DE102014208681A1

DE102014208681A1 - A method of monitoring a condition of a rotor blade moved in a fluid

Info

Publication number: DE102014208681A1
Application number: DE102014208681.7A
Authority: DE
Inventors: Clemens Launer; Herbert Reigl; Raino Petričević
Original assignee: iNDTact GmbH
Current assignee: iNDTact GmbH
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: DE102014208681B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines in einem Fluid bewegten Rotorblatts (1) mit folgenden Schritten: a) Erfassung von durch Körperschallwellen im Rotorblatt (1) erzeugte Schwingungen mittels zumindest einer am Rotorblatt (1) angebrachten oder in das Rotorblatt (1) integrierten Messeinrichtung (2), b) Bestimmen des Körperschallpegels über einem vorgegebenen Frequenzbereich aus den erfassten Schwingungen, c) Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids relativ zum Rotorblatt (1) aus dem Körperschallpegel, und d) Bestimmung eines den Zustand des Rotorblatts (1) wiedergebenden Parameters aus der ermittelten Strömungsgeschwindigkeit v.The invention relates to a method for monitoring a state of a rotor blade (1) moved in a fluid, comprising the following steps: a) detecting vibrations produced by structure-borne sound waves in the rotor blade (1) by means of at least one rotor blade (1) or in the rotor blade (1 c) determining a flow velocity v of the fluid relative to the rotor blade (1) from the structure-borne sound level, and d) determining a condition of the rotor blade (1 ) reproducing parameter from the determined flow velocity v.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines in einem Fluid bewegten Rotorblatts.The invention relates to a method for monitoring a state of a rotor blade moved in a fluid.

Nach dem Stand der Technik sind Windkraftanlagen allgemein bekannt. Solche Windkraftanlagen weisen einen Rotor mit mehreren Rotorblättern auf. Die Rotorblätter werden beim periodischen Umlauf durch den sogenannten ”Turmschatteneffekt” zu niederfrequenten Schwingungen angeregt. Falls sich die niederfrequenten Schwingungen im Bereich einer Resonanzfrequenz befinden, kann es auch bei relativ niedrigen Windgeschwindigkeiten zu einer Überlastung des Rotorblatts und damit zu einer unerwünschten Beschädigung desselben kommen. Daneben können auch aperiodische Belastungen des Rotorblatts durch Böen Schwingungen hervorrufen, welche den Rotor asymmetrisch belasten und damit zu einer Beschädigung von Lager und/oder Getriebe führen können. – Ähnliche Probleme treten nicht nur bei Rotoren von Windkraftanlagen, sondern auch bei Rotoren von Hubschraubern, Turbinen von Wasserkraftanlagen, Schiffspropellern und dgl. auf.Wind turbines are well known in the art. Such wind turbines have a rotor with several rotor blades. The rotor blades are excited during periodic circulation by the so-called "tower shadow effect" to low-frequency vibrations. If the low-frequency oscillations are in the range of a resonant frequency, it may also come at relatively low wind speeds to overload the rotor blade and thus to an undesirable damage of the same. In addition, aperiodic loads on the rotor blade can also cause vibrations due to gusts, which can load the rotor asymmetrically and thus lead to damage to the bearing and / or gearbox. Similar problems are encountered not only in wind turbine rotors, but also in helicopter rotors, hydropower turbine turbines, marine propellers, and the like.

Die DE 695 31 315 T2 offenbart ein Verfahren zur Echtzeitüberwachung von Ermüdungs- und Spannungskorrosionsrissen in Hubschrauberrotorköpfen. Dabei werden mittels eines piezoelektrischen PVDF-Schallemissionsenergiewandlers am zu überwachenden Bauteil sich nicht wiederholende, hochfrequente Schallemissionsereignisse in einem Frequenzbereich von 1 bis 10 MHz gemessen und sich daraus ergebende Daten an einen Signalaufbereiter übertragen. Aus dem Auftreten eines Schallemissionsereignisses kann auf einen Schaden am überwachten Bauteil geschlossen werden.The DE 695 31 315 T2 discloses a method for real-time monitoring of fatigue and stress corrosion cracking in helicopter rotor heads. In this case, non-repeating, high-frequency acoustic emission events in a frequency range from 1 to 10 MHz are measured by means of a piezoelectric PVDF acoustic emission energy converter on the component to be monitored and the resulting data are transmitted to a signal conditioner. From the occurrence of a sound emission event can be concluded that damage to the monitored component.

Die US 2011/01 35475 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines Rotorblatts einer Windkraftanlage. Dabei wird mittels zumindest eines Sensors eine Schwingung des Rotorblatts erfasst. Der Sensor ist an einer Nabe, einer Rotorwelle oder anderen Bestandteilen eines Antriebsstrangs des Rotors angebracht. In Abhängigkeit der gemessenen Schwingungen des Rotors kann im Falle einer Beschädigung des Rotorblatts durch eine entsprechende Änderung des Pitchwinkels die Windkraftanlage außer Betrieb gesetzt werden.The US 2011/01 35475 A1 discloses a method for monitoring a condition of a rotor blade of a wind turbine. In this case, an oscillation of the rotor blade is detected by means of at least one sensor. The sensor is mounted on a hub, rotor shaft or other components of a drive train of the rotor. Depending on the measured vibrations of the rotor, the wind turbine can be put out of operation in the event of damage to the rotor blade by a corresponding change in the pitch angle.

Mit den bekannten Verfahren ist es zwar möglich, einen Schaden an einem Bauteil zu erkennen. Es kann mitunter aber nicht verhindert werden, dass es zu einem Schaden und somit zum Bruch des Bauteils kommt.With the known methods, it is indeed possible to detect damage to a component. However, it can sometimes be prevented that there is damage and thus breakage of the component.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein möglichst einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren angegeben werden, mit dem mit verbesserter Genauigkeit ein Zustand eines Rotorblatts überwacht werden kann. Nach einem weiteren Ziel des Verfahrens sollen bereits vor dem Eintritt eines Schadens Lastzustände erkannt werden, welche voraussichtlich zu einem Schaden führen.The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, it is intended to specify a method which is as simple and inexpensive as possible, with which a condition of a rotor blade can be monitored with improved accuracy. According to a further object of the method, load states are to be detected even before the occurrence of a damage, which are likely to lead to damage.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 16.This object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the features of claims 2 to 16.

Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung eines Zustands eines in einem Fluid bewegten Rotorblatts mit folgenden Schritten vorgeschlagen:

a) Erfassung von durch Körperschallwellen im Rotorblatt erzeugte Schwingungen mittels zumindest einer am Rotorblatt angebrachten oder in das Rotorblatt integrierten Messeinrichtung,
b) Bestimmen des Körperschallpegels über einem vorgegebenen Frequenzbereich aus den erfassten Schwingungen,
c) Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids relativ zum Rotorblatt aus dem Körperschallpegel, und
d) Bestimmung eines den Zustand des Rotorblatts wiedergebenden Parameters aus der ermittelten Strömungsgeschwindigkeit v.

According to the invention, a method is proposed for monitoring a state of a rotor blade moved in a fluid, comprising the following steps:

a) detection of vibrations produced by structure-borne sound waves in the rotor blade by means of at least one measuring device mounted on the rotor blade or integrated in the rotor blade,
b) determining the structure-borne sound level over a predetermined frequency range from the detected vibrations,
c) determining a flow velocity v of the fluid relative to the rotor blade from the structure-borne sound level, and
d) Determining a parameter representing the state of the rotor blade from the determined flow velocity v.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Umströmung eines Rotorblatts mit einem Fluid eine akustische Anregung des Fluids sowie eine körperakustische Anregung des Rotorblatts bewirkt. Der im Rotorblatt gebildete Körperschall ist gegenüber dem im Fluid gebildeten Schall vergleichsweise stark gedämpft. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, mittels zumindest einer am Rotorblatt angebrachten oder in das Rotorblatt integrierten Messeinrichtung durch Körperschallwellen im Rotorblatt erzeugte Schwingungen zu messen, d. h. eine Änderung der Amplitude der Schwingungen über der Zeit zu erfassen.The invention is based on the finding that the flow around a rotor blade with a fluid causes an acoustic excitation of the fluid and a body-acoustic excitation of the rotor blade. The structure-borne sound formed in the rotor blade is relatively strongly damped compared to the sound formed in the fluid. According to the invention, it is proposed to measure vibrations produced by structure-borne sound waves in the rotor blade by means of at least one measuring device mounted on the rotor blade or integrated in the rotor blade. H. to detect a change in the amplitude of the vibrations over time.

Unter dem Begriff ”Fluid” wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, oder ein Gas, insbesondere Luft, verstanden.For the purposes of the present invention, the term "fluid" is understood to mean a liquid, in particular water, or a gas, in particular air.

Der Erfindung liegt weiter die Erkenntnis zu Grunde, dass der Körperschallpegel sich mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit v des das Rotorblatt umgebenden Fluids in einem bekannten Frequenzbereich oder bei bestimmten Frequenzen zunimmt. Insbesondere nimmt eine mittlere Frequenz eines maximalen Körperschallpegels mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit v zu. Infolgedessen ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids relativ zum Rotorblatt aus dem Körperschallpegel zu ermitteln. Weiter ist es damit in besonders vorteilhafter Weise möglich, aus der ermittelten Strömungsgeschwindigkeit v einen den Zustand des Rotorblatts wiedergegebenen Parameter zu bestimmen.The invention is further based on the knowledge that the body sound level increases with increasing flow velocity v of the fluid surrounding the rotor blade in a known frequency range or at certain frequencies. In particular, an average frequency of a maximum structure-borne sound level increases with increasing flow velocity v. As a result, it is possible to determine the flow velocity v of the fluid relative to the rotor blade from the structure-borne sound level. Next it is in particular with it Advantageously, it is possible to determine a parameter representing the state of the rotor blade from the determined flow velocity v.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vergleichsweise einfach und kostengünstig durchführen. Es erlaubt mit hoher Genauigkeit die Überwachung eines Zustands eines Rotorblatts, insbesondere eines in Luft bewegten Rotorblatts. Das Verfahren erlaubt insbesondere die Erkennung von Lastzuständen, welche voraussichtlich zu einer Beschädigung des Rotorblatts führen. Es können somit frühzeitig Maßnahmen zur Verhinderung eines Schadens des Rotorblatts ergriffen werden.The method according to the invention can be carried out comparatively easily and inexpensively. It allows high-precision monitoring of a state of a rotor blade, in particular of a rotor blade moved in air. In particular, the method allows the detection of load conditions, which are likely to lead to damage of the rotor blade. It can thus be taken early measures to prevent damage to the rotor blade.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Körperschall an einer beliebigen Stelle des Rotorblatts mittels der Messeinrichtung gemessen werden kann. Beispielsweise ist es möglich, den Körperschall im Bereich einer Wurzel des Rotorblatts zu erfassen. Aus dem erfassten Körperschall kann beispielsweise auf eine mittlere Dehnungsbelastung bzw. Durchbiegung des Rotorblatts an einer von der Messeinrichtung entfernten Position geschlossen werden.Another advantage of the method according to the invention is that the structure-borne noise can be measured at any point of the rotor blade by means of the measuring device. For example, it is possible to detect the structure-borne noise in the region of a root of the rotor blade. From the recorded structure-borne noise, it is possible to conclude, for example, an average strain load or deflection of the rotor blade at a position remote from the measuring device.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Parameter eine Dehnung d und zur Bestimmung der Dehnung wird die folgende Beziehung verwendet: d = c·v², wobei c eine Konstante ist. Die Konstante c kann beispielsweise mittels der folgenden Beziehung ermittelt werden:

wobei

c: = die effektive Entfernung der punktuellen Ersatzkraft mit dem Betrag K' zum Ort der Dehnungsmessung,
C_W: = die Widerstandszahl,
ρ: = die Dichte des Fluids,
A: = der effektive Querschnitt bzw. die aerodynamische Stirnfläche des Rotorblatts,
z: = die effektive Entfernung der punktuellen Ersatzkraft zum Ort der Dehnungsmessung,
y: = der Abstand der gedehnten Faser zur neutralen Faser,
I_z: = das axiale Flächenträgheitsmoment,
E: = das E-Modul,

ist.According to an advantageous embodiment, the parameter is an elongation d and for the determination of the elongation the following relationship is used:

d = c · v ² ,

where c is a constant. The constant c can be determined, for example, by means of the following relationship:

in which

c: = the effective distance of the punctiform replacement force with the amount K 'to the location of the strain measurement,
C _W: = the resistance number,
ρ: = the density of the fluid,
A: = the effective cross-section or the aerodynamic end face of the rotor blade,
z: = the effective distance of the point substitute force to the location of the strain measurement,
y: = the distance of the stretched fiber to the neutral fiber,
I _z: = the axial area moment of inertia,
e: = the modulus of elasticity,

is.

Als Parameter kann auch eine Strömungswiderstandskraft K und zur Bestimmung der Strömungswiderstandskraft K die folgende Beziehung verwendet werden: K = ½·C_W·ρ·v²·A, wobei

C_W: = die Widerstandszahl,
ρ: = die Dichte des Fluids,
A: = der effektive Querschnitt bzw. die aerodynamische Stirnfläche des Rotorblatts

ist.As a parameter, also a flow resistance force K and for determining the flow resistance force K, the following relationship can be used:

K = ½ · C _W · ρ · v ² · A,

in which

C _W: = the resistance number,
ρ: = the density of the fluid,
A: = the effective cross-section or the aerodynamic end face of the rotor blade

is.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung im Bereich einer Wurzel des Rotorblatts angebracht. Zweckmäßigerweise werden die von der Messeinrichtung erzeugten Signale oder Daten drahtlos an eine Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt. Die Datenverarbeitungseinrichtung befindet sich in diesem Fall an einem relativ zum Rotor feststehenden Gehäusebestandteil einer den Rotor aufnehmenden Vorrichtung. Das ermöglicht eine relativ einfache Durchführung des Verfahrens.According to a further advantageous embodiment of the invention, the measuring device is mounted in the region of a root of the rotor blade. Advantageously, the signals or data generated by the measuring device are transmitted wirelessly to a data processing device. The data processing device is located in this case on a relative to the rotor fixed housing part of a rotor receiving device. This allows a relatively simple implementation of the method.

Als Messeinrichtung wird zweckmäßigerweise eine Dehnungsmesseinrichtung und/oder eine Beschleunigungsmesseinrichtung und/oder eine Kompressionsmesseinrichtung verwendet. Derartige Messeinrichtungen sind allgemein bekannt. Bei einer Dehnungsmesseinrichtung wird beispielsweise mittels eines piezoelektrischen Elements in Abhängigkeit einer Dehnung eine dazu proportionale Spannung erzeugt. Geeignete piezoelektrische Wandlerelemente sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt. Sie können beispielsweise unter Verwendung von PZT-Fasern oder PZT-Folien hergestellt sein. – Die Messeinrichtung umfasst vorteilhafterweise einen Signalverstärker, Signalfilter, Signalwandler und/oder eine Funkeinrichtung, z. B. einen Transponder, zur Übermittlung von Daten oder Signalen.As a measuring device expediently a strain gauge and / or an acceleration measuring device and / or a compression measuring device is used. Such measuring devices are well known. In a strain measuring device, for example, by means of a piezoelectric element as a function of an elongation, a voltage proportional thereto is generated. Suitable piezoelectric transducer elements are well known in the art. For example, they may be made using PZT fibers or PZT films. - The measuring device advantageously comprises a signal amplifier, signal filter, signal converter and / or a radio device, for. As a transponder, for the transmission of data or signals.

Die obigen Schritte a) bis d) werden zweckmäßigerweise wiederholend mit einer vorgegebenen Taktfrequenz durchgeführt. Die Taktfrequenz kann so gewählt sein, dass die Bestimmung des Parameters in Echtzeit erfolgt.The above steps a) to d) are expediently carried out repeatedly with a predetermined clock frequency. The clock frequency can be chosen so that the determination of the parameter takes place in real time.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Körperschallpegel über den Frequenzbereich gemittelt und zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v werden die gemittelten Werte des Körperschallpegels verwendet. Das ermöglicht eine besonders einfache und schnelle Bestimmung des den Zustand des Rotorblatts wiedergebenden Parameters.According to a further embodiment of the method, the structure-borne sound level is averaged over the frequency range and the average values of the structure-borne sound level are used to determine the flow velocity v. This allows a particularly simple and rapid determination of the state of the rotor blade reproducing parameter.

Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird durch frequenzaufgelöste Erfassung der Körperschallpegel ein Körperschallpegelspektrum erzeugt. Aus dem Körperschallpegelspektrum können Eigenfrequenzen ermittelt, und aus den Eigenfrequenzen der E-Modul oder die Masse und/oder eine Masseverteilung ermittelt werden. Ferner können aus dem Körperschallpegel Lasten oder Lastkollektive ermittelt werden. Abgesehen davon können aus im Körperschallpegelspektrum identifizierten Burstsignalen Schäden im Rotorblatt ermittelt werden. Unter Verwendung von zumindest zwei beabstandet voneinander am Rotorblatt angebrachten oder in das Rotorblatt integrierten Messeinrichtungen ist es ferner möglich, aus den damit bestimmten Körperschallpegeln einen Ort eines Schadens im Rotorblatt zu bestimmen.According to a further particularly advantageous embodiment of the invention is by frequency-resolved recording of the structure-borne sound level generates a structure-borne noise level spectrum. Natural frequencies can be determined from the structure-borne noise level spectrum, and the modulus of elasticity or the mass and / or a mass distribution can be determined from the natural frequencies. Furthermore, loads or load spectra can be determined from the structure-borne sound level. Apart from this, damage in the rotor blade can be determined from burst signals identified in the structure-borne noise level spectrum. By using at least two spaced-apart on the rotor blade mounted or integrated into the rotor blade measuring devices, it is also possible to determine from the thus determined structure-borne sound levels a location of damage in the rotor blade.

Das Körperschallpegelspektrum kann in bekannter Art und Weise beispielsweise unter Verwendung eines Signalanalysators mit Hilfe der schnellen Fourier- oder Wavelet-Transformation oder nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers ermittelt werden.The structure-borne sound level spectrum can be determined in a known manner, for example using a signal analyzer with the aid of the fast Fourier or wavelet transformation or according to the principle of the heterodyne receiver.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels einer am Rotorblatt angebrachten Temperaturmesseinrichtung eine Temperatur des Rotorblatts gemessen und die gemessene Temperatur zur Kalibrierung und/oder zur Korrektur bei der Bestimmung des Parameters verwendet. Die Temperaturmesseinrichtung kann Bestandteil der Messeinrichtung zur Erfassung der durch die Körperschallwellen im Rotorblatt erzeugten Schwingungen sein. Damit kann weiter die Genauigkeit des zur Beschreibung des Zustands des Rotors bestimmten Parameters erhöht werden.According to a further advantageous embodiment, a temperature of the rotor blade is measured by means of a temperature measuring device mounted on the rotor blade and the measured temperature is used for calibration and / or correction in the determination of the parameter. The temperature measuring device may be part of the measuring device for detecting the vibrations generated by the structure-borne sound waves in the rotor blade. This can further increase the accuracy of the parameter used to describe the state of the rotor.

Des Weiteren wird vorteilhafterweise die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids relativ zum Rotorblatt aus dem Körperschallpegel auf der Grundlage von für das Rotorblatt zuvor ermittelten Kalibrierwerten durchgeführt. Die Kalibrierwerte können beispielsweise den E-Modul, die Konstante c sowie deren Temperatur- und/oder Ortsabhängigkeit betreffen.Furthermore, the determination of the flow velocity v of the fluid relative to the rotor blade from the structure-borne sound level is advantageously carried out on the basis of calibration values previously determined for the rotor blade. The calibration values may relate, for example, to the modulus of elasticity, the constant c and their temperature and / or location dependency.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird als Frequenzbereich eine Frequenz von 0 bis 500 kHz, vorzugsweise 0,1 Hz bis 10 kHz, besonders bevorzugt 10 Hz bis 100 Hz, verwendet. Die Wahl des jeweiligen Frequenzbereichs hängt von der Geometrie des Rotorblatts ab. Durch eine geeignete Begrenzung des Frequenzbereichs kann weiter die Genauigkeit des Verfahrens erhöht werden.According to a further embodiment of the method, the frequency range used is a frequency of 0 to 500 kHz, preferably 0.1 Hz to 10 kHz, particularly preferably 10 Hz to 100 Hz. The choice of the respective frequency range depends on the geometry of the rotor blade. By a suitable limitation of the frequency range, the accuracy of the method can be further increased.

Unter Verwendung geeigneter Filter können zusätzlich zu den typischerweise im Frequenzbereich von 0 bis 1 kHz liegenden Körperschallfrequenzen auch höherfrequente Frequenzbereiche oberhalb 1 kHz beobachtet werden. In den höherfrequenten Frequenzbereichen treten Burstsignale auf, welche durch Strukturbrüche oder Mikrorisse verursacht werden. Es können damit zusätzlich zu den oben genannten Parametern eventuell auftretende Schäden am Rotorblatt frühzeitig erkannt werden.Using suitable filters, in addition to the body sound frequencies, typically in the frequency range from 0 to 1 kHz, higher frequency frequency ranges above 1 kHz can also be observed. In the higher frequency frequency ranges, burst signals occur which are caused by structural breaks or microcracks. In addition to the above-mentioned parameters, any damage that may occur to the rotor blade can thus be detected early.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The method according to the invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:

1 schematisch einen Versuchsaufbau, 1 schematically a test setup,

2 die Dehnung über der Zeit für verschiedene Windgeschwindigkeiten, 2 the stretching over time for different wind speeds,

3 die Dehnung über der Windgeschwindigkeit, 3 the strain over the wind speed,

4 der Körperschallpegel über der Frequenz für die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und 4 the structure-borne noise level above the frequency for the different wind speeds and

5 den mittleren Körperschallpegel über der Windgeschwindigkeit für ausgewählte Frequenzbereiche. 5 the average structure-borne noise level above the wind speed for selected frequency ranges.

1 zeigt einen Versuchsaufbau, mit dem beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt worden ist. An einem Rotorblatt 1, welches beispielsweise aus glasfaserverstärktem oder kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt sein kann, ist eine Dehnungsmesseinrichtung 2 angebracht. Das Rotorblatt 1 ist mittels einer Halteeinrichtung 3 auf einem Träger 4 montiert, welcher beispielsweise in einem Windkanal angeordnet sein kann. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein Schalensternanemometer bezeichnet, mit dem die horizontale Windgeschwindigkeit messbar ist. Ferner umfasst der Versuchsaufbau den mit dem Bezugszeichen 6 bezeichneten Windrichtungsgeber zur Messung der horizontalen Windrichtung. Eine allgemein mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnete Datenverarbeitungseinrichtung ist entfernt vom Rotorblatt 1 auf dem Träger 4 montiert. 1 shows a test setup with which the inventive method has been carried out by way of example. On a rotor blade 1 , which may be made of glass fiber reinforced or carbon fiber reinforced plastic, for example, is an elongation measuring device 2 appropriate. The rotor blade 1 is by means of a holding device 3 on a carrier 4 mounted, which may be arranged for example in a wind tunnel. With the reference number 5 is a cup anemometer, with which the horizontal wind speed can be measured. Furthermore, the experimental setup includes the reference numeral 6 designated wind direction sensor for measuring the horizontal wind direction. A generally by the reference numeral 7 designated data processing device is remote from the rotor blade 1 on the carrier 4 assembled.

Die Funktion des Versuchsaufbaus ist Folgende:
Mit dem Schalensternanemometer 5 wird eine herrschende Windgeschwindigkeit laufend gemessen und aufgezeichnet. Zeitgleich werden von der Dehnungsmesseinrichtung gemessene Dehnungen des Rotorblatts 1 erfasst. Die entsprechenden Signale werden mittels der Dehnungsmesseinrichtung digitalisiert. Die entsprechenden Daten werden per Funk an die Datenverarbeitungseinrichtung 7 übermittelt. Sie werden mittels der Datenverarbeitungseinrichtung 7 entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterverarbeitet.The function of the experimental setup is the following:
With the cup star anemometer 5 a prevailing wind speed is continuously measured and recorded. At the same time, strains of the rotor blade measured by the strain gage become 1 detected. The corresponding signals are digitized by means of the strain gauge. The corresponding data are transmitted by radio to the data processing device 7 transmitted. They are by means of the data processing device 7 further processed according to the inventive method.

2 zeigt mittels der Dehnungsmesseinrichtung 2 erfasste Dehnungsmesswerte über der Zeit für verschiedene Windgeschwindigkeiten. Derartige Dehnungsmesswerte bzw. Daten werden von der Dehnungsmesseinrichtung 2 an die Datenverarbeitungseinrichtung 7 übermittelt. 2 shows by means of the strain gauge 2 recorded strain measurements over time for different wind speeds. Such strain measurements or data are from the strain gauge 2 to the data processing device 7 transmitted.

3 zeigt eine aus den Messwerten gemäß 2 ermittelte mittlere Dehnung über der Windgeschwindigkeit. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist die mittlere Dehnung proportional zum Quadrat der Windgeschwindigkeit. 3 shows one of the measured values according to 2 determined average strain above wind speed. How out 3 is apparent, the mean strain is proportional to the square of the wind speed.

4 zeigt den Körperschallpegel über der Frequenz, d. h. ein Frequenzspektrum der Körperschallpegel, für die verschiedenen Windgeschwindigkeiten. Wie aus 4 ersichtlich ist, weist das Rotorblatt 1 Resonanzfrequenzen im Bereich von 5 Hz, 20 Hz und 49 Hz auf. Der weitere Peak bei 280 Hz wird dagegen durch Windgeräusche verursacht. 4 shows the structure-borne noise level over the frequency, ie a frequency spectrum of the structure-borne sound levels, for the different wind speeds. How out 4 it can be seen has the rotor blade 1 Resonant frequencies in the range of 5 Hz, 20 Hz and 49 Hz. The other peak at 280 Hz, on the other hand, is caused by wind noise.

5 zeigt den mittleren Körperschallpegel über der Windgeschwindigkeit für ausgewählte Frequenzbereiche des Körperschallspektrums. Die Mittelwerte des Körperschallpegels verhalten sich weitgehend linear zur Windgeschwindigkeit. Deren Steigung ist überraschenderweise unabhängig vom gewählten Frequenzbereich, über welchen gemittelt worden ist. 5 shows the average structure-borne noise level above the wind speed for selected frequency ranges of the structure-borne sound spectrum. The mean values of the structure-borne noise level are largely linear with the wind speed. Their slope is surprisingly independent of the selected frequency range over which has been averaged.

Aus den in 5 gezeigten Ergebnissen lässt sich aus dem Körperschallpegel auf die Windgeschwindigkeit und unter Beachtung der in 3 gezeigten Ergebnisse auf die Dehnung des Rotorblatts 1 schließen.From the in 5 The results shown can be derived from the structure-borne noise level on the wind speed and in compliance with the in 3 shown results on the elongation of the rotor blade 1 shut down.

Die Parameter d und K können z. B. wie folgt ermittelt werden: The parameters d and K can z. B. can be determined as follows:

Ermittlung des Parameters d:Determination of the parameter d:

Eine Messung der Körperschallpegel in einem Frequenzbereich von 20 bis 300 Hz liefert bei einem Körperschallpegel von –61 dB eine dazu korrespondierende Windgeschwindigkeit v von 20 m/s (siehe 5). Die Kalibierkurve gemäß 3 wird unter Verwendung der allgemeinen Formel y = c·x² gefittet. Es ergibt sich in diesem Fall beispielsweise c zu 0,15849·10^–6 s²/m^–2. Daraus ergibt sich der Parameter d aus der Formel d = c·2 = 0,15849·10^–6 s²m^–2·(20 m/s)² = 63,4 μm/m. A measurement of the structure-borne noise level in a frequency range from 20 to 300 Hz provides a corresponding sound velocity v of 20 m / s for a structure-borne noise level of -61 dB (see 5 ). The calibration curve according to 3 is using the general formula y = c x ² gefittet. In this case, for example, c results at 0.15849 · 10 ^-6 s ² / m ^-2 . This results in the parameter d from the formula d = c × 2 = 0.15849 × 10 ^-6 s ² m ^-2 × (20 m / s) ² = 63.4 μm / m.

Ermittlung des Parameters K:Determination of the parameter K:

Für eine Widerstandszahl C_W von etwa 1 (bei senkrechter Anströmung), einer Dichte von Luft von ρ = 1,2 kg/m³ und einem effektiven Querschnitt A von 0,1 m² ergibt sich der Parameter K, d. h. die Strömungswiderstandskraft zu K = ½·1·1,2 kg/m³·0,1 m²·(20 m/s)² = 24 N. For a resistance coefficient C _W of about 1 (with a perpendicular flow), a density of air of ρ = 1.2 kg / m ³ and an effective cross-section A of 0.1 m ² , the parameter K, ie the flow resistance force, increases K = ½ x 1 x 1.2 kg / m ³ x 0.1 m ² x (20 m / s) ² = 24 N.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Rotorblattrotor blade
22: DehnungsmesseinrichtungStrain gauge
33: Haltevorrichtungholder
44: Trägercarrier
55: Schalensternanemometeranemometer
66: WindrichtungsgeberWind direction sensor
77: DatenverarbeitungseinrichtungData processing device

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 69531315 T2 [0003]
US 2011/0135475 A1 [0004]

Claims

Method for monitoring a state of a rotor blade moved in a fluid ( 1 ) comprising the following steps: a) detection of structure-borne sound waves in the rotor blade ( 1 ) generated vibrations by means of at least one of the rotor blade ( 1 ) or in the rotor blade ( 1 ) integrated measuring device ( 2 b) determining the structure-borne sound level over a predetermined frequency range from the detected vibrations, c) determining a flow velocity v of the fluid relative to the rotor blade ( 1 ) from the structure-borne sound level, and d) determining the condition of the rotor blade ( 1 ) reproducing parameter from the determined flow velocity v.

The method of claim 1, wherein the parameter is an elongation d and the following relationship is used to determine the elongation:

d = c · v ² ,

where c is a constant.

Method according to one of the preceding claims, wherein the parameter is a flow resistance force K and the following relationship is used to determine the flow resistance force K:

K = ½ · C _W · ρ · v ² · A

where C _w = the resistance number, ρ = the density of the fluid, A = the effective cross section or the aerodynamic end face of the rotor blade.

Method according to one of the preceding claims, wherein the measuring device ( 2 ) in the region of a root of the rotor blade ( 1 ) is attached.

Method according to one of the preceding claims, wherein the measuring device ( 2 ) generated signals or data wirelessly to a data processing device ( 7 ).

Method according to one of the preceding claims, wherein a strain measuring device ( 2 ) and / or a compression measuring device is used.

Method according to one of the preceding claims, wherein the steps a) to d) are repeated at a predetermined clock frequency.

Method according to one of the preceding claims, wherein the structure-borne sound level is averaged over the frequency range, and the averaged values of the structure-borne sound level are used to determine the flow velocity v.

Method according to one of claims 1 to 7, wherein a structure-borne sound level spectrum is generated by frequency-resolved detection of the structure-borne sound level.

The method of claim 8, wherein determined from the structure-borne sound level spectrum natural frequencies, and from the natural frequencies of the modulus of elasticity and / or the mass and / or a mass distribution is / are determined.

Method according to claim 8 or 9, wherein loads or load spectra are determined from the structure-borne sound level.

Method according to one of claims 8 to 11, wherein from in the structure-borne sound level spectrum identified burst signals damage in the rotor blade ( 1 ) be determined.

Method according to one of the preceding claims, wherein using at least two spaced apart on the rotor blade ( 1 ) or in the rotor blade ( 1 ) built-in measuring devices determined each structure-borne noise level and from this a place of damage in the rotor blade ( 1 ) is determined.

Method according to one of the preceding claims, wherein by means of a on the rotor blade ( 1 ) mounted temperature measuring device a temperature of the rotor blade ( 1 ) and the measured temperature is used for calibration and / or correction in the determination of the parameter.

Method according to one of the preceding claims, wherein the determination of the flow velocity v of the fluid relative to the rotor blade ( 1 ) from the structure-borne noise level on the basis of 1 ) previously determined calibration values is performed.

Method according to one of the preceding claims, wherein the predetermined frequency range is 0 to 100 kHz, preferably 10 Hz to 1 kHz, particularly preferably 10 Hz to 500 Hz.