DE19847982C2 - Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen der Rotorblätter einer Windkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen der Rotorblätter einer Windkraftanlage.

An den Rotorblättern von Windkraftanlagen sind in den letzten Jahren vermehrt Schäden durch Schwingungen in der Rotordrehebene aufgetreten. Diese Schwingungen wer­ den durch aeroelastische Phänomene hervorgerufen.

Bei neuentwickelten Rotoren wird daher versucht, durch aerodynamische Gegenmaßnahmen Abhilfe zu schaffen.

Da jedoch erhebliche Mengen von Rotorblättern bereits installiert sind, werden diese zunehmend mit Schwin­ gungs-Meßeinrichtungen ausgerüstet, die bei Auftreten des besagten Schwingungsphänomens die Anlagen zum Aus­ schalten veranlassen.

Bekannte Schwingungs-Meßgeräte sind zum einen Beschleu­ nigungsaufnehmer in den Blattspitzen, die jedoch den Nachteil aufweisen, daß eine Leitung von der Nabe zum Beschleunigungsaufnehmer parallel zu einem Blitzstromab­ leiter im Rotorblatt verläuft, so daß bei Blitzschlag erhebliche Störspannungen eingestreut werden, die die Sensoren gefährden.

Weiter sind diese Leitungen an bestehenden Anlagen schwer nachrüstbar, da man zum Einbringen eines Kabels in das Blatt die Struktur aufsägen und wieder verschlie­ ßen muß.

Schließlich jedoch wird dadurch, daß der Sensor aus Gründen eines starken Ausgangssignals nur in der Nähe der Blattspitzen zu verwenden ist, im gleichen Maße auch die dort anzutreffende heftige Störbewegung detektiert, aus der das Nutzsignal wieder herausgefiltert werden muß.

Eine Alternative besteht in der Anbringung von Dehnmeß­ streifen (DMS) in der Blattwurzel, wie es für Motorseg­ ler aus: Hottinger Baldwin Meßtechnik, Meßtechnische Breife, 10. Jg., 1974, Heft 3, S. 54-57 bekannt ist. Diese haben gegenüber Beschleunigungsaufnehmern sogar den Vorteil, daß sie sich gegen Störspannungen abschir­ men lassen und in erreichbarer Nähe von der Nabe sind, haben jedoch dadurch, daß das Anbringen der DMS über ei­ ne Klebeschicht von definierter Dicke und hoher Festig­ keit erfolgen muß, den Nachteil, daß eine solche Kleb­ stelle handwerklich nur sehr aufwendig an bestehenden Rotorblättern nachzurüsten ist. Zudem ist die Ausfall­ wahrscheinlichkeit derartiger Klebstellen relativ hoch.

Zum anderen ist jedoch das Ausgangssignal der DMS sehr klein und muß von einem empfindlichen DMS-Verstärker verarbeitet werden. Die Anordnung wird dadurch gegenüber Störspannungen empfindlich, auch wenn die Verkabelungs­ wege kurz sind.

Weiter ist die DE 195 34 404 A1 zu nennen, in der be­ reits eine Windkraftanlage mit Dehnungsmeßstreifen an den Blättern beschrieben ist. Diese Ausbildung ist aber, wie auch in der Entgegenhaltung beschrieben, mit hohen Kosten, insbesondere für die Übermittlung der Meßwerte, verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist daher, die Schwingungen mit einer kostengünstigen, leicht installierbaren, empfind­ lichen Vorrichtung zu erfassen.

Durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen Anspruches 1 wird diese Aufgabe gelöst. Durch die geometrische Anord­ nung des Stabes lassen sich Dehnungen gezielt in der Rotordrehebene erfassen und bestimmte Schwingungsformen selektiv erfassen.

Insbesondere wird die Dehnung der Rotorwandung als Maß für die Durchbiegung der Blätter genommen, indem ein von Halteklötzen gelagerter Stab und ein an einem der Hal­ teklötze so befestigter Abstandssensor, daß sich die Dehnung des durch die Halteklötze umfassenden Bereiches auf einen Luftspalt am Wegaufnehmer des Abstandssensors überträgt. Durch geeignete Wahl des Materials des Stabes lassen sich Wärmeausdehnungen kompensieren.

Wenn man einen fertig erhältlichen induktiven Abstands­ sensor verwenden will, sollte der Stab jedoch entweder aus Stahl sein oder zumindest ein ferromagnetisches Plättchen an seinem Ende tragen. Bei typischen Dehnungen der Rotorblattwandung von 0,1% reicht eine Stablänge von 30 bis 50 cm zumeist aus, um ein gut auswertbares Signal am Wegaufnehmer zu erhalten.

Durch diese Anordnung ergeben sich gegenüber den zuvor beschriebenen Meßverfahren die Vorteile, daß die Anord­ nung sich an unebenen Flächen anbringen läßt, da eine Qualität der Klebefugen nicht das Meßergebnis beein­ flußt. Diese Klötze können - sofern zulässig - auch durch Schrauben angebracht oder gesichert werden, da­ durch ist die Anordnung handwerklich unkritisch und auch nachträglich leicht zu installieren.

Im Gegensatz zu DMS wird nun die Dehnung eines größeren Bereiches erfaßbar, so daß lokale Dehnungsüberhöhungen ausgemittelt werden. Zudem kann das Ausgangssignal des Sensors im Bereich mehrerer Volt liegen oder wahlweise mit einem Stromausgang im Bereich von einigen mA. Diese Signale sind durch ihre Größe und "Härte" stör­ spannungs-unempfindlich.

Im Gegensatz zu DMS läßt sich dieser Sensor komplett ab­ schirmen, indem geschirmtes Kabel verwendet wird und an das Metallgehäuse des Sensors angeschlossen wird. Als Sensor zur Erfassung der Dehnung läßt sich auch ein han­ delsüblicher induktiver Wegsensor verwenden.

In der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung durch den Schnitt einer Nabe mit jeweils geschnit­ ten dargestellten Rotorblattwandungen an der Wurzel, und

Fig. 2 eine Detaildarstellung des mit "A" be­ zeichneten Bereichs einer Rotorwandung aus Fig. 1.

Bei einer in der Fig. 1 dargestellten Anbringung der Vorrichtung an der Innenseite eines Rotorblattes 10 im Bereich der Wurzel werden die an dieser Stelle naturge­ mäß zuerst auftretenden Spannungen überwacht werden kön­ nen. Allerdings wird vorgeschlagen die Vorrichtung - an­ ders als dargestellt - noch ein Stück weiter im Blattin­ neren anzuordnen, etwa dort, wo das Bezugszeichen 10 vorgesehen ist.

Ein derartiger Sensor ist in der Fig. 2 näher erläutert. Bezugszeichen 14 zeigt dabei die Blattwandung, auf der mit Hilfe einer Klebefuge 16 zwei Klötze 12 befestigt werden. Der eine Klotz trägt dabei einen Stab 20, dessen Endbereich metallisch, beispielsweise mit einem metalli­ schen Plättchen 24 ausgeführt wird. Vor diesem Endbe­ reich ist nun in dem zweiten Halteklotz 12 ein Abstands­ sensor 18 angeordnet.

Dieser Sensor kann bei einem Meßbereich von zum Beispiel von 1 mm in die Mitte seines Bereiches justiert werden. Abweichungen seines Ausgangssignals, die bleibenden Ver­ formungen von mehr als 2 mm entsprechen, können von der nachgeschalteten Elektronik dann sofort als mechanischer Defekt ausgewertet werden. Dadurch ist eine einfache und zuverlässige Selbstprüfung der Meßeinrichtung möglich.

Die mechanische Meßeinrichtung mit Halteklötzen 12 und Stab 20 gibt zudem die Möglichkeit, zusätzlich einen einfachen Schalter anzubringen, der bei Extrembelastun­ gen die Anlage zur Abschaltung veranlaßt. Bei genügender Stablänge sind die Relativbewegungen im Bereich der Schaltwege eines präzisen Mikroschalters. Damit ist zu­ sätzlich eine robuste und zuverlässige Überlastungs- Anzeige möglich.

Sofern der Stab eine Klebefuge überspannt, wird zudem automatisch das Lösen der Klebefuge mit überwacht, was weder mit DMS noch mit Beschleunigungsaufnehmern möglich wäre. Als Material wird glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) mit möglichst dem Material der Rotorblätter glei­ chem Wärmedehnungs-Koeffizienten vorgeschlagen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen der Rotorblätter einer Windkraftanlage, gekennzeichnet durch einen im Wurzelbereich des Rotorblatts an dieses angesetzten Stab (20) und einen die Verlagerung des Stabes (26) aufgrund einer Überlastung des Rotorblat­ tes erfassenden Sensor (18).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stab (26) von zwei mit Abstand voneinan­ der an das Rotorblatt angesetzten Halteblöcken (12) gelagert ist und der Sensor (18) von einem der Halte­ blöcke (12) aufgenommenen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (26) in der Rotorebene angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (20) aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnung dem des Rotorblatts ähnlich ist.