt (7) eine hinsichtlich Ort und Größe definierte aerodynamische Unwucht mit resultierender Gesamtblatteinstellwinkeländerung αpitch,test und resultierendem Phasenwinkel φ(αpitch,test) hervorgerufen wird; danach erfolgt eine erneute Schwingungsmessung im Testzustand zur Feststellung einer axialen Schwingung mit Schwingungsamplitude âtest,ax und Phasenwinkel φtest,ax, die unter Berücksichtigung der ursprünglichen axialen Schwingung die Bestimmung eines axialen Tarierzeigers mit Betrag z^ tarier,ax und Phasenänderung Δφ und eines Tarawertes tara ermöglicht, gefolgt von der Bestimmung einer notwendigen Blatteinstellwinkeländerung αpitch,korr und eines Phasenwinkels φkorr, an dem die Blatteinstellwinkeländerung αpitch,korr vorzunehmen ist, um die ursprüngliche aerodynamische Unwucht zu korrigieren, einschließlich einer vektoriellen Zuordnung der Blatteinstellwinkeländerung αpitch,korr auf wenigstens ein Rotorblatt (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von aerodynamischen Unwuchten von Windenergieanlagen. Windenergieanlagen, auch als Windkraftkonverter oder Windkraftanlagen bezeichnet, gibt es in verschiedenen Bauformen, insbesondere betreffend die Ausbildung des Rotors. Der Rotor ist entscheidend für den mechanischen Wirkungsgrad der Windenergieanlage.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Bauform einer bekannten Windenergieanlage mit horizontaler Rotorachse, insbesondere mit Dreiblatt-Rotor. Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung kann aber ebenso für Konstruktionen mit mehr Rotorblättern oder auch nur zwei Blättern erfolgen. Die Rotorblätter moderner Windturbinen haben aerodynamisch sorgfältig optimierte Flügel, die nicht nur den Wirkungsgrad und damit die Energieausbeute maximieren, sondern gleichzeitig auch die Geräuschentwicklung minimieren. Die Flügel bestehen aus senkrecht zur Blattachse angeordneten Profilen, welche jeweils um einen Verwindungswinkel gedreht sind.
Die Erfindung betrifft insbesondere Windenergieanlagen, die einen Verstellmechanismus der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse besitzen (Pitchmechanismus). Ein solches Rotorblatt wird im Betrieb von der Anlagensteuerung ständig auf einen optimalen Pitchwinkel eingestellt um das nötige Drehmoment zu gewährleisten. Eine wichtige Untersuchung, die die Basis für die korrekte Einstellung im Betrieb ist, ist die Vermessung des Blatteinstellwinkels. Hierbei wird im Stillstand der Anlagensteuerung der Pitchwinkel von 0° vorgegeben. Der Winkel der in diesem Zustand gemessen wird, wird im Folgenden als Blatteinstellwinkel bezeichnet. Weicht dieser Winkel von der Herstellervorgabe ab, spricht man von einem absoluten Fehler des Blatteinstellwinkels. Unterscheiden sich die Blatteinstellwinkel der einzelnen Rotorblätter zueinander, so handelt es sich um einen relativen Fehler, bzw. eine Abweichung in der Synchronstellung.
Das theoretische Maximum der erzielbaren Leistung ist der Betzsche Leistungsbeiwert. Dieser Wert liegt bei 59,3%. Windenergieanlagen die dem Stand der Technik entsprechen, erzielen bereits Werte von ca. 50%, so dass das physikalische Mögliche weitgehend ausgeschöpft ist. Die weitere Optimierung zielt u. a. darauf, Inhomogenitäten im Umlauf, also massenbedingte oder auch aerodynamische Unwuchten, des Rotors weitgehend zu eliminieren.
Es ist daher nach der Erfindung vorgesehen, ausschließlich auf den Rotor Einfluss zu nehmen, die Rotorblätter in eine optimale Stellung zu bringen und damit den schwingungsfreien Rundlauf bei maximaler Energieausbeute zu erreichen. Der schwingungsarme Rundlauf des Rotors erfordert sowohl geringe aerodynamische Unwuchten, also axiale und radiale Schwingungen, als auch geringe massebedingte (in der Regel radiale) Unwuchten.
Die massebedingte Unwucht wird nach dem seit langem bekannten, fachbereichsübergreifenden Fachwissen durch eine Messreihe, bestehend aus einem Urlauf sowie einem Testlauf mit am Rotor angebrachter, in Ort und Größe bekannter Testmasse, bestimmt. Als Ergebnis stehen Größe und Ort eines erforderlichen Ausgleichsgewichts.
Massebedingte Unwuchten führen insbesondere zu einer radialen Schwingung, also senkrecht zur Rotorachse. Aerodynamische Unwuchten, verursacht durch unterschiedliche Einstellwinkel der Rotorblätter zueinander, Verwindungsfehler, Profilabweichung, Teilungsfehler, defekte Strömungselemente oder Schäden an der Blattoberfläche, führen zu axialen, torsionalen aber auch zu lateralen (radialen) Anregungen der Gondel-Turmschwingungen. Masse- oder aerodynamisch bedingte Unwuchten können zu einem erhöhten Verschleiß aller Komponenten einer Windenergieanlage führen. Zudem können nicht korrekt eingestellte Blattwinkel letztlich zu Verlusten in der Gewinnung von elektrischer Energie führen.
Während die massebedingte Unwucht also in der Praxis gut beherrschbar ist, bereitet die aerodynamische Unwucht, deren Ursache unterschiedliche Beiträge der einzelnen Blätter zum Drehmoment des Rotors sind, noch immer Probleme und muss durch ein Angleichen der Einzelleistungen der Rotorblätter aneinander erreicht werden.
Dieses Ziel zumindest teilweise zu erreichen haben bereits die Lösungen nach den Druckschriften DE 100 32 314 C1 und DE 10 2008 013 392 A1 versucht. Beide Lösungen suchen nach einem Weg zur bestmöglichen Synchronstellung der einzelnen Rotorblätter zueinander in der Hoffnung, dass diese dann auch übereinstimmten Anteile am Drehmoment übernehmen. Während Druckschrift DE 100 32 314 C1 die Blattstellung durch eine Abstandsmessung mittels Laserentfernungsmessung vom Turm aus bestimmt, erfolgt dies nach der Druckschrift DE 10 2008 013 392 A1 durch eine Entfernungsmessung von der Gondel aus, wobei die Hinterkante des Flügels gemessen und hierdurch auf eine Winkelstellung geschlossen wird.
Eine solche Bestimmung setzt jedoch eine vollkommene Gleichgestalt mit genau übereinstimmenden aerodynamischen Eigenschaften voraus. Dies ist praktisch kaum zu erwarten, da insbesondere sehr lange Rotorblätter aufgrund unvermeidlicher Toleranzen im Fertigungsprozess geringfügige Unterschiede in Verwindung und/oder Wölbung aufweisen. Diese reichen bereits aus, um unterschiedliche aerodynamische Eigenschaften aufzuweisen. Damit lässt sich folglich auf die vorstehend dargestellte Weise ein zufriedenstellendes Ergebnis nicht erzielen.
Diesen Mangel vermag die in Druckschrift DE 196 28 073 C1 gezeigte Lösung teilweise zu beheben. Dort wird nämlich der Beitrag des einzelnen Blattes zum Drehmoment über die vom Generator abgegebene Leistung bestimmt, die über die Umdrehung des Rotors variiert. Es handelt sich um eine zeitaufgelöste Leistungsmessung. Durch Justierung der Rotorblätter mittels zufälliger Verstellung und Überprüfung des Resultats kann erreicht werden, dass die Unterschiede der einzelnen Blätter zueinander hinsichtlich ihrer Leistung minimiert werden.
Mit dieser Maßnahme werden axiale Schwingungen erfasst und eliminiert, ebenso werden damit in Zusammenhang stehende radiale Schwingungen reduziert. Ein tatsächliches Erfassen axialer oder radialer Schwingungen ist – trotz des hohen Aufwands des empirischen Verfahrens – nicht möglich. Diese können somit auf eine solche Weise nicht ausgeschlossen werden. Folglich können durch eine Lösung nach Druckschrift DE 196 28 073 C1 keine zufriedenstellende Ergebnisse bei der Beseitigung von Schwingungen im Rotor erreicht werden, selbst wenn einer massenbedingten Unwucht zuvor auf konventionelle Weise abgeholfen wurde. Eine verbleibende aerodynamische Unwucht kann weder gezielt erfasst, noch beseitigt werden.
Weitere Verfahren basieren ebenfalls auf fotometrischer Analyse der Blattstellung oder auf Lasermessverfahren. Eine fotometrische Analyse kommt bei dem Verfahren nach Druckschrift WO 2009/129 617 A1 zum Einsatz. Dieses Verfahren sieht vor, das die Blattwinkel durch Analyse von markanten Punkten an der Blattoberfläche bestimmt werden.
Laserverfahren hingehen wurden zum Beispiel in den Druckschriften DE 10 2008 013 392 B4 und DE 100 32 314 C1 beschrieben. Diese Verfahren beruhen auf der Vermessung des Spurlaufes aller drei Blätter und anschließender Berechnung der jeweiligen Blattwinkel aus den Messdaten.
Die Vermessung von Turm-Gondel-Schwingungen in der Praxis hat allerdings gezeigt, dass die Korrektur der Blattwinkel allein basierend auf einem optischen Verfahren nicht immer ausreichend ist, um aerodynamische Unwuchten zu reduzieren. Insbesondere bei Rotoren mit einem sehr großen Durchmesser hat sich darüber hinaus gezeigt, dass das reine Einstellen der Rotorblätter auf die gemessenen Werte einer der oben beschriebenen optischen Methoden ungenügende Ergebnisse bringt.
Gleichzeitig führt die Verwendung eines Verfahrens, das nur die Turm-Gondel-Schwingung vermisst und nicht optisch die Blattwinkel kontrolliert unter Umständen zu einem schwingungsarmen Rotor, aber zu einer Minderleistung der Anlage durch Fehler des Blatteinstellwinkels eines oder mehrere Rotorblätter. Dies resultiert daraus, dass die vom Hersteller vorgegebene Blattwinkeleinstellung bei einem solchen Vorgehen nicht kontrolliert werden. Somit wäre nur die Synchronstellung, nicht aber eine korrekte Einstellung der absoluten Blatteinstellwinkel gewährleistet.
Nach dem vorliegenden Stand der Technik ist es zwar möglich den Rotor einer Windenergieanlage in axialer und radialer Richtung von Unwuchten zu befreien. Allerdings ist es unter bestimmten Umständen möglich, z. B. bei Fehlern im Verwindungsverlauf der Blätter oder bei anderen Geometrieabweichungen, dass die bekannten Verfahren nicht ausreichen, um den Rotor schwingungsarm einzustellen. Unter diesen Bedingungen wäre eine Erweiterung der Verfahren nötig, wofür aber der Stand der Technik weder praktikable Vorschläge, noch geeignete Anregungen für eine Lösungsfindung anbietet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzubieten, mit dem die absolute Blattwinkeleinstellung und die Synchronstellung der Rotorblätter einer Windenergieanlage optimiert und zugleich Schwingungen in radialer und axialer Richtung minimiert werden können.
Aufgabe ist es weiterhin, ein besonders einfaches und schnell durchführbares Verfahren zur Verminderung einer aerodynamischen Unwucht anzubieten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reduktion einer aerodynamischen Unwucht einer Windenergieanlage. Im Rahmen einer Schwingungsmessung im Urzustand wird eine ursprüngliche axiale Schwingung eines Rotors der Windenergieanlage ermittelt, wobei die ursprüngliche axiale Schwingung eine Schwingungsamplitude â_ur,ax und einen Phasenwinkel φ_ur,ax aufweist.
Danach wird durch Verstellung eines Blatteinstellwinkels von wenigstens einem Rotorblatt eine hinsichtlich Ort und Größe definierte aerodynamische Unwucht mit resultierender Gesamtblatteinstellwinkeländerung α_pitch,test und resultierendem Phasenwinkel φ(α_pitch,test) hervorgerufen. Erst danach erfolgt eine erneute Schwingungsmessung, nun im Testzustand, zur Feststellung einer axialen Schwingung mit Schwingungsamplitude â_test,ax und Phasenwinkel φ_test,ax, die unter Berücksichtigung der ursprünglichen axialen Schwingung die Bestimmung eines axialen Tarierzeigers mit Betrag z ^_tarier,ax und Phasenänderung Δφ und eines Tarawertes tara ermöglicht. Der Tarawert tara stellt das Verhältnis zwischen der Änderung des Blatteinstellwinkels und der axialen Beschleunigungsänderung dar.
Der darauf folgende Verfahrensschritt ist die Bestimmung einer notwendigen Blatteinstellwinkeländerung α_pitch,korr und eines Phasenwinkels φ_korr, an dem die Blatteinstellwinkeländerung α_pitch,korr vorzunehmen ist, um die ursprüngliche aerodynamische Unwucht zu korrigieren, einschließlich einer vektoriellen Zuordnung der Blatteinstellwinkeländerung α_pitch,korr auf wenigstens ein Rotorblatt. Sobald die ermittelten Korrekturwerte am Rotorblatt oder an den Rotorblättern, wenn die ermittelte Blatteinstellwinkeländerung α_pitch,korr zwischen zwei Rotorblättern liegt, eingestellt sind, ist die aerodynamische Unwucht behoben. Dies kann durch eine Kontrollmessung bestätigt werden.
Neben einem außerhalb des Rotorblatts liegenden Korrekturpunkt kann die Verstellung mehrerer Rotorblätter auch vorteilhaft sein, wenn hierdurch eine Optimierung hinsichtlich Wirkungsgrad und Rundlauf erreicht werden kann. So kann beispielsweise ein gleich gutes Ergebnis im Rundlauf erzielt werden, indem entweder ein Rotorblatt oder mehrere verstellt werden. Nun kann zwischen den Varianten auf Basis des besseren Wirkungsgrads entschieden werden. Verspricht beispielsweise die Verstellung von zwei Rotorblättern einen besseren Wirkungsgrad als die Verstellung von nur einem Rotorblatt, wird die erste Variante gewählt. Es kann hierzu erforderlich sein, beide Varianten in der Praxis zu testen und das Ergebnis zu prüfen.
Weitere Vorteile erwachsen aus einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der vor der Schwingungsmessung im Urzustand eine dokumentierende Schwingungsmessung und eine Analyse von Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter, mit Korrektur von Blattwinkeleinstellungen erfolgen, mit dem Ergebnis der Synchronstellung der Rotorblätter zueinander sowie dem eingestellten absoluten Blatteinstellwinkel aller Rotorblätter. Die korrigierte Blattstellung hat in der Regel einen optimalen Wirkungsgrad des Rotors zur Folge, so dass dem Wind die maximale Energiemenge entnommen werden kann. Zumindest aber liegt nach der Korrektur der Blattwinkeleinstellung eine klar definierte Blattwinkeleinstellung aller Rotorblätter vor. Von dieser definierten Blattwinkeleinstellung sollte zum Ausgleich etwa verbleibender aerodynamischer Unwuchten ausgegangen werden, um hierbei möglichst wenig von der optimalen Einstellung abzuweichen und damit möglichst geringe Einbußen beim Wirkungsgrad durch notwendige Korrekturen der Blattstellung hinnehmen zu müssen.
Die Analyse der tatsächlichen Blattstellung bei allen Verfahrensalternativen, die eine solche Analyse erfordern, erfolgt bevorzugt durch eine fotometrische Analyse einerseits oder eine Distanzmessung zwischen wenigstens einem Punkt auf jedem Rotorblatt und einem festen Punkt an der Windenergieanlage oder in deren Umgebung andererseits. Bei der fotometrischen Analyse wird das Rotorblatt im Stillstand, bevorzugt mit der Spitze nach unten, im Profil fotografisch aufgenommen und dabei ein an einer bestimmten Stelle markiertes Profil oder markante Punkte abgebildet. Durch Vergleich der so gewonnenen Aufnahmen mit einer als optimal bekannten Sollstellung lässt sich ein etwa vorhandener Korrekturbedarf hinsichtlich des erwünschten Einstellwinkels ermitteln und die Korrektur anschließend vornehmen.
Eine andere mögliche Art der Analyse stellt die Distanzmessung zwischen wenigstens einem Punkt auf jedem Rotorblatt und einem festen Punkt an der Windenergieanlage, beispielsweise dem Turm oder der Gondel oder einem anderen geeigneten fixen Punkt in der Umgebung der Windenergieanlage, dar. Die Distanzmessung selbst erfolgt dabei auf eine bekannte Weise mit einem Messstrahl, wie z. B. mittels Ultraschall oder, besonders bevorzugt, Laserstrahl. Dabei wird das am Messstrahl vorbeistreifende Blatt in seinem Profil abgetastet und das Ergebnis zum Vergleich aufgezeichnet. Daneben sind weitere geeignete Arten der Analyse der tatsächlichen Blattstellung nach der Erfindung vorgesehen.
Alternativ zur dokumentierenden Schwingungsmessung und der Analyse der Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter zu deren Korrektur ist es nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, ohne vorherige Korrektur der Blattwinkeleinstellungen die hinsichtlich Ort und Größe definierte aerodynamische Unwucht durch Verstellung eines Blatteinstellwinkels von wenigstens einem Rotorblatt mit resultierender Gesamtblatteinstellwinkeländerung α_pitch,test und resultierendem Phasenwinkel φ(α_pitch,test) hervorzurufen. Diese Verstellung erfolgt auf Grundlage einer Analyse der Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter, mit Veränderung von mindestens einer Blattwinkeleinstellung, die eine Gesamtblatteinstellwinkeländerung α_pitch,test und einen resultierendem Phasenwinkel φ(α_pitch,test) zum Ergebnis hat. Damit wird die dokumentierende Schwingungsmessung unnötig und auch die Korrektur der Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter entfällt – ohne Einbußen bei der optimalen Korrektur der aerodynamischen Unwucht. Da nach dieser Variante des Verfahrens auch Klarheit über die Blattwinkeleinstellung jedes Rotorblatts besteht, kann dies bei der Korrektur der aerodynamischen Unwucht berücksichtigt und die Blattstellung so korrigiert werden, dass zugleich bestehende Fehlstellungen hin zu einer absoluten Blattwinkeleinstellung korrigiert werden.
Alternativ zu einer Bestimmung einer notwendigen Blatteinstellwinkeländerung α_pitch,korr durch ein Messverfahren ist es nach der Erfindung ebenso vorgesehen, dass bei einer alternativen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs die Gesamtblatteinstellwinkeländerung α_pitch,test ohne Anwendung insbesondere eines optischen Verfahrens, sondern allein auf Grundlage einer auf manueller Abschätzung beruhenden Methode, ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, dass weder Messeinrichtungen zum Einsatz kommen können, noch entsprechende Messfehler einen nachteiligen Einfluss auf das Ergebnis des gesamten Verfahrens nehmen können. Zudem wird der Verfahrensablauf vereinfacht und die Arbeitszeit verkürzt.
Bevorzugt wird bei der Schwingungsmessung im Urzustand und der Schwingungsmessung im Testzustand eine axiale Schwingung ermittelt. Eine solche Messung ist einfach und mit kostengünstiger Messtechnik ausführbar.
Alternativ hierzu und besonders bevorzugt werden die Schwingungsmessung im Urzustand und/oder die Schwingungsmessung im Testzustand als kombinierte Schwingungsmessung durchgeführt und wenigstens eine radiale und eine axiale Schwingung ermittelt. Dadurch kann festgestellt werden, ob nach Korrektur der aerodynamischen Unwucht zusätzlich eine massenbedingte Unwucht besteht. Diese müsste dann auf herkömmliche Weise ermittelt und beseitigt werden. Dies geschieht bevorzugt mittels Anbringen einer Testmasse, um nach Berechnen von Ort und Größe der Unwucht durch eine Ausgleichsmasse Abhilfe zu schaffen.
Zunächst jedoch geht es um die Bestimmung der axialen Schwingung, wobei bevorzugt in die Bestimmung des axialen Tarierzeigers und des Tarawertes tara die axiale Komponente aus der kombinierten Schwingungsmessung einfließt.
Es ist erforderlich die Schwingungsmessung bei drehendem Rotor durchzuführen, wobei dieser sich bevorzugt mit konstanter Drehzahl dreht.
Vorteilhaft ist es weiterhin, während einer abschließenden Schwingungsmessung im Endzustand eine verbleibende radiale Schwingung zu ermitteln, die nachfolgend nach Feststellung von Ort und Größe der ursächlichen massebedingten Unwucht mittels mindestens einer Ausgleichsmasse eliminiert wird. Dies dient einer umfassenden Optimierung des problemlosen Rundlaufs des Rotors ungeachtet der konkreten Ursache, da massebedingte Unwuchten mittels Betrachtung der Radialschwingungen ermittelt werden und zudem diese Radialschwingung signifikant durch eine aerodynamische Unwucht beeinflusst wird.
Günstig es auch, wenn im Rahmen der kombinierten Schwingungsmessung wenigstens eine radiale Schwingungsamplitude und ein radialer Schwingungsphasenwinkel sowie eine axiale Schwingungsamplitude und ein axialer Schwingungsphasenwinkel ermittelbar sind. Dann ergibt sich ein vollständiges Bild über die Schwingungsverhältnisse am Rotor und eine eingehende Beurteilung der Situation wird möglich. Mit diesen Werten ist jedenfalls die Unwucht bzw. der jeweils vorherrschende Schwingungszustand komplett beschreibbar und, sofern es sich um die Testmessung handelt, die erforderlichen Gegenmaßnahmen festlegbar.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: schematische Darstellung axialer, radialer und torsionaler Turmanregung; Darstellung und Stand der Technik bei der Beseitigung von Unwuchten;
2: schematisches Zeigerdiagramm mit Darstellung von Einstell- und Messwerten mit ihren Symbolen sowie deren Verhältnis zueinander;
3: schematische Darstellung eines Diagramms einer Nenn-Leistungskurve und von Leistungskurven bei Fehlern der absoluten Blatteinstellwinkel;
4: schematische Darstellung eines Diagramms einer Leistungskurve einer Windenergieanlage vor und nach der Blattwinkelkorrektur; und
5: schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Massebedingte Unwuchten führen insbesondere zu einer radialen Schwingung, also senkrecht zur Rotorachse, wie 1 zeigt. Branchenüblich geht man für massebedingte Unwuchten, soweit nicht anders vom Hersteller definiert, von einer zulässigen Abweichung vom mittleren statischen Moment des Rotorblattsatzes von 0,5% aus.
Aerodynamische Unwuchten, verursacht durch unterschiedliche Einstellwinkel der Rotorblätter zueinander, Verwindungsfehler, Profilabweichung, Teilungsfehler, defekte Strömungselemente oder Schäden an der Blattoberfläche, führen zu axialen, torsionalen aber auch zu lateralen (radialen) Anregungen der Gondel-Turmschwingungen, wie ebenfalls in 1 dargestellt.
Die Bestimmung von axialen und radialen Gondel-Turmschwingungen mit Beschleunigungssensoren und anschließender Fourieranalyse ist nach dem Stand der Technik bekannt. Zudem werden von einigen Anbietern die torsionalen Gondel-Turmschwingungen vermessen. Auch die Behebung von massebedingten Schwingungen durch das Einbringen eines definierten reversiblen statischen Momentes und somit den Rückschluss auf die Urunwucht wird in der Praxis durchgeführt und ist somit bekannt.
Für die Vorbereitung der Behebung von aerodynamischen Unwuchten werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Beispielhaft sei ein fotometrisches Verfahren, das auf der Markierung einer bestimmten Radiusposition, Fotografie dieser und der Auswertung der gewonnenen Aufnahmen durch eine spezielle CAD-Software beruht. Ebenso ist es möglich, ein anderes fotometrisches Verfahren einzusetzen, bei dem markante Punkte an der Blattoberfläche analysiert werden. Der Grenzwert für die optimale Einstellung von Rotorblättern zueinander soll ±0,3° nicht übersteigen, wie vom Germanischen Lloyd vorgegeben (vgl. Germanischer Lloyd; Rules and Guidelines Industrial Services; Guideline for the Certification of Wind Turbines; 2010.).
2 zeigt ein schematisches Zeigerdiagramm mit Darstellung von Einstell- und Messwerten sowie deren Verhältnis zueinander. Hier bedeuten die angegebenen Formelzeichen:

• Schwingungsamplitude und -Phasenwinkel axial: â_ur,ax, φ_ur,ax
• Schwingungsamplitude und -Phasenwinkel radial: â_ur,rad, φ_ur,rad
• Absolute Blatteinstellwinkel einer Windenergieanlage mit drei Rotorblättern: α_0°, α_–120°, α_120°
• nach Verstellung – Schwingungsamplitude und -Phasenwinkel axial: â_test,ax, φ_test,ax
• nach Verstellung – Schwingungsamplitude und -Phasenwinkel radial: â_test,rad, φ_test,rad
• Amplitude und Phasenwinkel Tarierzeiger axial: z ^_tarier,ax, φ_tarier,ax
• Verhältnis Tarierzeiger zu Blatteinstellwinkeländerung =
• Tarawert:
• Δα entspricht hier α_{0°,pitch,test}
• Bestimmung nötige Blatteinstellwinkeländerung – Ergebnis: α_pitch,korr = tara·â_ur,ax
• Phasenwinkeländerung (Ort an dem die Blatteinstellwinkeländerung durchgeführt werden muss) Δφ = φ(α_{0°,pitch,test}) + ∢ (â_ur,ax, z ^_tarier,ax)

Da der Ort der Blatteinstellwinkeländerung nicht unbedingt an der Position eines Blattes liegt, muss die Blatteinstellwinkeländerung auf die Blätter umgerechnet werden:
α_0°,korr, α_{–120°,korr}, α_120°,korr
3 zeigt schematische Darstellung eines Diagramms einer Nenn-Leistungskurve und von Leistungskurven bei Fehlern der absoluten Blatteinstellwinkel. Es sind die Auswirkungen auf die abgegebene Leistung einer Windenergieanlage erkennbar, die in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Richtung der Fehlstellung auftreten. So tritt bei einer Verstellung nach „Stall” bei jeder Windgeschwindigkeit ein Leistungsabfall gegenüber der Nennleistung auf, der sich bei höherer Windgeschwindigkeit sogar noch verstärkt. Demgegenüber verursacht eine unerwünschte Verstellung nach „Fahne” vor allem Leistungseinbußen bei geringerer Windgeschwindigkeit.
4 zeigt schematische Darstellung eines Diagramms einer Leistungskurve einer Windenergieanlage vor und nach der Blattwinkelkorrektur. Hier sind, ähnlich wie in 3, die Auswirkungen von Fehlstellungen des Rotorblatts erkennbar, hier jedoch unter Angabe konkreter Winkelstellungen.
Weiterhin sind nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Windenergieanlage mit einem dreiflügligen Rotor erläutert, in denen die Ermittlung und Eliminierung eines tatsächlichen Fehlers dargestellt wird. 5 zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend der Abfolge der Verfahrensschritte des nachfolgenden Ausführungsbeispiels 1.
Ausführungsbeispiel 1:
Ziel ist es, die radiale und axiale Turm-Gondel-Schwingung einer Windenergieanlage zu minimieren sowie die absoluten Blattwinkel einzustellen, um die Leistungskurve zu optimieren.
Schritt I (Bezugszeichen 11): Es wird eine Vermessungen der Rotorschwingungen 20 im Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt. Es werden folgende Ergebnisse (Amplituden) ermittelt:

Axiale Schwingung 40,0 mm/s²

Radiale Schwingung 28,0 mm/s²
Schritt II (Bezugszeichen 12): Zunächst erfolgt die Vermessung der Blattwinkelstellung nach einem bekannten Verfahren. Als Referenzprofil wird das Profil entlang des Rotorblattes gewählt, an dem der Verwindungswinkel 0°-beträgt. Der optimale Einstellwinkel an diesem Profilschnitt wäre 0,00°. (Alternativ könnte auch jede andere radiale Position bei bekanntem entsprechendem Verwindungswinkel gewählt werden.) Es werden folgende Ergebnisse ermittelt:

Blatt I Winkel +0,10°

Blatt II Winkel +0,60°

Blatt III Winkel –0,30°
Schritt III (Bezugszeichen 13): Alle drei Rotorblätter werden auf den nominell optimalen Winkel (0,00°) verstellt.

Blatt I Winkel 0,00°

Blatt II Winkel 0,00°

Blatt III Winkel 0,00°
Schritt IV (Bezugszeichen 14): Es wird erneut eine Vermessung der Rotorschwingungen 21 im Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt. Es werden folgende Ergebnisse (Amplituden) ermittelt:

Axiale Schwingung 48,0 mm/s²

Radiale Schwingung 36,0 mm/s²
Schritt V (Bezugszeichen 15): Aus den beiden durchgeführten Schwingungsmessungen werden über die Betrachtung der Schwingungsvektoren die Winkelkorrekturwerte ermittelt, bei denen ein Minimum der axialen Schwingungen auftritt:

Blatt I Korrekturwinkel +0,10°

Blatt II Korrekturwinkel 0,00°

Blatt III Korrekturwinkel +0,30°
Schritt VI (Bezugszeichen 16): Die Rotorblätter werden mit den ermittelten Korrekturwinkeln eingestellt.
Schritt VII (Bezugszeichen 17): Zur Validierung der neuen Einstellung wird eine dritte Vermessung der Rotorschwingungen 22 im Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt. Es werden folgende Ergebnisse (Amplituden) ermittelt:

Axiale Schwingung 2,4 mm/s²

Radiale Schwingung 3,1 mm/s²
Ausführungsbeispiel 2:
An einer weiteren Windenergieanlage wird die Leistungskurve vor und nach der Blattwinkelkorrektur betrachtet.
Schritt I: Es erfolgt eine Vermessung der Blatteinstellwinkel:

Blatt I Winkel –0,69°

Blatt II Winkel –0,95°

Blatt III Winkel –0,90°
Schritt II: Es erfolgt eine Messung der Rotorschwingungen bei Nenndrehzahl:

Axiale Schwingungsamplitude 9,43 mm/s²

Radiale Schwingungsamplitude 11,80 mm/s²
Schritt III: Die Blatteinstellwinkel der 3 Rotorblätter werden auf den nominellen Sollwinkel eingestellt:

Blatt I Winkel 0,00°

Blatt II Winkel 0,00°

Blatt III Winkel 0,00°
Schritt IV: Es wird erneut eine Messung der Rotorschwingungen durchgeführt:

Axiale Schwingungsamplitude 22,82 mm/s²

Radiale Schwingungsamplitude 17,16 mm/s²
Schritt V: Aus den Messwerten wird anhand des beschriebenen Verfahrens noch die nötige Korrektur des Blatteinstellwinkels ermittelt um ein geringes axiales Schwingungsniveau zu erreichen:

Blatt I Winkel –0,05°

Blatt II Winkel –0,00°

Blatt III Winkel +0,22°
Schritt VI: Es wird eine abschließende Messung der Rotorschwingungen durchgeführt:

Axiale Schwingungsamplitude 1,53 mm/s²

Radiale Schwingungsamplitude 8,30 mm/s²
Auswertung von Ausführungsbeispiel 2: An der Windenergieanlage wurde zunächst ein im Mittel um 0,85° zu weit in Richtung Stall liegender Absolutwinkel der Rotorblätter festgestellt. Die Korrektur des Blatteinstellwinkels führte zu einer Veränderung der Leistungskurve, welche nun dem Verlauf der Soll-Leistungskurve folgt. Zusätzlich wird eine geringfügige Abweichung vom Blattwinkel-Sollwert eingestellt um ein niedriges Schwingungsniveau der Anlage zu erreichen.
Bezugszeichenliste

1: Windenergieanlage
2: Rotor
3: Gondel
4: axiale Gondel-Turmanregung
5: radiale Turmanregung
6: torsionale Gondel-Turmanregung
7: Rotorblatt
8: Turm
11: Schritt I
12: Schritt II
13: Schritt III
14: Schritt IV
15: Schritt V
16: Schritt VI
17: Schritt VII
20: Rotorschwingungen axial, radial (Urzustand)
21: Rotorschwingungen axial, radial (nach Blatteinstellung)
22: Rotorschwingungen axial, radial (nach Blattkorrektur)

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

DE 10032314 C1 [0009, 0009, 0014]
DE 102008013392 A1 [0009, 0009]
DE 19628073 C1 [0011, 0012]
WO 2009/129617 A1 [0013]
DE 102008013392 B4 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Germanischer Lloyd; Rules and Guidelines Industrial Services; Guideline for the Certification of Wind Turbines; 2010 [0044]

Claims

Verfahren zur Reduktion einer aerodynamischen Unwucht einer Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen einer Schwingungsmessung im Urzustand eine ursprüngliche axiale Schwingung eines Rotors (2) mit einer Schwingungsamplitude â_ur,ax und einem Phasenwinkel φ_ur,ax ermittelt wird, worauf durch Verstellung eines Blatteinstellwinkels von wenigstens einem Rotorblatt (7) eine hinsichtlich Ort und Größe definierte aerodynamische Unwucht mit resultierender Gesamtblatteinstellwinkeländerung α_pitch,test und resultierendem Phasenwinkel φ(α_pitch,test) hervorgerufen wird; danach erfolgt eine erneute Schwingungsmessung im Testzustand zur Feststellung einer axialen Schwingung mit Schwingungsamplitude â_test,ax und Phasenwinkel φ_test,ax, die unter Berücksichtigung der ursprünglichen axialen Schwingung die Bestimmung eines axialen Tarierzeigers mit Betrag z ^_tarier,ax und Phasenänderung Δφ und eines Tarawertes tara ermöglicht, gefolgt von der Bestimmung einer notwendigen Blatteinstellwinkeländerung α_pitch,korr und eines Phasenwinkels φ_korr, an dem die Blatteinstellwinkeländerung α_pitch,korr vorzunehmen ist, um die ursprüngliche aerodynamische Unwucht zu korrigieren, einschließlich einer vektoriellen Zuordnung der Blatteinstellwinkeländerung α_pitch,korr auf wenigstens ein Rotorblatt (7).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor der Schwingungsmessung im Urzustand eine dokumentierende Schwingungsmessung und eine Analyse von Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter (7), mit Korrektur von Blatteinstellwinkel erfolgen mit dem Ergebnis der Einstellung aller Rotorblätter (7) auf den gleichen Blatteinstellwinkel.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hinsichtlich Ort und Größe definierte aerodynamische Unwucht durch Verstellung eines Blatteinstellwinkels von wenigstens einem Rotorblatt (7) mit resultierender Gesamtblatteinstellwinkeländerung α_pitch,test und resultierendem Phasenwinkel φ(α_pitch,test) hervorgerufen wird auf Grundlage einer Analyse der Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter (7), mit Verstellung von mindestens einer Blattwinkeleinstellung, die eine Gesamtblatteinstellwinkeländerung α_pitch,test und einen resultierendem Phasenwinkel φ(α_pitch,test) zum Ergebnis hat.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Analyse der Blattwinkeleinstellung durch eine fotometrische Analyse erfolgt oder eine Distanzmessung zwischen wenigstens einem Punkt auf jedem Rotorblatt (7) und einem Turm oder einer Gondel der Windenergieanlage oder einem fixen Punkt in einer Umgebung der Windenergieanlage vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, nach dem die Gesamtblatteinstellwinkeländerung α_pitch,test allein nach einer auf manueller Abschätzung beruhenden Methode, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei der Schwingungsmessung im Urzustand und der Schwingungsmessung im Testzustand eine axiale Schwingung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schwingungsmessung im Urzustand und/oder die Schwingungsmessung im Testzustand als kombinierte Schwingungsmessung durchgeführt und wenigstens eine radiale und eine axiale Schwingungsamplitude und -phase ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schwingungsmessung bei drehendem Rotor (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schwingungsmessung bei konstanter Drehzahl des Rotors (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während einer abschließenden Schwingungsmessung im Endzustand eine verbleibende radiale Schwingung ermittelt wird, die nachfolgend nach Feststellung von Ort und Größe der ursächlichen massebedingten Unwucht mittels mindestens einer Ausgleichsmasse eliminiert wird.