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Die vorliegende Anmeldung betrifft unter anderem ein Verfahren zum Ermitteln einer Notwendigkeit, einen Schmierzustand eines Rotorblattlagers einer Windkraftanlage zu verbessern. Die Anmeldung betrifft außerdem eine Steuervorrichtung, die zum Durchführen eines solchen Verfahrens eingerichtet ist, sowie eine Windkraftanlage mit einer solchen Steuervorrichtung.
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Lager dienen dazu, Relativbewegungen von Elementen einer Maschine zu führen. Dabei werden durch das Lager die Freiheitsgrade der gelagerten Elemente typischerweise eingeschränkt. Beispielsweise kann ein Lager ausgestaltet sein, translatorische Bewegungen (Verschiebungen) nur in eine oder mehrere vorgegebene Richtungen zu ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann ein Lager ausgestaltet sein, rotatorische Bewegungen (Drehbewegungen) nur um eine oder mehrere vorgegebene Drehachsen zuzulassen.
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Eine weitere Funktion von Lagern besteht darin, durch die Relativbewegungen hervorgerufene Reibungskräfte zu reduzieren und Verschleißprozesse zu verlangsamen. Hierzu weisen Lager Lagerflächen auf, die zwischen den gelagerten Elementen angeordnet sind. Beispielsweise können die Lagerflächen eines sogenannten Gleitlagers als Gleitflächen ausgestaltet sein. Bei den Relativbewegungen der Elemente gleiten die Gleitflächen aufeinander oder aneinander entlang. Ein als Wälzlager ausgestaltetes Lager kann beispielsweise Wälzelemente, wie beispielsweise Kugeln, Zylinder oder andere Rotationskörper, sowie eine oder mehrere Laufflächen für die Wälzelemente umfassen. Beispielsweise können die Wälzelemente im Falle eines radialen Wälzlagers zwischen zwei einander zugewandten Laufflächen angeordnet sein, wobei die Laufflächen beispielsweise durch die Oberflächen zweier konzentrisch angeordneter, ringförmiger Lagerelemente des Lagers gebildet werden, beispielsweise einen Lagerinnenring und einen Lageraußenring. Ein entsprechendes Rotorblattlager ist beispielsweise der Veröffentlichungsschrift
WO 2014/195357 A1 zu entnehmen. Die Oberflächen der Wälzelemente und die Oberflächen der Laufflächen bilden die Lagerflächen des Lagers. Bei den Relativbewegungen der gelagerten Elemente rollen die Wälzelemente auf der bzw. auf den Laufflächen ab.
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Das Lager weist typischerweise eine Schmierung auf, d. h. auf den Lagerflächen des Lagers befindet sich ein Schmiermittel, beispielsweise ein pastöses Schmiermittel, beispielweise ein Schmierfett. Die Aufgabe der Schmierung kann es beispielsweise sein, Reibungskräfte zu reduzieren, mögliche Verschleiß- oder Schädigungsprozesse an den Lagerflächen, wie beispielsweise durch Abrieb, Überhitzung, Korrosion oder andere Mechanismen, zu verlangsamen oder möglichst ganz zu verhindern. Eine Funktion des Schmiermittels kann es beispielsweise sein, zwischen den Lagerflächen einen direkten Berührungskontakt der Lagerflächen vollständig oder teilweise zu verhindern. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Schmiermittel zwischen den Lagerflächen einen dünnen Film (auch als Schmierfilm bezeichnet) ausbildet. Dieser Schmierfilm kann einen zwischen zwei einander zugewandten Lagerflächen befindlichen Schmierspalt ausbilden und/oder diesen ausfüllen.
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Beispielsweise kann es erforderlich oder wünschenswert sein, dass der zwischen den Lagerflächen gebildete Film des Schmiermittels (bzw. der von dem Schmierfilm ausgefüllte Schmierspalt) möglichst gleichmäßig ist und/oder eine bestimmte Mindestdicke aufweist.
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Daher kann der Schmierzustand, also der Zustand der Schmierung eines Lagers beispielsweise durch den Zustand des Schmierfilms (bzw. des Schmierspaltes) charakterisiert werden, insbesondere durch dessen Gleichmäßigkeit und/oder dessen Mindestdicke zwischen den Lagerflächen.
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Eine Verbesserung des Schmierzustandes kann beispielsweise dann notwendig sein, wenn die Schmierung nicht ausreicht, die oben beschriebenen Funktionen der Schmierung zuverlässig zu erfüllen, beispielsweise wenn der Schmierfilm keine ausreichende Dicke aufweist oder ungleichmäßig ist.
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Es stellt sich daher unter anderem die Aufgabe, auf möglichst einfache Weise zu ermitteln, ob eine Verbesserung des Schmierzustands eines Lagers, beispielsweise eine Rotorblattlagers einer Windkraftanlage, erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie durch eine Steuervorrichtung und eine Windkraftanlage gemäß den nebengeordneten Ansprüchen. Weiterentwicklungen und spezielle Ausführungsmöglichkeiten ergeben aus den übrigen Ansprüchen wie auch aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Als Lager kommt prinzipiell jedes der eingangs beschriebenen Lager in Frage. Insbesondere kann es sich bei dem Lager um ein Drehlager handeln, beispielsweise um ein Drehlager mit nur einer Drehachse (Radiallager) wie etwa ein radiales Wälzlager. Das Drehlager kann beispielsweise ein Rotorblattlager einer Windkraftanlage sein. Das Rotorblattlager dient dazu, das Rotorblatt mit einer Rotornabe der Windkraftanlage zu verbinden und das Rotorblatt um eine Längsachse des Rotorblatts drehbar zu lagern. Rotorblattlager können beispielsweise dazu verwendet werden, eine sogenannte (aktive) Rotorblattwinkelregelung (auch als Pitch- oder Anstellwinkel-Regelung bezeichnet) für die einzelnen Rotorblätter der Windkraftanlage durchzuführen.
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Lediglich zur besseren Verständlichkeit wird im Folgenden das vorgeschlagene Verfahren am Beispiel eines solchen Rotorblattlagers und einer Windkraftanlage beschrieben sowie einer entsprechend eingerichteten Steuervorrichtung einer Windkraftanlage. Das Verfahren kann aber auf entsprechende Weise auch für ein anderes Lager durchgeführt werden, welches beispielsweise Teil einer anderen Maschine als einer Windkraftanlage sein kann. insofern können in der Beschreibung die Begriffe Rotorblattlager und Windkraftanlage auch durch die allgemeineren Begriffe Lager ersetzt werden. Entsprechend handelte es sich dann bei der Steuervorrichtung um die Steuervorrichtung dieser Maschine. Sofern im Folgenden allgemein von einem Lager oder einer Maschine die Rede ist, kann das jeweils Gesagte insbesondere auch auf ein Rotorblattlager bzw. eine Windkraftanlage bezogen werden.
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Demnach kann das vorgeschlagene Verfahren beispielsweise dazu dienen, eine Notwendigkeit, einen Schmierzustand eines Rotorblattlagers einer Windkraftanlage zu verbessern, zu ermitteln oder festzustellen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – (a) Ermitteln mindestens eines aktuellen Wertes mindestens eines Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage (oder Maschine), beispielsweise durch Messen mittels eines entsprechenden Sensors,
- – (b) Prüfen mindestens eines vorgegebenen Notwendigkeitskriteriums für eine Verbesserung des Schmierzustandes des Rotorblattlagers (oder Lagers der Maschine) unter Berücksichtigung des mindestens einen aktuellen Wertes des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage, und vorzugsweise außerdem
- – (c) Verändern eines, mehrerer oder jedes Notwendigkeitskriteriums des mindestens einen vorgegebenen Notwendigkeitskriteriums in Abhängigkeit von dem mindestens einen aktuellen Wert des Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage.
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Auf Grundlage des Ergebnisses der Prüfung des mindestens einen Notwendigkeitskriteriums kann festgestellt werden, ob eine Verbesserung des Schmierzustandes des Rotorblattlagers notwendig ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von einem Ergebnis der in Schritt (b) durchgeführten Prüfung des mindestens einen vorgegebenen Notwendigkeitskriteriums mindestens eine Maßnahme zum Verbessern des Schmierzustandes ausgelöst wird, beispielsweise wenn zumindest eines, mehrere oder jedes des mindestens einen Notwendigkeitskriteriums erfüllt ist bzw. sind.
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Eine mögliche Maßnahme zum Verbessern des Schmierzustandes kann beispielsweise darin bestehen, eine oder mehrere Bewegungen des Rotorblattlagers auszulösen und durchzuführen. Typischerweise geht diese ausgelöste Bewegung, welche im Rahmen dieser Anmeldung auch als Schmierfahrt bezeichnet wird, von einer Ausgangsstellung des Lagers aus, welche eine aktuellen Stellung des Lagers oder die aktuellen Mittellage des Lagers sein kann, erfolgt bis zu einer Amplitude der ausgelösten Bewegung und endet typischerweise wieder in der Ausgangsstellung oder in der aktuellen Mittellage. Vorzugsweise ist ein Amplitudenwert der ausgelösten Bewegung, wiederum gemessen von der Mittellage des Lagers, größer als ein vorgegebener (dritter) Schwellwert, wobei der vorgegebene (dritte) Schwellwert beispielsweise 2° oder mehr betragen kann. Vorzugsweise beträgt der (dritte) Schwellwert mindestens 5° oder mindestens 10°. Mittels der ausgelösten Bewegung (Schmierfahrt) kann erreicht werden, dass das Schmiermittel im Lager vergleichmäßigt wird und/oder dass eine Dicke des Schmierfilms wieder vergrößert wird, so dass der Schmierzustand des Lagers verbessert wird.
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Während des Durchführens der ausgelösten Bewegung wird dem Lager vorzugsweise kein zusätzliches Schmiermittel zugeführt und der Schmiermittelverbrauch somit insgesamt gesenkt. Vielmehr wird der Schmierzustand dann ausschließlich durch eine Vergleichmäßigung des Schmiermittels im Lager durch die ausgelöste Bewegung (Schmierfahrt) verbessert.
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Prinzipiell ist es aber auch möglich, dass die mindestens eine Maßnahme zur Verbesserung des Schmierzustands das Hinzufügen bzw. Einpressen von zusätzlichem Schmiermittel in das Rotorblattlager umfasst.
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Wird der Schritt (c) durchgeführt, wird also zumindest eines des mindestens einen Notwendigkeitskriterium verändert, so ist dieses mindestens eine Notwendigkeitskriterium zeitlich nicht konstant, sondern wird in Abhängigkeit aktueller Werte des Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage zeitlich verändert und optimiert. Auf diese Weise können mögliche Abhängigkeiten der zeitlichen Veränderungen des Schmierzustandes des Rotorblattlagers von den Betriebs- oder Regelungsparametern der Windkraftanlage bei der Ermittlung, ob der Schmierzustand des Rotorblattlagers verbessert werden soll, berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise das Risiko vermindert werden, dass zu früh oder zu spät bzw. zu häufig oder zu selten Maßnahmen zur Verbesserung des Schmierzustandes ausgelöst und durchgeführt werden. Beispielsweise können die Notwendigkeitskriterien geändert werden, wenn sich der Betriebszustand, äußere Einflussgrößen oder Regelungsparameter der Windkraftanlage ändern. Es kann auf diese Weise insbesondere erreicht werden, dass jedes zu prüfende Notwendigkeitskriterium immer bestmöglich an den aktuellen Betriebszustand, die äußeren Einflussgrößen oder Regelungsparametern angepasst ist. Andernfalls könnte beispielweise ein nicht auf diese Weise angepasstes, aber dennoch verwendetes Notwendigkeitskriterium beispielsweise zu früh bzw. zu oft oder zu spät bzw. zu selten Maßnahmen zum Verbessern des Schmierzustands des Lagers auslösen.
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Ein Betriebs- oder Regelungsparameter der Windkraftanlage ist ein Betriebsparameter oder ein Regelungsparameter der Windkraftanlage. Ein Betriebsparameter charakterisiert einen momentanen Betriebszustand der Windkraftanlage oder eine momentane (innere oder äußere) Betriebsbedingung (auch als Einflussgröße bezeichnet) der Windkraftanlage, wie beispielsweise die unten aufgeführten Parameter Last, Temperatur, Ist-Leistung oder Soll-Leistung der Windkraftanlage. Ein Regelungsparameter ist ein Parameter eines Regelkreises der Windkraftanlage, wie beispielsweise eine Regelgröße, eine Stellgröße, eine Führungsgröße oder eine Messgröße, welche bei der Regelung der Windkraftanlage gemessen und ggf. variiert wird, wie beispielsweise eine Messgröße, die eine momentanen Zustand eines Stellgliedes der Windkraftanlage definiert, wie beispielsweise des Rotorblattlagers oder dessen Verstellantriebs. Die in dem Verfahren verwendeten Betriebsparameter und Regelungsparameter können daher auch als Regelungsparameter zur Regelung des Rotorblattwinkels verwendet werden, wie beispielsweise die unten aufgeführten Parameter. Ein Betriebs- oder Regelungsparameter kann sowohl ein Betriebsparameter wie auch ein Regelungsparameter sein.
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Einer, mehrere oder jeder des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameters kann beispielsweise aus folgenden Parametern ausgewählt sein:
- – eine momentane Lagerposition des Rotorblattlagers bezüglich einer momentanen Mittellage des Rotorblattlagers, wobei diese Lagerposition typischerweise dem Rotorblattwinkel entspricht bzw. diesen eindeutig vorgibt,
- – eine Amplitude einer Bewegung des Rotorblattlagers bezüglich einer momentanen Mittellage des Rotorblattlagers,
- – eine Geschwindigkeit einer Bewegung des Rotorblattlagers,
- – eine Beschleunigung einer Bewegung des Rotorblattlagers,
- – eine auf das Rotorblatt einwirkende Last, typischerweise durch Wind hervorgerufen und somit auch ein mögliches Maß für die momentane Windgeschwindigkeit,
- – eine Temperatur, beispielsweise eine Außentemperatur der Windkraftanlage oder eine Temperatur des Schmiermittels,
- – eine Soll-Leistung der Windkraftanlage, beispielsweise vorgegeben durch einen Stromabnehmer oder Stromnetzbetreiber. Neben den genannten Parametern kommen als Betriebs- oder Regelungsparameter noch weitere Parameter in Frage, wie beispielsweise die momentane Mittellage des Lagers.
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Bei der momentanen Mittellage handelt es sich bei einem Rotorblattlager typischerweise um die sogenannte aktuelle 0°-Position, in der das jeweilige Rotorblatt seine maximale aerodynamische Leistung entfaltet. Die momentane Mittellage kann daher von der momentanen Windgeschwindigkeit abhängen. Ist die Windgeschwindigkeit über der sogenannten Nennwindgeschwindigkeit der Windkraftanlage, kann zur Leistungsreduktion der Anstellwinkel der Rotorblätter auf einen von 0° verschiedenen Wert eingestellt werden, beispielsweise im Rahmen einer (aktiven) Pitchregelung.
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Beispielsweise kann die genannte Last mittels eines Lastsensors erfasst werden, der beispielsweise ganz oder teilweise in das jeweilige Rotorblatt integriert sein kann. Die Außentemperatur kann mittels eines Thermometers und die Windgeschwindigkeit mittels einer Vorrichtung zur Messung der Windgeschwindigkeit, beispielsweise mittels eines Anemometers, gemessen werden. Die aktuelle Soll-Leistung kann beispielsweise in Abhängigkeit von aktuellen Anforderungen eines Stromnetzbetreibers hinsichtlich der Stromlieferung der Windkraftanlage sein.
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Es kann außerdem vorgesehen sein, dass unter Verwendung des mindestens einen aktuellen Werts des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameters mindestens ein zeitlich gemittelter Wert des jeweiligen Betriebs- oder Regelungsparameters berechnet wird, wie beispielsweise eine zeitlich gemittelte Geschwindigkeit oder Beschleunigung der Bewegungen des Lagers bzw. zeitlich gemittelte Absolutwerte dieser Parameter. Zeitliche Mittelungen können beispielsweise durch Mittelungen von Werten, die innerhalb von vorgegebenen Zeitintervallen erfasst worden sind, erfolgen. Es ist möglich, für verschiedene Parameter unterschiedliche Zeitintervalle zu verwenden. Die Zeitintervalle können beispielsweise 10 Minuten oder beispielsweise 1, 6, 12 oder 24 Stunden sein. Dann kann in Schritt (c) eines, mehrere oder jedes des mindestens einen vorgegebenen Notwendigkeitskriteriums in Abhängigkeit von dem mindestens einen zeitlichen Mittelwert des jeweiligen Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage verändert werden.
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Insbesondere können die Betriebs- und Regelungsparameter der Windkraftanlager, wie auch deren zeitlich gemittelten Werte, einen direkten oder indirekten Einfluss auf den Schmierzustand des Rotorblattlagers oder auf die zeitliche Veränderung des Schmierzustandes haben. Beispielsweise kann das Schmiermittel durch bestimmte Bewegungen des Rotorblattlagers ungleichmäßig verteilt werden, wie weiter unten näher beschrieben wird.
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Die genannten Parameter können beispielsweise auch einen Einfluss darauf haben, ob eine Verbesserung des Schmierzustandes als notwendig eingestuft werden soll oder nicht. Dies kann außer von technischen Faktoren auch von wirtschaftlichen Erwägungen abhängen, wie beispielsweise im Fall der Soll-Leistung der Windkraftanlage. Es ist beispielsweise möglich, dass die Durchführung von Maßnahmen zur Verbesserung des Schmierzustandes eine momentane Ist-Leistung der Windkraftanlage zumindest vorübergehend reduzieren, so dass hierdurch eine vorgegebene Soll-Leistung möglicherweise nicht mehr ununterbrochen erreicht wird, sondern zeitweise unterschritten wird. Daher kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das mindestens eine Notwendigkeitskriterium in Abhängigkeit der Soll-Leistung so verändert wird, dass eine Unterschreitung der Soll-Leistung ausgeschlossen oder zumindest zeitlich minimiert wird, beispielsweise durch Heraufsetzen des weiter unten beschriebenen Grenzwertes für eine vorgegebene Kennzahl.
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Es ist beispielsweise möglich, eines, mehrere oder jedes der vorgegebenen Notwendigkeitskriterien auf Grundlage einer oder mehrerer Kennzahlen zu definieren, deren Werte beispielsweise unter Verwendung der aktuellen Werte und/oder zeitlich gemittelten Werte eines oder mehrerer des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameter der Windkraftanlage berechnet werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass unter Verwendung des mindestens einen aktuellen Werts und/oder zeitlich gemittelten Werts eine Kennzahl berechnet wird. Vorzugsweise eignen sich die Kennzahlen für die Bestimmung eines wahrscheinlichen oder geschätzten momentanen Schmierzustandes des jeweiligen Lagers, wie beispielsweise der weiter unten definierte Zählwert für Bewegungen des Lagers. Ein weiteres Beispiel für eine Kennzahl ist die Zeitdauer, in der sich die aktuellen Werte und/oder die zeitlich gemittelten Werte des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameter innerhalb vorgegebener Bereiche liegen. Insbesondere kann auf eine direkte Messung des Schmierzustandes, also beispielsweise der Dicke eines Schmierfilms, verzichtet werden. Entsprechend ist es möglich, dass das Rotorblattlager keine Sensoren zum direkten Erfassen des Schmierzustandes aufweisen muss, wie etwa Sensoren zur Messung der Schmierfilmdicke.
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Beispielsweise kann ein Notwendigkeitskriterium des mindestens einen vorgegebenen Notwendigkeitskriteriums genau dann als erfüllt bewertet werden, wenn eine so berechnete Kennzahl einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet (oder alternativ unterschreitet) oder außerhalb (oder alternativ innerhalb) eines vorgegebenen ein- oder beidseitig begrenzten Werteintervalls liegt.
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Beispielsweise können auch Definitionen, Rechenvorschriften oder Parameter der Kennzahlen, welche die aktuell gültige Art der Berechnung der jeweiligen Kennzahl festlegen und beispielsweise auf dem Datenspeicher der vorgeschlagenen Steuervorrichtung gespeichert sein können, von dem aktuellen Wert zumindest eines des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage abhängen und, beispielsweise im Schritt (c) des vorgeschlagenen Verfahrens, entsprechend verändert werden, um das jeweils zugehörige Notwendigkeitskriterium zu verändern. Das gleiche gilt für die oben genannten vorgegebenen Grenzwerte und Werteintervalle für die Kennzahlen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise auf mindestens eine Datenmatrix (auch als Parametermatrix bezeichnet) zugegriffen werden, die ebenfalls auf dem Datenspeicher der vorgeschlagenen Steuervorrichtung gespeichert sein kann.
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Beispielsweise kann der oben genannte vorgegebene Grenzwert in Abhängigkeit von dem mindestens einen aktuellen Wert des Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage verändert werden. So kann der Grenzwert beispielsweise bei steigenden Werten der Last des Rotorblatts herabgesetzt werden und/oder bei steigender Soll-Leistung der Windkraftanlage heraufgesetzt werden.
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Beispielsweise kann für die Ausführung des Schritts (c) des vorgeschlagenen Verfahrens auf die bereits oben erwähnte mindestens eine Datenmatrix zugegriffen werden. In dieser mindestens einen Datenmatrix können beispielsweise verschiedene Werte für einen, mehrere oder jeden des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameters gespeichert sein. Diese Parameter können beispielsweise die durch Wind erzeugte aktuelle Last des Rotorblatts, die aktuelle Außentemperatur der Windkraftanlage, die aktuelle Soll-Leistung der Windkraftanlage, sowie zeitlich gemittelte Amplitudenwerte, zeitlich gemittelte Geschwindigkeiten und/oder zeitlich gemittelte Beschleunigungen der Bewegungen des Lagers umfassen. Beispielsweise können in der Datenmatrix als Werte der Parameter Minimalwertewerte, Maximalwerte, Mittelwerte sowie Standartabweichungen von Mittelwerten der jeweiligen Parameter gespeichert sein. Diese Werte können jeweils bezüglich eines der oben vorgegebenen Zeitintervalle definiert sein.
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Neben diesen Werten können auch Werte mindestens eines weiteren Parameters gespeichert sein. Als weiterer Parameter kommen beispielsweise die oben wie auch weiter unten genannten Grenzwerte für die Kennzahlen in Frage wie auch solche Parameter, welche die Berechnung einer oder mehrere der Kennzahlen festlegen, wie beispielsweise der erste Schwellwert, der zweite Schwellwert, ggf. die weiteren Schwellwerte zwischen dem ersten und zweiten Schwellwert, ggf. Gewichtungswerte und/oder der untere Amplitudengrenzwert, welche weiter unten beschrieben werden.
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Durch die Datenmatrix kann beispielsweise eine Verknüpfung oder ein Mapping zwischen dem mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameters einerseits und den weiteren Parametern andererseits definiert sein, so dass in der Datenmatrix jedem Satz gespeicherter Werte des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameters eindeutig ein Satz mindestens eines Wertes des mindestens einen weiteren Parameters zugeordnet ist. Beim Zugreifen auf die Datenmatrix können beispielsweise der mindestens eine aktuelle Wert oder der mindestens eine zeitlich gemittelte Wert des mindestens einen Betriebs- oder Regelungsparameters mit den in der Datenmatrix gespeicherten Wert des jeweiligen Betriebs- oder Regelungsparameter verglichen werden.
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Anschließend können aus der Datenmatrix derjenige mindestens eine Wert des mindestens einen weiteren Parameters aus der Datenmatrix ausgelesen werden, der zu denjenigen gespeicherten Werten des Betriebs- oder Regelungsparameters gehören, die am dichtesten an den aktuellen Werten bzw. zeitlich gemittelten Werten der jeweiligen Betriebs- oder Regelungsparameter liegen. Beispielsweise entspricht die Dimension der Parametermatrix der Gesamtzahl der in ihr gespeicherten Betriebs- oder Regelungsparameters und der weiteren Parameter.
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Die in der mindestens einen Datenmatrix gespeicherten Parameterwerte können beispielsweise auf Grundlage von Messungen an einer Windkraftanlage oder an einem physikalischen Teststand, der die Bedingungen in einem Rotorblattlager möglichst realistisch nachstellt, gewonnen worden sein. Beispielsweise kann in derartigen Messungen untersucht werden, welchen Einfluss verschiedene Bewegungsmuster des Rotorblatts unter vorgegebenen Betriebsbedingungen auf den Schmierzustand des Lagers haben. Hierbei können beispielsweise verschiedene Zeitverläufe und Kombinationen der oben genannten Betriebs- und Regelungsparameter experimentell nachgestellt werden. Dabei können beispielsweise solche Szenarien identifiziert werden, die einen besonders nachteiligen Effekt auf den Schmierzustand des Lagers haben. Ebenso kann untersucht werden, unter welchen Bedingungen der Schmierzustand wieder verbessert werden kann. Typischerweise bleiben die in der Datenmatrix gespeicherten Werte während der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zeitlich unverändert.
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Im Folgenden wird ein Beispiel einer Kennzahl beschrieben, welche sich besonders gut für die indirekte Bestimmung des Schmierzustandes eines Rotorblattlages einer Windkraftanlage eignet.
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Zur Berechnung dieser Kennzahl, welche im Folgenden auch als Zählwert bezeichnet wird, werden Amplitudenwerte von aufeinander folgenden Bewegungen des Lagers um eine momentane Mittellage des Lagers ermittelt. Bei den Bewegungen kann es sich im Fall eines Drehlagers beispielsweise um aufeinander folgende rotatorische Bewegungen um die momentane Mittellage des Drehlagers handeln. Ferner kann es sich bei den aufeinander folgenden Bewegungen um periodische Bewegungen oder Schwingungen des Lagers handeln.
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Mit dem Begriff aufeinander folgende Bewegungen des Lagers um eine momentane Mittellage des Lagers können allgemein solche Bewegungen des Lagers verstanden werden, bei denen das Lager aus der momentanen Mittellage des Lagers heraus bewegt wird und anschließend wieder zur Mittellage zurückbewegt wird, wobei typischerweise direkt anschließend die nächste dieser aufeinander folgenden Bewegungen durchgeführt wird. Die Richtung der Bewegung kehrt sich in der Amplitude der Bewegung um. Die Amplitude und der die Amplitude quantifizierende Amplitudenwert sind jeweils bezüglich der momentanen Mittelage des Lagers definiert. Die Mittellage kann zeitlich unveränderlich sein oder aber sich zeitlich ändern. Beispielsweise können sich die Amplituden zweier direkt aufeinander folgender Bewegungen auf verschiedenen Seiten der momentanen Mittellage liegen. Das Lager führt dann also (Dreh-)Schwingungen um die momentane Mittellage aus. Es ist aber prinzipiell auch möglich, dass sich die Amplituden zweier direkte aufeinander folgenden Bewegungen auf derselben Seite der Mittellage befinden.
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Mit dem Begriff Bewegung des Lagers werden ausschließlich solche Bewegungen des Lagers bzw. Lagerbewegungen betrachtet, welche dem mindestens einen Freiheitsgrad des Lagers entsprechen und die mit den eingangs beschriebenen Relativbewegungen der durch das Lager geführten Elementen einhergehen. Insbesondere im Fall eines Drehlagers handelt es sich bei den Bewegungen des Lagers daher um rotatorische Bewegungen des Drehlagers um eine oder mehrere Drehachsen des Drehlagers, im Fall des Rotorblattlagers um Drehungen um die Längsachse des Rotorblatts.
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Die ermittelten Amplitudenwerte werden jeweils mit einem oder mehreren vorgegebenen Schwellwerten verglichen. Der Zählwert (d. h. die Kennzahl) wird berechnet, indem der Zählwert, typischerweise ausgehenden von einem Startwert, nur für solche Bewegungen der aufeinander folgenden Bewegungen des Lagers vergrößert wird, deren ermittelten Amplitudenwerte kleiner als ein erster Schwellwert des mindestens einen Schwellwerts sind. Für solche Bewegungen der aufeinander folgenden Bewegungen des Lagers, deren ermittelten Amplitudenwerte größer als der erste Schwellwert sind, wird der Zählwert beispielsweise jedoch nicht vergrößert.
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Der Zählwert wächst sodann mit der Anzahl derjenigen Bewegungen, deren Amplitudenwerte kleiner als der erste Schwellwert sind. Es ist beispielsweise möglich, dass der Zählwert, ausgehend von einem Startwert N, beispielsweise N = 0, um einen bestimmten (positiven) Gewichtungswert G, beispielsweise G = 1, vergrößert wird, wenn der Vergleich des ermittelten Amplitudenwertes der jeweils zuletzt erfolgten Bewegungen des Lagers mit dem ersten Schwellwert ergeben hat, dass dieser Amplitudenwert kleiner als der erste Schwellwert ist.
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Beispielsweise können bei der Berechnung des Zählwertes solche Bewegungen des Lagers unberücksichtigt bleiben oder einen Gewichtungswert von Null (G = 0) erhalten, deren Amplitudenwerte kleiner als ein vorgegebener positiver unterer Amplitudengrenzwert sind. Dieser positive untere Amplitudengrenzwert kann im Fall rotatorischer Bewegungen beispielsweise 0,1° betragen. Insbesondere im bereits genannten Fall der Pitchregelung eines Rotorblatts haben Verstellungen des Rotorblatts in der Regel Werte von mehr als 0,1°.
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Der erste Schwellwert kann beispielsweise 3° oder weniger betragen, vorzugsweise beträgt der erste Schwellwert 1° oder noch weniger. Typischerweise ist der erste Schwellwert aber größer als 0,1° gewählt.
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Die Verwendung des hier vorgeschlagenen beschriebenen Zählwertes beruht auf der Erkenntnis, dass sich dieser Zählwert besonders gut für die indirekte Bewertung des Schmierzustandes eines Lagers eignet. Insbesondere zeigt sich häufig, dass der Schmierzustand des Lagers umso schlechter ist, je größer dieser Zählwert ist. Ein anwachsender Zählwert kann somit als ein Indikator für eine wahrscheinliche Verschlechterung des Schmierzustands des Lagers bewertet werden.
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Eine mögliche Erklärung für die Bedeutung des vorgeschlagenen Zählwertes für den Schmierzustand eines Lagers könnte darin begründet liegen, dass mit diesem Zählwert die Anzahl relativ kleiner (definiert durch den ersten Schwellwert) aufeinander folgender Bewegungen des Lagers gemessen werden können und dass sich der Schmierzustand eines Lagers durch eine Vielzahl solcher Bewegungen deutlich verschlechtern kann. Typischerweise führen derartige Bewegungen dazu, dass Schmiermittel, welches sich zwischen Lagerflächen des Lagers befindet, auf ungünstige Weise umverteilt wird. Beispielsweise kann die bereits oben beschriebene Filmdicke des Schmiermittels ungleichmäßig werden und/oder sich in Bereichen zwischen den Lagerflächen soweit verringern, dass die Schmierung der Lagerflächen in diesen Bereichen nicht mehr ausreichend ist.
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Ein mögliches Notwendigkeitskriterium für eine Verbesserung des Schmierzustandes eines Lagers kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass es dann, alternativ genau dann, erfüllt ist, wenn der Zählwert einen für diesen Zählwert vorgegebenen Grenzwert überschritten hat. Dieser Grenzwert kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 1000 und 10000 liegen, er kann prinzipiell aber auch unter 1000 oder über 10000 liegen.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der Zählwert unter bestimmten Bedingungen zurückgesetzt, beispielsweise auf den oben genannten Startwert oder auf einen anderen reduzierten Wert, der kleiner als der aktuelle Zählwert ist. Beispielsweise kann eine Zurücksetzung erfolgen, sobald einer der ermittelten Amplitudenwerte der Bewegungen des Lagers größer als der erste Schwellwert ist. In einem anderen Beispiel erfolgt eine Zurücksetzung des Zählwerts, sobald einer der ermittelten Amplitudenwerte größer als ein zweiter Schwellwert des mindestens einen vorgegebenen Schwellwerts ist. Beispielsweise kann der genannte zweite Schwellwert größer als 5° oder größer als 10° sein. Der zweite Schwellwert kann beispielsweise gleich dem Amplitudenwert der oben beschriebenen Schmierfahrt gewählt werden oder gleich dem oben im Zusammenhang mit der Schmierfahrt genannten (dritten) Schwellwert.
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Der zweite Schwellwert ist typischerweise größer als der erste Schwellwert. In diesen Fällen werden die Amplitudenwerte auch mit diesem größeren zweiten Schwellwert verglichen. Es ist aber prinzipiell auch möglich, dass der zweite Schwellwert gleich dem ersten Schwellwert ist. In diesem Fall ist es natürlich nicht notwendig, die Amplitudenwerte nach dem Vergleich mit dem ersten Schwellwert mit dem identischen zweiten Schwellwert zu vergleichen.
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Das Zurücksetzen des Zählwertes trägt der Beobachtung Rechnung, dass der Schmierzustand des Lagers sich bereits durch eine oder wenige Bewegungen mit größeren Amplitudenwerten deutlich verbessern kann. Der positive Effekt von Bewegungen mit relativ großen Amplitudenwerten auf den Schmierzustand des Lagers liegt möglicherweise darin begründet, dass das im Lager vorhandene Schmiermittel durch diese relativ großen Bewegungen wieder besser verteilt und vergleichmäßigt wird.
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Falls der zweite Schwellwert größer als der erste Schwellwert gewählt wird, können diejenigen Bewegungen, deren Amplitudenwerte zwischen diesen beiden Schwellwerten liegen, bei der Berechnung des Zählwertes beispielsweise nicht weiter berücksichtigt werden (oder einen Gewichtungswert von Null (G = 0) zugewiesen bekommen, in beiden Fällen wird der Zählwert bei diese Bewegungen dann weder vergrößert noch verkleinert oder zurückgesetzt). Dieses Vorgehen ist besonders bei solchen Lagern vorteilhaft, bei denen diese mittelgroßen Bewegungen auf den Schmierzustand des Lagers einen eher neutralen Effekt haben, so dass diese Bewegungen den Schmierzustand weder wesentlich verschlechtern noch verbessern.
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Wie oben bereits beschrieben worden ist, können Bewegungen mit unterschiedlichen Amplitudenwerten mit verschiedenen Gewichtungswerten gesichtet werden. Beim Berechnen des Zählwertes werden die Gewichtungswerte der jeweiligen Bewegungen addiert bzw. zeitlich integriert. Dabei können Bewegungen mit solchen Amplitudenwerten, die besonders schädlich für den Schmierzustand des Lagers sind, mit einem größeren Gewichtungswert gesichtet werden als Bewegungen mit solchen Amplitudenwerten, die sich weniger schädlich auf den Schmierzustand auswirken. Entsprechend können beispielsweise Bewegungen, deren Amplitudenwert kleiner als der oben genannte untere Amplitudengrenzwert ist, den Gewichtungswert Null erhalten. Ebenso können im obigen Beispiel die Bewegungen mit Amplitudenwerten zwischen dem ersten und zweiten Schwellwert dem Gewichtungswert Null oder alternativ sogar einen negativen Gewichtungswert zum Reduzieren des Zählwerts, falls sich diese Bewegungen positiv auf den Schmierzustand auswirken.
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Es ist außerdem möglich, dass zusätzlich zum ersten und zweiten Schwellwert weitere Schwellwerte des mindestens einen Schwellwertes verwendet werden, welche zwischen dem unteren Amplitudengrenzwert und dem ersten Schwellwert liegen oder zwischen dem ersten Schwellwert und dem zweiten Schwellwert liegen. Auf diese Weise kann der Bereich zwischen dem unteren Amplitudengrenzwert und dem ersten Schwelwert in zwei oder mehr Teilbereiche zerlegt werden. Ebenso ist es möglich, den Bereich zwischen dem ersten Schwellwert und dem zweiten Schwellwert in zwei oder mehr Teilbereiche zu zerlegen. Dann ist es beispielsweise möglich, jedem dieser Teilbereich einen eigenen Gewichtungswert zuzuordnen, um auf diese Weise die unterschiedlichen Einflüsse von Bewegungen mit Amplitudenwerten in den verschiedenen Teilbereichen auf den Schmierzustand des Lagers zu berücksichtigen. Der durch Addieren der Gewichtungswerte berechnete Zählwert ist dann ein besonders genauer Indikator für den Schmierzustand des Lagers. Beispielsweise sind die Gewichtungswerte für die Teilbereich zwischen dem unteren Amplitudenschwellwert und dem ersten Schwellwert positiv und die Gewichtungswerte zwischen dem ersten und zweiten Schwellwert negativ.
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Die aufeinander folgenden Bewegungen des Lagers um die Mittellage des Lagers können, ebenso wie die beschriebene Schmierfahrt des Lagers mittels eines steuerbaren Antriebs des Lages, beispielsweise mittels eines Verstellantriebs des Lagers, durchgeführt werden, insbesondere im Fall, dass es sich bei dem Lager um ein Rotorblattlager einer Windkraftanlage handelt. Bei dem Antrieb kann es sich um einen elektrischen oder um einen hydraulischen Verstellantrieb des Lagers handeln.
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Die Amplitudenwerte der Bewegungen des Lagers können beispielsweise dadurch erfasst werden, dass sie gemessen werden, etwa mittels mindestens eines geeigneten Sensors. Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Winkelsensor oder Wegsensor handeln. Im Fall eines elektrischen Antriebs des Lagers sind auch Drehzahlsensoren möglich, im Fall eines hydraulischen Antriebs des Lagers können beispielsweise Wegsensoren verwendet werden.
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Falls die Bewegungen des Lagers mittels eines steuerbaren Antriebs des Lagers durchgeführt werden, wie dies typischerweise bei Rotorblattlagern von Windkraftanlagen der Fall ist, ist es auch möglich, die Amplitudenwerte aus momentanen Reglereinstellungen des Antriebs abzuleiten. Die Reglereinstellung kann beispielsweise von dem jeweiligen Antrieb selbst abgefragt bzw. geliefert werden oder aber von einer Steuervorrichtung des Antriebs bzw. der Windkraftanlage oder anderen Maschine. Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, diese Reglereinstellungen selbst festzulegen, beispielsweise bei der Durchführung eines Anstellwinkel-Regelungsverfahrens (Pitch-Regelung) durch die Steuervorrichtung einer Windkraftanlage.
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Der mindestens eine vorgegebene Schwellwert, also der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert, sowie ggf. der untere Amplitudenschwellwert und ggf. die Gewichtungswerte sind Beispiele für Parameter, welche die Berechnung einer Kennzahl, nämlich des beschriebenen Zählwertes, festlegen. Wie bereits oben beschrieben, ist es daher möglich, dass der Schritt (c) ein Verändern des ersten vorgegebenen Schwellwertes in Abhängigkeit von dem mindestens einen aktuellen Wert des Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage beinhaltet, und/oder, sofern der zweite Schwellwert vorgesehen ist, dass der Schritt (c) ein Verändern des zweiten vorgegebenen Schwellwertes in Abhängigkeit von dem mindestens einen aktuellen Wert des Betriebs- oder Regelungsparameters der Windkraftanlage beinhaltet. Auf entsprechende Weise können ebenso der untere Amplitudengrenzwert wie auch die Gewichtungswerte verändert werden. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann im Schritt (c) beispielsweise auch der Grenzwert des Zählwertes, sofern dieser Grenzwert verwendet wird, auf eine solche Weise eingestellt und verändert werden.
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Entsprechend können verschiedene Werte des ersten Schwellwertes, des zweiten Schwellwertes, des unteren Amplitudengrenzwerts, der Gewichtungswerte für den Zählwert in der oben beschriebenen Datenmatrix gespeichert sein. Ebenso können in dieser Datenmatrix oder in einer weiteren analog aufgebauten Datenmatrix verschiedene Werte für den Grenzwert für den Zählwert gespeichert sein.
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Die hier vorgeschlagene Steuervorrichtung für eine Windkraftanlage oder andere Maschine ist dazu eingerichtet, dass hier vorgeschlagene Verfahren durchzuführen, beispielsweise in einer der hier beschriebenen Ausführungsarten des vorgeschlagenen. Die Steuervorrichtung kann zu diesem Zweck eine elektronische Datenverarbeitungseinheit umfassen, die zur Durchführung der jeweiligen Verfahrensschritte eingerichtet bzw. programmiert ist. Die Steuervorrichtung kann einen Datenspeicher umfassen, auf dem das mindestens eine Notwendigkeitskriterium (zumindest in seiner jeweils aktuell gültigen Form) und beispielsweise außerdem die oben und auch im Folgenden beschriebene Datenmatrix gespeichert sein kann. Die Datenverarbeitungseinheit kann über eine Datenschnittstelle mit dem Datenspeicher zur verbunden sein, beispielsweise um auf das mindestens eine Notwendigkeitskriterium und ggf. die Datenmatrix zugreifen zu können und das Notwendigkeitskriterium im Schritt (b) des vorgeschlagenen Verfahrens zu prüfen und ggf. zu verändern bei der Durchführung des Schritts (c) des vorgeschlagenen Verfahrens. Die Steuervorrichtung kann außerdem mindestens einen Signalgeber umfassen, der eingerichtet ist, Steuer- oder Regelungssignale zu erzeugen und beispielsweise auf mindestens ein Stellglied der Windkraftanlage oder der anderen Maschine zu übertragen, beispielsweise auf einen Verstellantrieb des Rotorblattlagers und/oder auf andere steuer- oder regelbare Komponenten der Windkraftanlage. Die Datenverarbeitungseinheit kann außerdem eingerichtet sein, den Signalgeber zur Erzeugung und Übertragung der Steuer- oder Regelungssignale gemäß eines vorgegebenen Regelungsverfahrens für die Windkraftanlage oder andere Maschine anzusteuern. Beispielsweise ist die Datenverarbeitungseinheit eingerichtet, eine aktive Rotorblattwinkelregelung (Pitchregelung) des Verstellantriebs des Rotorblattlagers unter Verwendung aktueller Werte eines, mehrerer oder alter der genannten Betriebs- oder Regelungsparameter der Windkraftanlage durchzuführen.
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Die hier vorgeschlagene Windkraftanlage umfasst mehrere Rotorblätter, typischerweise drei Rotorblätter, mindestens ein Rotorblattlager für jeweils eines der Rotorblätter, typischerweise also drei Rotorblattlager, mindestens einen Verstellantrieb zum Verstellen eines Rotorblattwinkels jeweils eines der Rotorblätter, typischerweise also drei Verstellantriebe. Der Rotorblattwinkel (auch als Pitch oder Anstellwinkel bezeichnet) bezeichnet den Drehwinkel des Rotorblatts um seine Längsachse bezüglich der aktuellen Mittellage des Rotorblatts bzw. Rotorblattlagers.
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Im Folgenden wird das vorgeschlagene Verfahren, die vorgeschlagene Steuervorrichtung und die vorgeschlagene Windkraftanlage anhand spezieller Beispiele und unter Bezugnahme auf 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage hier vorgeschlagener Art mit einer Steuervorrichtung hier vorgeschlagener Art,
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2 eine schematische Darstellung eines Lagers mit einem steuerbaren Antrieb und einer Steuervorrichtung hier vorgeschlagener Art zum Steuern des Antriebs, und
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3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens hier vorgeschlagener Art.
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In den Figuren sind einander entsprechende Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Eine Bezugszeichenliste ist weiter unten angegeben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage 4 hier vorgeschlagener Art in einer Seitenansicht mit einem im Erdboden verankerten Turm 8, auf dessen Oberseite eine Gondel 9 angeordnet ist. An der Gondel 9 ist eine Rotornabe 3 mit drei Rotorblättern 2 drehbar befestigt. Jedes der Rotorblätter 2 lässt sich bezüglich der Rotornabe 3 um die Längsachse des jeweiligen Rotorblattes 2 drehen zum Verstellen eines Anstellwinkels (Pitch) des jeweiligen Rotorblatts 2, wie dies in 1 durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Hierzu ist im Bereich zwischen der Rotornabe 3 und der Blattwurzel des Rotorblattes 2 eine Drehverbindung 1 mit einem Rotorblattlager 5 angeordnet, welches die Drehung des Rotorblatts 2 um dessen Längsachse bezüglich der Gondel 9 ermöglicht. Die Windkraftanlage 4 umfasst für jedes Rotorblattlager 5 einen hydraulischen Verstellantrieb 12 (nur einer dieser Verstellantriebe ist in 1 gezeigt) zum aktiven Drehen des Rotorblatt 2 um dessen Längsachse zum Verstellen des jeweiligen Anstellwinkels. Die Windkraftanlage 4 umfasst außerdem eine Steuervorrichtung 13, die weiter unten näher beschrieben wird.
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2 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Lager
5 einer Maschine (diese ist in
2 nicht dargestellt) sowie eine schematische Darstellung eines Verstellantriebs
12 des Lagers
5 und einer Steuervorrichtung
13 zum Ansteuern des Verstellantriebs
12. Beispielsweise kann das in
2 gezeigte Lager
5 ein mögliches Ausführungsbeispiel für das in
1 gezeigte Rotorblattlager
5 sein. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Rotorblattlager
5 einen Lagerinnenring
6 und einen Lageraußenring
7. Der Lagerinnenring
6 und der Lageraußenring
7 weisen Lagerflächen
10 auf, die einander zugewandt und konzentrisch angeordnet sind. Zwischen den Lagerflächen
10 befinden sich beispielsweise kugel- oder zylinderförmig ausgestaltete Wälzelemente
11 des Rotorblattlagers
5. Zwischen den Lagerflächen
10 und den Wälzelementen befindet sich eine Schicht eines Schmiermittels, beispielsweise eines Schmierfetts (nicht dargestellt). Beispielsweise ist das Lager
5 bzw. das Rotorblattlager
5 der Windkraftanlage
4 gemäß einem der in der Veröffentlichung
WO 2014/195357 A1 beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgestaltet, beispielsweise wie eines der in
2a bis
3b der
WO 2014/195357 A1 gezeigten Beispiele.
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Die weiteren in 2 gezeigten Komponenten, wie insbesondere der Antrieb 12 und die Steuervorrichtung 13, sind ebenfalls Beispiele für die entsprechenden Komponenten der in 1 gezeigten Windkraftanlage 4 (könnten aber prinzipiell auch Komponenten einer anderen Maschine sein).
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Das Rotorblatt 2 kann beispielsweise drehfest mit dem Lageraußenring 7 verbunden sein und der Lagerinnenring 6 kann drehfest mit der Gondel 9 verbunden sein. Der Verstellantrieb 12 kann dann beispielsweise dazu ausgestaltet sein, denn Lageraußenring 7 relativ zu dem Lagerinnenring 6 und der Rotornabe 3 zu drehen, um so den Anstellwinkel des Rotorblatts 2 zu verstellen. im gezeigten Beispiel ist der Anstellwinkel eindeutig durch die Lagerposition, also die Drehstellung des Rotorblattlagers 5 vorgegeben. In 2 ist die Drehstellung bzw. der Anstellwinkel durch den Buchstaben α repräsentiert. Die in 2 gezeigte Lagerposition entspricht einer momentanen Mittellage des Rotorblattlagers 5 bzw. des Rotorblatts 2, in welcher das Rotorblatt 2 seine maximale aerodynamische Leistung entfaltet. Wie weiter oben beschrieben worden ist, hängt die momentane Mittellage von der momentanen Windgeschwindigkeit ab. Der momentane Wert der Lagerposition, also der aktuelle Wert des Anstellwinkels α, wird bezüglich der momentanen Mittellage gemessen, so dass α = 0 gilt, wenn sich das Rotorblatt in seiner momentanen Mittellage befindet, wie in 2 gezeigt.
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Die Steuervorrichtung 13 der Windkraftanlage 4 ist insbesondere eingerichtet, auf Grundlage aktueller Werte verschiedener Betriebs- und Regelungsparameter ein Regelverfahren zum Verstellen der Anstellwinkel α der Rotorblätter 2, also eine aktive Pitch-Regelung, durchzuführen, bei der beispielsweise zur Leistungs- und/oder Lastreduktion die Anstellwinkel der Rotorblätter auf einen von 0° verschiedenen Wert eingestellt werden können. Zudem ist die Steuereinrichtung 13 eingerichtet, das in 3 in Form eines Flussdiagramms dargestellte beispielhafte Verfahren hier vorgeschlagener Art durchzuführen.
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Die Steuervorrichtung 13 umfasst einen Datenspeicher 14 und eine Datenverarbeitungseinheit 15, die dazu programmiert ist, die aktive Pitch-Regelung wie auch das vorgeschlagene Verfahren durchzuführen. Außerdem ist die Steuervorrichtung 13 zur Daten- und/oder Signalübertragung mit dem Verstellantrieb 12 sowie mit weiteren Vorrichtungen der Windkraftanlage 4 verbunden, die zum Erfassen oder Messen momentaner Werte der Regelungs- und Betriebsparameter der Windkraftanlage 4 eingerichtet sind. Diese weiteren Vorrichtungen sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht in 1, sondern ausschließlich in 2 gezeigt.
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Zu den genannten Vorrichtungen gehört ein Sensor 16 zum Messen einer momentanen Lagerposition des Rotorblattlagers 5 bezüglich der momentanen Mittellage des Rotorblattlagers 5, beispielsweise ein Wegsensor oder ein Winkelsensor. Diese Lagerposition entspricht im vorliegenden Beispiel der momentanen Stellung des Lagerinnenrings 6 relativ zum Lageraußenring 7, welche gleichzeitig dem Rotorblattwinkel α entspricht oder mit diesem zumindest eineindeutig zusammenhängt.
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Zu den genannten Vorrichtungen gehört ferner für jedes Rotorblatt 2 ein Sensor 17 zum Erfassen einer auf das Rotorblatt 2 einwirkenden Last sowie ein Sensor 18 zum Messen einer Außentemperatur der Windkraftanlage 4.
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Zu den genannten Vorrichtungen gehört außerdem eine Datenschnittstelle 19, über die die Steuervorrichtung 13 mit aktuellen Werten weiterer Betriebs- oder Regelungsparameter versorgt werden kann, wie beispielsweise mit einer Soll-Leistung, die von einem Betreiber eines Stromnetzes vorgegeben sein kann, sowie beispielsweise außerdem eventuell anfallende Strafzahlungen, die vom Betreiber bei Nichteinhaltung der Soll-Leistung erhoben werden.
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Zusätzlich oder alternativ zu den genannten Vorrichtungen können noch weitere Vorrichtungen, wie Sensoren oder Datenschnittstellen, vorgesehen sein zum Versorgen der Steuervorrichtung 13 bzw. der Datenverarbeitungseinheit 15 mit aktuellen Werten weiterer verwendeter Betriebs- oder Regelungsparameter, wie beispielsweise ein Sensor zum Messen einer momentanen Windgeschwindigkeit.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens hier vorgeschlagener Art. Das Verfahren dient beispielsweise dazu, den Schmierzustand jedes der Rotorblattlager 5 der in 1 gezeigten Windkraftanlage 4 auf Grundlage der Betriebs- oder Regelungsparameter zu ermitteln und anhand eines vorgegebener Notwendigkeitskriteriums festzustellen, ob Maßnahmen zur Verbesserung des Schmierzustandes des jeweiligen Rotorblattlagers 5 notwendig sind, und diese Maßnahmen ggf. auszulösen und durchzuführen.
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Anstelle nur eines Notwendigkeitskriteriums könnten natürlich auch mehrere Notwendigkeitskriterien geprüft werden. Die Einschränkung auf nur ein Notwendigkeitskriterium dient lediglich der besseren Verständlichkeit der nachfolgenden Beschreibung. Das Verfahren umfasst die Schritte S1 bis S5, die prinzipiell für jedes der Rotorblattlager 5 separat durchgeführt werden können.
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Der Schritt S1 umfasst den Schritt (a) des vorgeschlagenen Verfahrens, in dem aktuelle Werte der oben genannten Betriebs- und Regelungsparameter der Windkraftanlage 4 mittels der Sensoren 16, 17, 18 und der Datenschnittstelle 19 erfasst und an die Datenverarbeitungseinheit 15 der Steuervorrichtung 13 weitergegeben werden. Prinzipiell ist es außerdem möglich, dass aus mittels Sensoren und über Datenschnittstellen gewonnenen Betriebs- und Regelungsparameter weitere Betriebs- und Regelungsparameter mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 abgleitet werden, wie beispielsweise die bereits erwähnten und weiter unten beschriebenen Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Amplitudenwerte aus den Werten der Lagerposition.
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In dem Schritt S2 wird mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 anhand der aktuellen Werte der Betriebs- und Regelungsparameter geprüft, ob das vorgegebene Notwendigkeitskriterium, welche in dem Datenspeicher 14 gespeichert ist, verändert werden muss oder nicht. Hierzu wird auf eine in dem Datenspeicher 14 gespeicherte Datenmatrix zugegriffen und die aktuellen Werte der Betriebs- und Regelungsparameter mit in der Datenmatrix gespeicherten Werten der Betriebs- und Regelungsparameter verglichen, wie weiter unten im Zusammenhang mit Schritt S5 näher erläutert wird.
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Wenn die in Schritt S2 durchgeführte Prüfung zum Ergebnis geführt hat, dass das Notwendigkeitskriterium nicht verändert werden muss (oder dass kein Notwendigkeitskriterium verändert werden muss im Fall mehrerer Notwendigkeitskriterien), so wird anschßließend Schritt S3 durchgeführt. Andernfalls wird nach Schritt S2 zunächst der Schritt S5 durchgeführt, wodurch insgesamt der Schritt (c) des vorgeschlagenen Verfahrens durgeführt wird, wie weiter unten näher beschrieben wird.
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In Schritt S3 werden mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 das Notwendigkeitskriterium (das möglicherweise zuvor in Schritt S5 verändert worden ist) unter Berücksichtigung der aktuellen Werte Betriebs- oder Regelungsparameter geprüft. Auf Grundlage des Ergebnisses dieser Prüfung wird entschieden, ob eine Verbesserung des Schmierzustandes des Rotorblattlagers 5 notwendig ist.
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Falls Schritt S3 zum Ergebnis führt, dass eine Verbesserung des Schmierzustandes des Rotorblattlagers 5 notwendig ist, wird in Schritt S4 eine Maßnahme zum Verbessern des Schmierzustandes ausgelöst und durchgeführt. Nach Schritt S4 wird das Verfahren beginnend mit Schritt S1 erneut durchgeführt.
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Falls Schritt S3 zum Ergebnis führt, dass eine Verbesserung des Schmierzustandes des Rotorblattlagers 5 nicht notwendig ist, wird nach Schritt S3 das Verfahren beginnend mit Schritt S1 erneut durchgeführt.
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Im Folgenden werden weitere Details der Schritte S1 bis S5 dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Im Schritt S1 werden mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 aus den aktuellen Werten der Lagerposition aktuelle Werte einer Geschwindigkeit sowie aktuelle Werte einer Beschleunigung der Drehbewegungen des Lageraußenrings 7 ermittelt. Außerdem werden die Absolutbeträge dieser Werte zeitlich gemittelt. Ebenso werden auch für alle anderen Betriebs- und Regelungsparameter zeitliche Mittelungen durchgeführt. Das für diese Mittelungen verwendete Zeitintervall kann beispielsweise 10 Minuten oder 1, 6, 12 oder 24 Stunden sein.
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Aus der momentanen Lagerposition des Rotorblattlagers 5 werden mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 außerdem Amplitudenwerte von aufeinander folgenden Bewegung des Rotorblattlagers 5, also Bewegungen des Lageraußenrings 7, um die momentanen Mittellage des Lagers, also um den Winkelwert α = 0, ermittelt. Bei diesen Bewegungen kann es sich beispielsweise um periodische Bewegungen des Lageraußenrings 7 um die momentane Mittellage handeln, die beispielsweise aufgrund der aktiven Pitch-Regelung mittels des Verstellantriebs 12 aktiv durchgeführt werden oder die aufgrund sich ändernder Lasten des Rotorblattes 2 erfolgen.
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In Schritt S3 wird als Notwendigkeitskriterium geprüft, ob ein zuvor berechneter Zählwert einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat. Dieser Grenzwert kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 1000 und 10000 liegen und beispielsweise 2000 betragen. Wie weiter unten beschrieben wird, wird dieser Grenzwert in Abhängigkeit von den aktuellen Werten der Betriebs- und Regelungsparameter verändert.
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Zur Berechnung des Zählwertes werden die ermittelten Amplitudenwerte der Bewegungen des Lagers 5 mit einem ersten Schwellwert, einem zweiten Schwellwert, mit einem unteren Amplitudengrenzwert sowie mit zwei weiteren Schwellwerten verglichen. In dem vorliegenden Beispiel beträgt der untere Amplitudenschwellwert 0,1°, der erste Schwellwert 3° und der zweite Schwellwert 10°. Die zwei weiteren Schwellwerte betragen 1° bzw. 2°. Wie weiter unten beschrieben wird, werden diese Werte, ebenso wie der oben genannte Grenzwert bei Bedarf geändert, so dass sich eine entsprechende Änderung des Notwendigkeitskriteriums ergibt. Jedoch bleiben die jeweiligen Werte vorzugsweise in den weiter oben angegebenen jeweiligen Bereichen.
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Der Zählwert wird berechnet, indem der Zählwert, ausgehenden von einem Startwert N = 0, nur für solche Bewegungen der aufeinander folgenden Bewegungen des Lagers 5 vergrößert wird, deren ermittelten Amplitudenwerte kleiner als der erster Schwellwert sind. Der Zählwert wird dabei um einen Gewichtungswert G vergrößert, wobei der Gewichtungswert von dem Amplitudenwert der jeweiligen Bewegung abhängt. Liegt der Amplitudenwert unter dem unteren Amplitudengrenzwert (also unter 0,1°), so ist beispielsweise G = 0. Liegt der Amplitudenwert zwischen unteren Amplitudenschwellwert und dem ersten weiteren Schwellwert (also zwischen 0,1° und 1°), so ist beispielsweise G = 2. Liegt der Amplitudenwert zwischen dem ersten weiteren Schwellwert und dem zweiten weiteren Schwellwert (also zwischen 1° und 2°), so ist beispielsweise G = 1. Liegt der Amplitudenwert zwischen dem zweiten weiteren Schwellwert und dem ersten Schwellwert (also zwischen 2° und 3°), so ist beispielsweise G = 0,2. Liegt der Amplitudenwert oberhalb des ersten Schwellwerts (also oberhalb 3°), so ist beispielsweise G = 0. Liegt der Amplitudenwert oberhalb des zweiten Schwellwerts (also oberhalb 10°), so wird der Zählwert auf den Startwert N = 0 zurückgesetzt.
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Die in Schritt S4 mittels der Steuervorrichtung 13 ausgelöste und mittels des Verstellantriebs 12 durchgeführte Bewegung (Schmierfahrt) des Rotorblattlagers 12 geht von der aktuellen Mittellage des Lagers aus, erfolgt bis zur einer Amplitude, welche vorliegend beispielsweise 10° beträgt, und endet wieder in der aktuellen Mittellage. Während des Durchführens der Schmierfahrt wird zur Senkung des Schmiermittelverbrauchs in das jeweilige Rotorblattlager 5 kein zusätzliches Schmiermittel zugeführt, der Schmierzustand des Rotorblattlager 5 wird somit ausschließlich durch eine Vergleichmäßigung des Schmiermittels im Lager durch die ausgelöste Schmierfahrt verbessert.
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Im Schritt S5 wird das Notwendigkeitskriterium unter Berücksichtigung der aktuellen Werte der Betriebs- und Regelungsparameter der Windkraftanlage mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 verändert und optimiert. Zuvor wird in Schritt S2 mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 auf die oben genannte Datenmatrix zugegriffen, in der für jeden der genannten Betriebsparameter und Regelungsparameter jeweils verschiedene Werte gespeichert sind, einschließlich also Werte für die gemittelte Geschwindigkeit und für die zeitlich gemittelte Beschleunigung des Rotorblattlagers 5.
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Neben diesen Werten sind Werte weiterer Parameter gespeichert, nämlich verschiedene Werte für den Grenzwert des Zählwertes, sowie jeweils mehrere verschiedene Werte für jeden der oben genannten Parameter, die zur Berechnung dieses Zählwertes verwendet werden, also verschiedene Werte jeweils für jeden der genannten Schwellwerte, für jeden der genannten Gewichtungswert der einzelnen Amplitudenbereiche, und für den unteren Amplitudengrenzwert.
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Durch die Datenmatrix wird jedem Satz bestehend aus jeweils einem Wert für jeden der Betriebs- und Regelungsparameter jeweils eindeutig ein Satz von Werten der genannten weiteren Parameter zugeordnet. Beim Zugreifen auf die Datenmatrix in Schritt S2 werden mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 die aktuellen Werte oder die zeitlich gemittelten Wert der Betriebs- und Regelungsparameter mit den jeweiligen in der Datenmatrix gespeicherten Werten verglichen. Anschließend werden aus der Datenmatrix diejenigen Werte der weiteren Parameter aus der Datenmatrix ausgelesen, die zu denjenigen gespeicherten Werten der Betriebs- und Regelungsparameter gehören, die am dichtesten an den aktuellen Werten bzw. zeitlich gemittelten Werten liegen. Anschließend wird der auf diese Weise herausgelesene Satz von Werten der weiteren Parameter mit dem im Datenspeicher 14 gespeicherten und momentan gültigen Satz von Werten der weiteren Parameter, welche also beispielsweise zuletzt auf diese Weise aus der Datenmatrix herausgelesen worden sind, und welche das Notwendigkeitskriterium also aktuell definieren, verglichen.
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Unterscheiden sich die aktuell aus der Datenmatrix ausgelesenen Werte von den gespeicherten und momentan gültigen Werten der weiteren Parameter, wird der Schritt S5 ausgeführt, indem in dem Datenspeicher 14 die momentan gültigen Werte durch die herausgelesenen Werte der weiteren Parameter ersetzt werden. Dies entspricht einer Änderung des Notwendigkeitskriteriums, so dass nun also der Schritt (c) des vorgeschlagenen Verfahrens vollständig ausgeführt worden ist. Anschließend wird der Schritt S3 unter Verwendung des somit geänderten Notwendigkeitskriteriums ausgeführt.
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Unterscheiden sich die aktuell aus der Datenmatrix ausgelesenen Werte der weiteren Parameter nicht von den in dem Datenspeicher 15 gespeicherten und momentan gültigen Werten der weiteren Parameter, wird anstelle des Schritts S5 direkt der Schritt S3 unter Verwendung des unveränderten Notwendigkeitskriteriums ausgeführt. Die Änderung kann beispielsweise in einer Erhöhung des Grenzwertes, beispielsweise von 1000 auf 2000 bestehen, beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Soll-Leistung.
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Die in der mindestens einen Datenmatrix gespeicherten Parameterwerte sind auf Grundlage von Messungen an einem physikalischen Teststand festgelegt worden und werden bei der Durchführung des Verfahrens nicht verändert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehverbindung
- 2
- Rotorblatt
- 3
- Rotornabe
- 4
- Windkraftanlage
- 5
- Rotorblattlager
- 6
- Lagerinnenring
- 7
- Lageraußenring
- 8
- Turm
- 9
- Gondel
- 10
- Lagerflächen
- 11
- Wälzelemente
- 12
- Verstellantrieb
- 13
- Steuervorrichtung
- 14
- Datenspeicher
- 15
- Datenverarbeitungseinheit
- 16
- Sensor
- 17
- Sensor
- 18
- Sensor
- 19
- Datenschnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/195357 A1 [0003, 0064, 0064]