DE20021970U1 - Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen - Google Patents
Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an WindkraftanlagenInfo
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Ingenieurgemeinschaft Umweltschutz
Meß- und Verfahrenstechnik GmbH
Am Lagerplatz 4
D - 01099 Dresden
Meß- und Verfahrenstechnik GmbH
Am Lagerplatz 4
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Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen mit Hilfe von an und/oder in den Rotorblättern befindlichen Sensoren, wobei die windkraftgetriebenen Rotorblätter über eine Welle mit einem in der Windkraftanlage befindlichen Generator zur Stromerzeugung in Verbindung stehen.
Die Rotorblätter sind eine hochbelastete Komponente, deren Ausdehnung in Länge und Breite in den vergangenen Jahren ständig zugenommen hat. Zur Zeit beträgt ihre Länge bis zu 40 m und an den Spitzen treten hohe Geschwindigkeiten auf. Die Rotorblätter müssen Fliehkräften, Windströmungen, Turbulenzen bei unterschiedlichsten Witterungsbedingungen im Dauerbetrieb standhalten.
Für das wirtschaftliche Betreiben einer Windkraftanlage ist eine lange Lebensdauer der Rotorblätter entscheidend. Derzeit wird eine Lebensdauer von ca. 20 Jahren angegeben. Das Problem besteht darin, dass zur Erreichung dieser Lebensdauer häufige regelmäßige Kontrollen vor Ort durch visuelles Betrachten, z.B. von Krananlagen aus, notwendig ist. Reparatüren fallen immer erst dann an, wenn der Schaden visuell zu erkennen ist. Zum Teil sind die Reparaturen sehr aufwendig. Damit fällt die Windkraftanlage in ihrer Stromerzeugung während des Stillstandes aus.
Ein Problem besteht darin, dass Mikrorisse und Materialveränderungen vorzugsweise innerhalb des Rotorblattmaterials, die die mechanischen Eigenschaften und Spannungsverhältnisse schon wesentlich verändern können, bei den visuellen Inspektionen nicht erfasst werden.
Eine Vorrichtung zur Erfassung von Belastungen der Rotorblätter einer Windkraftanlage ist aus der Druckschrift 198 47 982 Al bekannt, in der im Wurzelbereich der Rotorblätter mindestens ein Linearelement angebracht ist, das Belastungsspitzen aufgrund von Schwingungen oder sonstigen Uberlastungen des Rotorblattes als ganzes am Rotorblattfuß erfasst, indem die relative Lage zweier Orte, z.B. die Lage.eines Rotorblattes in Bezug zur Welle oder die Lage zweier Rotorblätter zueinander durch ein Linearelement und einen dessen Verlagerung erfassenden Positionssensor bestimmt wird. Das
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Linearelelement erfasst Dehnungen, so dass bestimmte Überlast-Zustände selektiv erfasst werden können.
Das Problem der bekannten Vorrichtung besteht darin, dass die Belastungen des als ganze Einheit betrachteten Rotorblattes mit einer mechanischen Vorrichtung - dem Linearelement - im Bereich des Rotorblattfußes gemessen werden. Damit kann nur die Feststellung getroffen werden, ob das Rotorblatt im Bereich des Rotorblattfuß geschädigt wurde. Über den inneren Zustand des Rotorblattes kann aber keine Aussage getroffen werden. Es kann auch nicht der Bereich eines fehlerhaften Zustandes im gesamten Rotorblatt, insbesondere eine dort vorhandene Schadstelle eingegrenzt werden, um dort Reparatur-Maßnahmen im und/oder am Material oder im Bereich der Trage- oder Haltekonstruktion für die Erreichung einer längeren Lebensdauer durchführen zu können. Auch können generell punktuelle Schäden am Rotorblatt nicht erkannt werden, die eine Abschaltung der Anlage erforderlich machen würden.
Ein Verfahren zur Bestimmung des technischen Zustandes von Rotorblättern einer Windkraftanlage ist aus der Druckschrift DE 195 34 404 Al bekannt, in der ein in einem Rechner arbeitendes Modell der Windkraftanlage die theoretischen Werte für Drehzahl und Drehbeschleunigung der Rotorblätter als Zeitfunktion ihres Umlaufes um die Drehachse liefert und dass diese mit den entsprechenden Messwerten der Windkraftanlage im Betrieb verglichen wird. Auch hier geht es um eine Überwachung der Rotorblätter als Ganzes, inwieweit die BeIastungen am Rotorblatt die Auslegungswerte erreicht oder überschreitet. Materialfehler, die während das Betriebs entstehen, werden nicht berücksichtigt. Es wird von den Ausgangswerten ausgegangen.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift DE 42 40 600 Cl im Unterschied zum Verfahren an windkraftgetriebenen, bewegten Rotorblättern ein Verfahren zum Erkennen und Bewerten von Strukturschäden an motor- oder düsenstrahlgetriebenen Flugzeugen, für den Rumpf und den mit ihm verbundenen starren Tragflächen bekannt, bei dem ein Generator für Erregersignale, nämlich Sinus- oder Rauschsignale, verwendet wird, bei dem Schwingungen messende Sensoren am Flugzeug angebracht sind, bei dem mit den genannten Erregersignalen Schwingungen in der Flugzeugstruktur angeregt und die resultierenden Schwingungen durch die Sensoren gemessen werden, bei dem die genannten Erregersignale und die von den Sensoren gemessenen Signale in digitalisierter Form an einen Prozessor übergeben werden, bei dem im Prozessor Transferfunktionen als Quotient aus Sensorsignalen und Erregersignalen gebildet werden, wobei die gemessenen Transferfunktionen durch mathematische Funktionen approximiert werden und bei dem eine Modal-Analyse der Sensorsignale der Flugzeugstruktur vorgenommen wird.
Zur Durchführung des bekannten Verfahrens sollen Gleitsinussignale konstanter Amplitude bzw. Rauschsignale verwendet werden, ein Finite-Elemente-Modell der Flugzeugstruktur aufgestellt werden, mit dem die Schwingungsformen der Struktur berechnet werden und als Referenz-Schwingungsformen dienen, die aus der Modal-Analyse gewonnenen Schwingungsformen mit den zugehörigen Referenz-Schwingungen verglichen und Abweichungen ermittelt werden, beim neuen Flugzeug bei Abweichungen das Finite-Elemente-Modell angepasst, aber beim gebrauchten Flugzeug aus den Abweichungen gegenüber dem Finite-Elemente-Modell .des Ausgangszustands Strukturschäden lokalisiert werden, die lokalisierten Schäden ins.Finite-Elemente-Modell übernommen werden, die Festigkeit schadensbehafteter Teile mit dem Finite-
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Elemente-Modell berechnet und als Restfestigkeit des Flugzeugs angesetzt werden.
Ein Problem besteht darin, dass bei georteten Strukturschäden dem Piloten Belastungskennwerte der Tragflächen bei Kurvenflügen, beim Start und bei der Landung oder bei Flugmanövern vorgegeben werden, bei deren Überschreitung oftmals nicht eine Korrektur oder sofortige Landung ausgeführt werden kann. Auch werden die Veränderungen, die während das Fluges eintreten, nicht sofort signalisiert, sondern frühestens erst nach der Landung. Das kann aber dann schon zu spät sein für eine Korrektur des Flugverhaltens.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Erregung mit den Gleitsinussignalen konstanter Amplitude bzw. Rauschsignalen mit flugzeugeigenen hydraulisch oder elektrisch angetriebenen Ruderstellmotoren von den Steuerflächen aus vorgenommen werden soll.
Als Sensoren für die Signalgewinnung werden Beschleunigungsmesser oder Dehnungsmessstreifen verwendet. Die Sensoren können sowohl in die Tragflächen als auch in den Flugzeugrumpf eingebaut sein. Die den Strukturschäden zugehörigen Abweichungen werden beim Vergleich der Eigenschwingungsformen mit den Referenzschwingungsformen aus unterschiedlichen Amplitudenhöhen ermittelt.
Ein Problem besteht auch darin, dass mit der verwendeten Modal-Analyse keine kontinuierliche Überwachung durchgeführt werden kann, da die Testverfahren nur am Boden und dort am stillstehenden Flugzeug vor und nach dem Flug durchgeführt werden.
In einer anderen Druckschrift DE 43 18 016 Al ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen und Reduzieren von auf Rümpfen von Flugzeugen und Helicoptern während des Fluges einwirkenden Erschütterungen bekannt, bei der an be-
stimmten Stellen krafterzeugende Betätigervorrichtungen angebracht sind, um am Flugkörper auftretende Schäden verursachenden Vibrationen derart entgegenzuwirken, dass die schädigenden Vibrationen abgeschwächt werden. Die Betätigervorrichtung besteht aus einer Vielzahl von Betätigern eines aktiven Vibrationssteuersystems.
Das Verfahren ist für die Windkraftanlagen nicht geeignet, da die Windkraftanlage auslegungsseitig schwingungs- und erschütterungsfrei laufen muss, sonst sind das Abfahren der Windkraftanlage und grundsätzliche Änderungen an der Anlage erforderlich, bis die Schwingungen und Erschütterungen abgestellt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass auftretende Schadstellen an .der Oberfläche und innerhalb des Körpermaterials von Rotorblättern bereits im Moment ihrer Entstehung während des durch äußere Einflüsse - insbesondere Wind - belasteten Bewegens/Rotierens sowie durch Materialveränderungen und -alterungen signaltechnisch erkannt, bewertet und zumindest durch ergänzende Einheiten angezeigt werden und direkt Einfluß auf den Anlagenbetrieb - bis hin zu Abschaltung - genommen wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst. Die Einrichtung zur Überwachung gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 basiert auf der Anwendung von Eigenfrequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- und Reflexionsverhalten, wobei Resonanz- und Eigenfrequenzen, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren nach Sendung von Erregersignalen oder aus einer Eigenerregung bei Anlagenbetrieb sowie Betriebseigengeräusche gemessen werden, wobei die empfangenen und die daraus durch Transformation gewonne-
nen Signal-Spektren hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden aber auch hinsichtlich von Gesamtheiten bewertet werden, wobei auf der Grundlage von Modellrechnungen und durch akustische Messungen von unbeschädigten und von geschädigten Rotorblättern bestimmte Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden erhalten werden, die diesen Zuständen zugeordnet werden, wobei Spektrenbibliotheken auf Massendatenspeicher aus den Spektren mit der Zuordnung von Schadenszustand und Schadenslokalisation und weiteren Informationen aufgebaut werden, wobei die empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden mit den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren verglichen und die dazu korrespondierenden Zustände ermittelt werden, die bei Abweichungen vom Normalzustand bestimmten Schadzuständen und bestimmten Schadstellen im Material der Rotorblätter zugeordnet werden.
Nach der Übertragung von der rotierenden Welle werden die Messsignale in einer Auswerte-Einheit analysiert, indem aus dem empfangenen Eigen-Signalspektrum oder aus den in Korrelation mit den über die Aktoren eingespeisten Signalen mit den Sensoren empfangenen Spektren die relevanten Frequenzen und Amplituden des Zeitspektrums oder eines transformierten, vorzugsweise fouriertransformierten, Spektrums herausgefiltert werden, die signifikant für die Zustandsbewertung sind.
Die Mess- und Erregersignale von und zu den Rotorblättern werden über eine Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit von der Welle zum Stator und umgekehrt geführt, und dabei eine Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) sowie eine Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) verwendet werden.
Aus dem jeweiligen Vergleich zwischen den empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden und den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren können kurzfristige sowie mittel- und langfristige Maßnahmen zum Betrieb der Windkraftanlage und zur Reparatur und Wartung der Rotorblätter abgeleitet werden.
An den Leitrechner können die Zustands-Informationen über eine Informationsschnittstelle, vorzugweise ein serielles Interface, übermittelt werden, in dem automatisch der Anlagenbetrieb bis hin zur Schnellabschaltung beeinflusst wird und der Anlagenüberwachung Maßnahmen zur Reaktionsweise auf Schadzustände und Informationen zur Einleitung von dringlichkeitsabhängigen Maßnahmen mitgeteilt werden.
Die Zustands-Überwachung der Rotorblätter kann auch während und nach der Produktion sowie nach dem Tansport und während der Montage im Bereich der Windkraftanlage durchgeführt werden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise erläutert.
Der Messzyklus wird in einem Modul zur Messprozesssteuerung ausgelöst und kann mit der Ausgabe eines Erregersignals an den Aktor über die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit beginnen, wobei gleichzeitig das Tor der programmierbaren Empfangseinheit für den vorgegebenen Messzeitraum geöffnet und ein Messsignal vom Sensor empfangen sowie als zeitbezogenes Frequenz-Amplituden-Signal digital im Hauptspeicher der zentralen Recheneinheit in einer vorgegebenen Auflösung abgelegt wird.
Das Modul zur Messprozesssteuerung, das für die Bildung der Erregersignale und Empfangssignale zuständig ist, gehört zu einem umfassenden Softwareprogramm-Modul für die Abarbeitung
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eines Algorithmus, das sich vorzugsweise in der zentralen Recheneinheit befindet.
Das Softwareprogramm-Modul zur Abarbeitung eines Algorithmus enthält vorzugsweise folgende Module:
- Ein Modul zur Messprozesssteuerung,
ein Modul zur Messsignalaufbereitung,
ein Modul zur Messsignalaufbereitung,
- ein Vergleichsmodul,
ein Modul zur Feststellung des Normalzustandes,
- ein Weiterbetriebsentscheidungs-Modul,
ein Modul zur Feststellung eines gestörten Zustandes,
ein Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung, wobei das Modul zur Feststellung eines gestörten Zustandes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul in Verbindung stehen kann.
ein Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung, wobei das Modul zur Feststellung eines gestörten Zustandes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul in Verbindung stehen kann.
In dem Softwareprogramm-Modul 49 wird aus dem in der Einheit gebildeten Messsignal-Vektor in einem Modul zur Messsignalaufbereitung, z.B. mittels anschließender schneller Fouriertransformation, ein Frequenz-Amplituden-Spektrum erzeugt, wobei das Frequenz-Amplituden-Spektrum die für das Rotorblatt typischen gemessenen Eigenfrequenzen als ein Spektrum in einem typischen normierten Frequenzbereich besitzt, oder ein spezielles typisches Laufzeitspektrum entsteht, wobei dann durch einen Mustervergleich mit den auf Massendatenspeicher abgelegten normierten Spektren aus Messungen und/oder Modellrechnungen in einem Vergleichsmodul ein korrespondierender Zustand ermittelt wird, wobei die Wetterdaten, z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Meterologie-Modul und die Anlagenbetriebsdaten, &zgr;.B. ' Drehzahl und Leistung, aus einem Anlagenbetriebsdaten-Modul als Parameter berücksichtigt werden.
&kgr;&ngr;.
Nach einem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines Normalzustands wird dem Windkraftanlagen-Leitrechner ein entsprechendes Statussignal aus dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul übermittelt und der Weiterbetrieb der Windkraftanlage aufrecht erhalten bleiben.
Nach dem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines gestörten Zustands wird Einfluss auf den Maschinenbetrieb genommen, indem über das Interface zum Windkraftanlagen-Leitrechner ein entsprechendes Informationspaket in Form von Statussignalen des Rotorblattzustandes, von Signalen zur Schadstellenlokalisierung und zur Schadenzustandsbeschreibung aus dem Statusdaten-Modul übertragen wird, der zu einer automatischen oder einer durch einen Dispatcher zu bestätigenden Änderung der Betriebsweise der Windkraftanlage gemäß einem Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung führt.
Aus einer Zuordnungstabelle zum Spektrum können aus dem Massespeicher die betreffenden Informationen als Signale zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und/oder Reparatur ausgelesen und ebenfalls an den Leitrechner zur Weitermeldung übermittelt werden.
Nach der Entscheidung, dass der Schaden beim Spektrenvergleich als nicht erheblich detektiert wird, kann aus der Zuordnungstabelle zum Spektrum vom Massespeicher die Informationen zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und Reparatur aus dem Modul ausgelesen und an den Leitrechner übermittelt werden, um dort auch nach akustischer Signalisation in Form einer Tabelle und/oder in Form einer grafischen Darstellung eine Handlungsanleitung zu geben.
Die aus den Eigenfrequenzspektren, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren auf Sendesignale sowie Betriebseigengeräuschen empfangenen und die daraus durch Transformation erhaltenen Signal-Spektren können sowohl hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden als auch hinsichtlich von Gesamtheiten wie Frequenzbanden und Frequenz-Amplitudengruppen bewertet werden.
Auf der Grundlage von vor der Montage durch Modellrechnungen und durch experimentellen Untersuchungen an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern bestimmten Frequenz- und Amplituden-Spektren bzw. Spektrenformen/-Banden, die eindeutig bestimmten Rotorblattzuständen, den schadfreien und den bestimmten Schäden zuzuordnenden Zuständen, zugeordnet werden können, können mit den empfangenen Ist-Frequenz- und Ist-Amplituden-Spektren sowie Ist-Spektrenformen/-Banden verglichen werden.
Bei Abweichungen wird zumindest eine Anzeige erhalten, ob die Abweichung einem Schadzustand zugeordnet werden kann, der Anlass gibt, Einfluss auf den Betrieb der Windkraftanlage, bis hin zur Schnellabschaltung, zu nehmen.
Die Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen kann mindestens einen Schall-/Schwingungsempfänger (Sensor) und wahlweise mindestens einen Erreger (Aktor) enthalten, die an relevanten, schallsignalgeeigneten Stellen eingebettet oder an der Oberfläche der Rotorblätter angebracht sind.
Die Sensoren und Aktoren können wahlweise vom Rotorblattfuß ausgehende festinstallierte Signalleitungen und wahlweise Betriebsenergieversorgungsleitungen aufweisen.
Bei fest im oder auf dem Rotorblatt eingebetteten Leitungen sind darin die Signale zu den Aktoren und von den Sensoren vom und zum Rotorblattfuß an jeweils einem Rotorblatt übertragbar, wobei die Signal-Übertragung von der rotierenden Welle zum Stator in der Gondel der Windkraftanlage insbesondere mit einer analogen oder digitalen Messsignal-Übertragungseinrichtung vorzugsweise auf Basis von Magnet-Wechselfeldern, Funkwellen- oder Lichtsignal-Übertragungsstrecken erfolgt.
Der Übertragungseinheit sind Signalvor- bzw. Signalnachverarbeitungseinheiten, insbesondere Sender mit Encoder und Empfänger mit Decoder vorgeschaltet.
Zu der Auswerte-Einheit gehört ein dafür konfiguriertes und programmiertes Computersystem, das mittels einer zugehörigen Betriebssystem- sowie Mess- und Auswertesoftware wahlweise Erregersignale erzeugt und zu den Aktoren sendet sowie Signale der Sensoren auswertet und durch Vergleich zwischen den gemessenen Spektren und den Spektren aus Spektrenbibliotheken, die vorzugsweise auf Massespeicher abgelegt sind, zuzuordnenden Rotorblatt-Zustände sowie zugehörige Statussignale, Schadensinformationen und Betreiberhinweise ableitet, wobei Klima-Daten, die über die über eine Einheit zur Übernahme von Klimadaten abrufbar sind sowie Anlagenbetriebsdaten, wie Drehzahl und Leistung, die über die Schnittstelle zur Verfügung stehen, wahlweise berücksichtigt werden.
Die gebildeten Statussignale der Rotorblätter und die zugehörigen Informationen können über die Schnittstelle zum Leitrechner der Windkraftanlage übermittelt werden und dort der bestehenden Überwachung aufgeschaltet und zur Überwachung abgerufen werden, wobei dort der Status der Rotorblätter angezeigt und, falls Schadzustände auftreten, die Schad-
stellen am Rotorblatt und/oder innerhalb der Rotorblätter in Form von Text, Tabellen oder Grafiken angezeigt und wahlweise zugeordnete sicherheitsbezogene Handlungsanweisungen und Regelungen automatisch eingeleitet oder der Bedienung zur Ausführung vorgeschlagen werden, sowie mittel- oder langfristige Wartungs- oder Reparatur-Maßnahmen angezeigt werden und deren Ausführung kontrolliert wird.
Der erste Schall-/Impulssender und der erste Schall-/Schwingungsempfänger können ein erstes Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Längssignal-Zusammenspiel bilden, während der zweite Schall-/Impulssender und der zweite Schall-/Schwingunsempfänger ein zweites Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Quersignal-Zusammenspiel darstellen können.
Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit ist mit der Auswerte-Einheit verbunden, die darüber an die rotierende Welle/Rotorblätter Aktorsignale ausgibt und Sensorsignale empfängt.
Die Auswerte-Einheit besteht im Wesentlichen aus der zentralen Recheneinheit, aus einem Speicher, vorzugsweise einem MOS-Speicher, aus einer Bedieneinheit mit einem angeschlossenen Videoterminal, mit einer angeschlossenen Tastatur und mit einem angeschlossenen Drucker, aus einer Wechselplatte, einer Floppy-Disk und einem CD-ROM-Laufwerk, aus einem 6-kanaligen programmierbaren Schall-/Impulsgenerator sowie aus einem 6-kanaligen programmierbaren Messignallempfänger besteht, die über einen Bus der zentralen Recheneinheit miteinander verbunden sind, wobei am Bus vorzugsweise eine Einheit zur Übernahme von Klima-Daten, insbesondere .von Windstärke und Temperatur sowie vorzugsweise eine Schnittstelle (serielles Interface), mit der eine Kommunikations-Verbindung zum übergeordneten Leitrechner der Windkraftanlage herstellbar ist, angeschlossen sind.
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Der programmierbare Schall-Vlmpulsgenerator steht über die Signalleitungen mit der Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit und der programmierbare Messsignallempfänger über die Messsignalleitungen mit der Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit in Verbindung.
Auf einem Massendatenspeicher, wie es die Festplatte oder die CD-ROM sind, können digitalisierte Vergleichsspektren für die Rotorblätter für verschiedene normale Betriebszustände sowie für Störunge- und Schadenszustände abgelegt sein, die aus Messungen an normalen und defekten Rotorblättern sowie aus Modellrechnungen vorzugsweise mit der FEM-Methode erhalten werden.
Die Signal-ZHilfsenergie-Übertragungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Sende-ZEmpfangseinrichtung in Richtung zu den Aktoren des Blattflügels sowie aus einer Empfangs-/Sendeeinrichtung aus der Richtung der Sensoren des Blattflügels, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung und die Empfangs-/Sendeeinrichtung das signaltechnische Zusammenspiel im Bereich zwischen Rotor und Stator betreffen, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung eine Erregersignal-/HiIfsenergie-Übertragungseinheit und die Empfangs-/Sendeeinrichtung eine Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit darstellen, die vorzugsweise eine Zweiteilung bezüglich der Anordnung auf/am Rotor und Stator aufweisen.
Die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit steht mit einer Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) auf einem Statorteil und eine Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) auf einem Rotorteil mit den Aktorsignalleitungen des Rotor-
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blatts und den Aktorsignalausgangs-Leitungen, die zur Auswerte-Einheit gehören, in Verbindung.
Die Messsignal-/Hilfsenergie-Ubertragungseinheit steht mit einer Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) auf einem Rotorteil und eine Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) auf dem Statorteil mit den Sensor-Messsignalleitungen des Rotorblattes und den Messsignaleingangs-Leitungen, die zur Auswerte-Einheit führen, in Verbindung.
Das in der Einrichtung eingesetzte Verfahren beruht auf festkörpermechanischen Erkenntnissen, nach denen jeder Körper entsprechend seiner Ausformung und der spezifischen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich aller im betrachteten räumlich ausgedehnten Körper möglichen Eigenschwingungen mit ihren Oberwellen besitzt. Diese Eigenschwingungen ergeben für einen solchen Körper ein ganzes Spektrum von Frequenzen, die typisch für den gesamten Körper sind. Verändert sich der Körper durch innere und/oder äußere Schäden und Risse, so verändert sich das Spektrum. Gewisse Schwingungsformen treten nicht mehr oder in veränderter Form auf.
Genauso ändern sich die Schwingungsformen, wenn die Materialeigenschaften, wie z.B. der Elastizitäts-Modul, sich infolge Alterung oder Verwitterung ändern. Hierbei kommt es zu einer Verschiebung der typischen Frequenzen.
Schließlich werden akustische Signale, die nicht den Eigenfrequenzen entsprechen, die durch den Körper geschickt werden, im Körper beim Durchlaufen entsprechend der Materialeigenschaften mehr oder weniger abgeschwächt und an im Körper vorhandenen Unstetigkeiten und an den Körperoberflächen reflektiert. Bilden sich neue Unstetigkeiten oder verändern sich die Materialeigenschaften, so ist das an den Reflexionssignal-Spektren erkennbar, indem neue Refelexions-Peaks
auftreten oder sich die Amplituden der Reflexionssignale verändern.
Diese beiden akustischen Verfahren sind nicht gleichbedeutend mit dem Verfahren der Modalanalyse, wo es um die Feststellung der zu den Eigenfrequenzen gehörenden Verformungen des Körpers geht.
Die oben genannten akustischen Eigenschaften eines ausgedehnten Körpers können einmal durch geeignete akustische Messungen experimentell oder aber rechnerisch über eine Modellrechnung, z.B. mit dem Finite-Element-Modell (FEM), bestimmt werden.
Die Messungen können an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern durchgeführt werden, wobei eine Zuordnung des Schadenszustands zum Spektrum möglich wird. Bei den Berechnungen können Schadenszustände, wie mechanische Schäden und-Risse oder Materialveränderungen simuliert und die Spektren den Schadenszuständen zugeordnet werden. Auch können aus der FEM-Nachrechnung gemessener Spektren das Modell und die verwendeten Modellparameter und Materialeigenschaften abgeglichen werden.
Damit kann eine Datenbasis für die Bewertung von im Betrieb gemessenen Spektren und den zugehörigen Zuständen geschaffen werden.
In den Rotorblättern von Windkraftanlagen befinden sich mindestens ein Schall-/Schwingungsempfänger und wahlweise mindestens ein Schall-/Schwingungsgeber. Diese Sensoren/Aktoren sind an relevanten, schallsignalgeeigneten Stellen eingebettet oder an der Oberfläche angebracht, die vorzugsweise vom Rotorblattfuß ausgehende festinstallierte Signalleitungen und ggf. Betriebsenergieversorgungsleitungen aufweisen. Bei fest im oder auf dem Rotorblatt eingebetteten Leitungen werden darin die Signale zu und von den Sensoren vom und zum Rotorblattfuß übertragen. Die Signal-Übertragung vom rotie-
renden Rotorblatt/Welle zum feststehenden Teil der Windkraftanlage erfolgt mit einer geeigneten analogen oder digitalen Messsignal-Übertragungseinrichtung vorzugsweise auf Basis von elektrischen oder magnetischen-Wechselfeldern, elektromagnetischen Feldern im Bereich von Funkwellen oder Lichtsignal-Übertragungsstrecken.
Vorgeschaltet dieser Übertragungseinheit ist vorzugsweise eine Signalvorverarbeitungseinheit. Nach der Übertragung von der rotierenden Welle werden die Messsignale in einer Ausw.erte-Einheit analysiert, indem aus den empfangenen Messsignalen oder aus den in Korrelation mit den über die Erreger eingespeisten Signalen empfangenen Signalantworten seitens der Messignallempfänger die relevanten Frequenzen und Amplituden des Zeitspektrums oder eines transformierten - z.B.
fouriertransformierten - Spektrums herausfiltert, die signifikant für die Zustandsbewertung des Rotorblatts sind.
Im Unterschied zur Modalanalyse, die die Schwingungsformen z.B. auf den Tragflächen und am Rumpf eines Flugzeuges analysiert, und zur Methode der Transferfunktionen werden hierbei die akustischen Spektren des Systems sowie die Messung und die Auswertung der Eigenfrequenzen, Eigengeräusche, Laufsignal- oder Reflexionseffekte berücksichtigt.
Das eingesetzte Verfahren beruht darauf, dass nur mit selbst- und fremdangeregten Schwingungen und Impulsen für diagnostische Zwecke, deren Amplituden nicht in den Bereich allgemeiner Baulementeschwingungen reichen, der Rotorblattzustand überwacht wird.
Zweckmäßig ist es, dass die Rotorblätter von Windkraftanlagen zumindest im Bereich der Rotorblattfüße verdreht/verstellt werden können, bzw. bei den stallgeregelten aerodynamische Bremsen aktiviert werden, damit die Windkräfte nicht mehr einwirken können und somit die Rotation auf
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ein Umdrehungszahlitiinimum verringert oder sogar beendet werden kann, was eigentlich die Abschaltung oder das Abfahren der Windkraftanlage bedeutet.
Weiterbildungen und zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Es zeigen:
Fig.l eine schematische Darstellung einer bekannten Windkraftanlage mit drei Rotorblättern in Zentralsymmetrie,
Fig.2 eine schematische Darstellung eines Rotorblattes mit Aktoren/Sensoren, die an elektrische Signal- und Hilfsenergie-Leitungen angeschlossen sind,
Fig.3 eine Sicht in Hauptwellenachsenrichtung auf den Sta-■ tor der Signal-VHilfsenergie-Übertragungseinheit mit Querschnitt der Hauptwelle der Windkraftanlage,
Fig.4 ein schematisches Detail der Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit auf der Hauptwelle der Windkraftanlage,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht mit einer Übertrager-Wicklung auf dem Rotoraufsatz der Signal-/HiIfsenergie-Übertragungseinheit,
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Fig. 6 ein Blockschaltbild der Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit für Messsignale,
Fig.7 ein Blockschaltbild der Signal-ZHilfsenergie-Übertragungseinheit für Aktorsignale,
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Fig. 8 ein Blockschaltbild der Auswerte-Einheit zur Steuerung des Messprozesses, zur Auswertung, zur Überwachung und zur Visualisierung des Zustands der Rotorblätter sowie der Beeinflussung des Betriebsregimes der Windkraftanlage und
Fig.9 einen schematischen Flussablaufplan zur Durchführung des Verfahrens zur Visualisierung und Überwachung des Zustands der Rotorblätter sowie der Beeinflussung des Betriebsregimes der Windkraftanlage.
In Fig. 1 ist die Gesamtansicht einer Windkraftanlage 40 mit drei Rotorblättern 1,2,3, die an einer horizontal gelagerten Welle 6 befestigt sind, die sich im oberen Ende des Mastes 4 in einer vertikal drehbar angebrachten Gondel 5 befindet, dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt stellvertretend das Rotorblatt 1 bezüglich der drei bauartgleichen Rotorblätter 1,2,3. Das Rotorblatt 1 besteht aus einem Blattflügel 7 und aus einem zugehörigen Rotorblattfuß 8.
Im Material des Blattflügels 7 befinden sich zwei Schall-/Impuls-Sender (Aktoren) 9 und 10 sowie zwei Schall-/Schwingungsempfänger (Sensoren) 11 und 12. Jeder der Aktoren 9,10 ist mit einer zugehörigen Aktorsignalleitung 13,14 sowie Hilfsenergieleitungen (nicht eingezeichnet) und jeder der Sensoren ist mit einer Messsignalleitung 15,16 sowie Hilfsenergieleitungen (nicht eingezeichnet) durchgehend bis zum Rotorblattfuß 8 verbunden. Als Übertragungsmedium im Blattflügel 7 wird Schall eingesetzt. Der erste Schall-/Impuls-Sender 9 und erste Schall-/Schwingungsempfänger 11 bilden ein erstes Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Längssignal-Zusammenspiel, während der zweite Schall-/Impuls-Sender 10 und der zweite Schall-
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/Schwingungsempfänger 12 ein zweites Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Quersignal-Zusammenspiel darstellen.
In Fig. 3 ist eine Sicht in Hauptwellenachsrichtung auf den Stator 17 der Signal-/Hilfsenergie-Ubertragungseinheit 20 und der Querschnitt der durch den Stator führenden Welle 6 in der Gondel 5 auf dem Mast 4 dargestellt.
. Durch den in Fig. 4 dargestellten Stator 17 der Signal-/ Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 ist die Welle 6 geführt, auf der die Signalleitungen 13 bis 16 und ggf. Hilfsenergieleitung (nicht eingezeichnet) zum Rotorblatt 1 bis hin zur wellenseitigen Signalübertragungs-Vorverarbeitungs-einheit (Sender, nicht eingezeichnet) 22m der Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 geführt sind, von der die gewandelten Signale mittels elektromagnetischer Felder auf den Teil der Einheit im Stator 17 übertragen werden, der die Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger, nicht dargestellt) 21m der Signal-/Hilfsenergie-Ubertragungseinheit 20 folgt, von der die erhaltenen Messsignale auf den Messsignalleitungen 15',16' einer zentralen Recheneinheit 24 über einen programmierbaren Schallsignalempfänger 34 zugeführt werden.
Für die Aktorsignale ist eine entsprechende Einrichtung mit Umkehr der Sende- /Empfangsrichtung vorhanden, die in Figur 7 dargestellt ist.
Für die Aktorsignale ist eine entsprechende Einrichtung mit Umkehr der Sende- /Empfangsrichtung vorhanden, die in Figur 7 dargestellt ist.
In Fig. 5 wird der auf der Welle 6 befestigte Wellenaufsatz 18 der Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 mit einer aufgebrachten zugehörigen Wicklung 19 gezeigt.
Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 ist mit einer Auswerte-Einheit 23 verbunden.
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In Fig. 6 ist ein schematisches Blockschaltbild der Auswerte-Einheit 23 dargestellt. Die Auswerte-Einheit 23 besteht im wesentlichen aus der zentralen Recheneinheit (CPU) 24, aus einem Speicher 25, vorzugsweise einem MOS-Speicher, aus einer Bedieneinheit 2 6 mit einem angeschlossenen Videoterminal 27, mit einer angeschlossenen Tastatur 28 und mit einem angeschlossenen Drucker 29, aus einer Wechselplatte (Harddisk) '30, einer Floppy-Disk 31 und einem CD-ROM-Laufwerk 32, aus einem 6-kanaligen programmierbaren Schall-/Impulsgenerator 33 sowie aus einem 6-kanaligen programmierbaren Messignallempfänger 34, die über einen Bus 35 der zentralen Recheneinheit 24 miteinander verbunden sind. Am Bus 35 sind noch eine Einheit 36 zur Übernahme von Klima-Daten, insbesondere von Windstärke und Temperatur sowie vorzugsweise eine Schnittstelle (serielles Interface) 37, mit der eine Kommunikations-Verbindung zum übergeordneten Leitrechner 38 der Windkraftanlage 40 hergestellt wird, angeschlossen.
Der programmierbare Schall-/Impulsgenerator 33 ist über die Signalleitungen 13',14' mit der Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20a verbunden. Die Aktorerregersignale zu den Aktoren 9,10 verlaufen in Richtung 51 (Pfeil). Der programmierbare Messignallempfänger 34 ist über die Messsignalleitungen 15',16' mit der Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20m verbunden. Die Messsignale von den Empfängern 11,12 verlaufen in Richtung 50 (Pfeil). Die Steuerung der über den Bus 34 verbundenen .Einheiten 33,20a bzw. 34,20m, den Datenaustausch zwischen ihnen und die Verarbeitung von Daten übernimmt die zentrale Recheneinheit 24. Dazu ist auf der Festplatte 30 ein Multitask-Echtzeit-Betriebssystem abgelegt, dessen Kernkomponenten im Speicher 25, insbesondere in einem MOS-Speicher stehen.
Auf einem Massendatenspeicher, wie es die Festplatte 30 oder die CD-ROM 32 sind, sind weiterhin digitalisierte Ver-
gleichsspektren für die Rotorblätter 1,2,3 für verschiedene normale Betriebszustände sowie für Störungs- und Schadenszustände abgelegt, die aus Messungen an normalen und defekten Rotorblättern sowie aus Modellrechnungen vorzugsweise mit der FEM-Methode erhalten werden.
Im Folgenden werden die Fig. 7,8 gemeinsam betrachtet.
Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinrichtung 20 besteht im Wesentlichen aus einer Sende-/Empfangseinrichtung 20a in Richtung zu den Aktoren 9,10 des Blattflügels 7 sowie aus einer Empfangs-/Sendeeinrichtung 20m aus der Richtung der Sensoren 11,12 des Blattflügels 7. Die Sende-/Empfangseinrichtung 20a und die Empfangs-/Sendeeinrichtung 20m betreffen das signaltechnische Zusammenspiel im Bereich zwischen Rotor und Stator 17, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung 20a eine Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit und die Empfangs-/Sendeeinrichtung 20m eine Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit darstellt, die jeweils eine Zweiteilung bezüglich Rotor und Stator 17 aufweisen, wobei auf dem Stator 17 die Statoreinheit 21 mit der Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit 21a und der Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit 21m angebracht sind und auf dem Rotor die Rotoreinheit 22 mit der Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit 22m und der Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit 22a angebracht sind.
In Fig. 7 ist die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20a mit der Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) 21a auf einem Statorteil und die Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) 22a auf einem Rotorteil mit den Aktorsignalleitungen 13,14 des Rotorblatts 1 und den Aktorsignalausgangs-Leitungen 13',14', die zur Auswerte-Einheit 23 gehören, als schematisches Blockschaltbild dargestellt.
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In Fig. 8 ist die Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20m mit der Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) 22m auf einem Rotorteil und die Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) 21m auf dem .Statorteil mit den Sensor-Messsignalleitungen 15,16 des Rotorblattes 1 und den Messsignaleingangs-Leitungen 15',16', die zur Auswerte-Einheit 23 führen, als schematisches Blockschaltbild dargestellt.
Zwischen den Vorverarbeitungseinheiten und den Nachverarbeitungseinheiten (21a-22a;22m-21m) ist jeweils eine Übertragungsstrecke 57 vorhanden, in der die Informationen und die Energie vorzugsweise auf der Basis von Magnet-Wechselfeldern, Funkwellen und/oder Lichtsignalen übermittelt werden.
In Fig. 9 ist ein schematisches Blockschaltbild und ein Ablaufplan der Durchführung eines Überwachungs-Vorgangs mit der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt und erläutert. Das eingesetzte Verfahren wird mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Überwachung im Folgenden für die Methode unter Nutzung der Eigenfrequenzen dargelegt. Insbesondere die Erläuterung der dem Verfahren zugrundeliegenden Messwert-Verarbeitungsschritte erfolgt anhand des Flussablaufplans in Fig. 9 sowie der Fig. 6.
Das Verfahren wird für Rotorblatt 1 dargestellt. In gleicher Weise läuft es für die anderen Rotorblätter 2,3 ab.
Die Einrichtung basiert auf der Anwendung von Eigenfrequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- . und Reflexionsverhalten, wobei die Resonanz- und Eigenfrequenzen, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren nach Sendung von Erregersignalen oder aus einer Eigenerregung bei AnIagenbetrieb sowie Betriebseigengeräusche gemessen werden, wo-
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bei die empfangenen und die daraus durch Transformation gewonnenen Signal-Spektren hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden aber auch hinsichtlich von Gesamtheiten bewertet werden, wobei auf der Grundlage von Modellrechnungen und durch akustische Messungen von unbeschädigten und von geschädigten Rotorblättern 1,2,3 bestimmte Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden erhalten werden, die diesen Zuständen zugeordnet werden, wobei Spektrenbibliotheken auf Massendatenspeicher 30,32 aus den Spektren mit der Zuordnung von Schadenszustand und Schadenslokalisation und weiteren Informationen, vorzugsweise zum Anlagenbetrieb sowie zu Wartungs- und Reparatur, aufgebaut werden, wobei die empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden mit den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren verglichen und die dazu korrespondierenden Zustände ermittelt werden, die bei Abweichungen vom Normalzustand bestimmten Schadzuständen und bestimmten Schadstellen 39 im Material der Rotorblätter 1,2,3 zugeordnet werden.
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Dem eingesetzten Verfahren ist in der Einrichtung ein Softwareprogramm-Modul 49 zur Abarbeitung eines Algorithmus zugeordnet, das vorzugsweise folgende Module enthält:
Ein Modul 41 zur Messprozesssteuerung,
- ein Modul 42 zur Messsignalaufbereitung,
ein Vergleichsmodul 46,
- ein Modul 42 zur Messsignalaufbereitung,
ein Vergleichsmodul 46,
ein Modul 47 zur Feststellung des Normalzustandes,
ein Weiterbetriebsentscheidungs-Modul 56,
ein Modul 48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes,
- ein Modul 52 zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung, wobei das' Modul 48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul 56 in Verbindung stehen kann.
ein Weiterbetriebsentscheidungs-Modul 56,
ein Modul 48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes,
- ein Modul 52 zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung, wobei das' Modul 48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul 56 in Verbindung stehen kann.
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Der Messzyklus wird ausgelöst in dem Modul 41 zur Messprozesssteuerung und beginnt mit der Ausgabe eines Erregersignals an den Aktor 9 über die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20a. Gleichzeitig wird das Tor der programmierbaren Signalempfangseinheit 34 für den vorgegebenen Messzeitraum geöffnet und das aus der Schallübertragung 55 im Rotorblatt gewonnene Messsignal vom Sensor 11 empfangen und als zeitbezogenes Frequenz-Amplituden-Signal digital im Hauptspeicher 25 der zentralen Recheneinheit 24 in einer vorgegebenen Auflösung abgelegt. Das Modul 41 zur Messprozesssteuerung, die für die Bildung der Erregersignale und Empfangssignale zuständig ist, gehört zu dem umfassenden Softwareprogramm-Modul 49 zur Abarbeitung eines Algorithmus, das sich auch in der zentralen Recheneinheit 24 befindet. Aus dem zugehörigen Messsignal-Vektor wird mittels anschließender Messignalaufbereitung, z.B. mit schneller Fouriertransformation, ein Frequenz-Amplituden-Spektrum oder ein Laufzeitspektrum in dem Modul 42 zur Messsignalaufbereitung erzeugt. Es zeigt die für das Rotorblatt 1 typischen gemessenen Spektren in einem typischen normierten Frequenzbereich. Durch einen Mustervergleich mit den auf Festplatte 30 oder CD-ROM 32 abgelegten normierten Eigenfrequenz-Spektren aus Messungen und/oder Modellrechnungen wird in dem Vergleichsmodul 4 6 ein passender Zustand ermittelt. Dabei werden die Wetterdaten, z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Meterologie-Modul, 43 und die Anlagenbetriebsdaten, z.B. Drehzahl und Leistung, aus einem Anlagenbetriebsdaten-Modul· 44 über das Interface 37 vom Leitrechner abgegriffen als Parameter berücksichtigt.
Handelt es sich nach dem Vergleich um einen Normalzustand 47, so wird dem Windkraftanlagen-Leitrechner 38 ein entsprechendes Statussignal aus dem Weiterbetriebsentscheidungs-
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Modul 56 über das Interface 37 übermittelt und der Weiterbetrieb wird aufrecht erhalten.
Handelt es sich nach dem Vergleich um einen gestörten Zustand, so wird im Fall eines sicher festgestellten erheblichen Schadens Einfluss auf den Maschinenbetrieb genommen, indem über das Interface 37 ein entsprechendes Informationspaket in Form von Statussignalen des Rotorblattzustandes, von Signalen zur Schadstellenlokalisierung und zur Schadenzustandsbeschreibung aus dem Informationsdaten-Modul 45 an den Leitrechner 38 übertragen wird, der zu einer automatischen oder einer durch einen Dispatcher zu bestätigenden Änderung der Betriebsweise der Windkraftanlage 40 gemäß einem Modul 52 zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung veranlasst wird. Diese Aktion wird auch akustisch in der Warte signalisiert und an übergeordnete Einrichtungen weitergemeldet. Aus einer Zuordnungstabelle zum Spektrum aus dem Massespeicher 30,32 werden die Informationen als Signale zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Reparatur ausgelesen und ebenfalls über das Interface 37 an den Leitrechner 38 zur Weitermeldung übermittelt.
Wird der Schaden beim Spektrenvergleich als nicht erheblich detektiert, so werden aus der Zuordnungstabelle zum Spektrum vom Massespeicher 30,32 die Informationen zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und Reparatur aus dem Informationsdaten-Modul 45 ausgelesen und an den Leitrechner 38 übergeben, um dort auch nach akustischer Signalisation in Form einer Tabelle und/oder in Form einer grafischen Darstellung eine Handlungsanleitung zu geben.
Gibt es für das gemessene Spektrum, das einer Störung zuzuordnen ist,, kein passendes Vergleichsspektrum, so wird dem Leitrechner 38 ein entsprechendes Statussignal übersandt mit der Aufforderung an die Überwachung, sich der Situation anzunehmen und eine Entscheidung zu treffen. Das gemessene
Spektrum kann über eine Datenfernübertragung vom Leitrechner 38 an den Lieferer der Überwachungsanlage übermittelt werden, der ferndiagnostisch auf die Anfrage mit einer Antwort an den Leitrechner 38 und den Dispatcher reagiert, weleher Zustand diesem Spektrum zugeordnet wird und welche Handlungen erforderlich sind.
Das Verfahren basiert auf der Nutzung von Eigenfrequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- und -Reflexionsverhalten, da diese akustischen Eigenschaften eng mit dem Zustand eines Rotorblatts 1,2,3 verknüpft sind. Mechanische Schäden und Risse und Materialveränderungen im Inneren und auf der Oberfläche haben eine deutlichen Einfluss auf die akustischen Eigenschaften, da bestimmte Eigenfrequenzen, bestimmte Reflexionssignale, Laufsignalabschwächungen und die Betriebseigengeräusche eng mit den mechanischen Eigenschaften verknüpft sind. Die Abhängigkeiten können experimentell mit Messungen an Rotorblättern verschiedener Zustände und durch Simulation der Auswirkungen von Fehlstellen und Materialveränderungen im Rotorblatt 1,2,3 z.B. mit FEM-Modellen berechnet werden.
Gemessen und ausgewertet werden die Eigenfrequenzspektren, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren auf Sende-Schall- oder Impuls-Signale sowie Betriebseigengeräusche. Die empfangenen und die daraus durch Transformation gewonnenen Signal-Spektren werden hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden, aber auch hinsichtlich von Gesamtheiten wie Frequenzbanden und Frequenz-Amplitudengruppen bewertet.
Auf der Grundlage von vorher durch Modellrechnungen und durch experimentellen Untersuchungen an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern bestimmten Frequenz- und Amplituden-Spektren bzw. Spektrenformen/-Banden, die eindeutig bestimmten Rotorblattzuständen, den schadfreien und den be-
stimmten Schäden zuzuordnenden Zuständen, zugeordnet werden können, werden mit den empfangenen Ist-Frequenz- und Ist-Amplituden-Spektren sowie Ist-Spektrenformen/-Banden verglichen.
Bei Abweichungen wird zunächst zumindest eine Anzeige erhalten, ob die Abweichung einem Schadzustand zugeordnet werden kann, der Anlass gibt, Einfluss auf den Betrieb der Windkraftanlage 40, bis hin zur Schnellabschaltung, zu nehmen. Des Weiteren wird grundsätzlich die Lokalisierung der dem Zustand zuzuordnenden Schadstelle 39 an dem zu überwachenden Rotorblatt 1 ausgewiesen, wenn der Zustand in der Spektrenbibliothek enthalten ist. Davon ausgehend werden Maßnahmen vorgeschlagen für den weiteren Betrieb der Windkraftanlage 40 sowie für Wartungs- und Reparaturarbeiten zur Schadensbehebung. Nicht zuzuordnende Spektren werden registriert und zur weiteren Bewertung an die für den Algorithmus zuständige Auswerte-Einheit 23 oder in deren Erweiterung wahlweise über Datenfernübertragung übermittelt. Wahlweise kann dort mit einer Fuzzy-Logik im Zusammenspiel mit den sonst einlaufenden Erkenntnissen anderer Anlagen eine Anzeige zum Zustand erhalten und die Information an die betroffene Windkraftanlage 40 zurückgesendet werden. Für die anderen Rotorblätter 2,3 gilt Gleiches.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt in der Gewinnung von objektiven Bewertungsdaten, was mit den derzeit durchgeführten visuellen Betrachtungen nur eingeschränkt gegeben ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt in der Gewinnung von objektiven Bewertungsdaten, was mit den derzeit durchgeführten visuellen Betrachtungen nur eingeschränkt gegeben ist.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass die Schadstellen 39 mit integrierten technischen Mitteln durch die ständige Überwachung während des Betriebes kontinuierlich und rechtzeitig erkannt werden können, so dass die aufwendigen manuellen periodischen Inspektionen mit notwendigen Betriebsunterbrechungen wegfallen können. Das führt einerseits zu einer beträchtlichen Kosteneinsparung. Anderseits würden
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sich die der Laufzeiten der Windkraftanlagen 40 pro Jahr verlängern und der Ertrag sich verbessern.
Aufgrund der Erkennung von Schäden in den Rotorblättern 1,2,3 schon zum Zeitpunkt der Entstehung können - wenn erforderlich und möglich - sofort zielgerichtet Reparaturen veranlasst werden.
Insbesondere bei den Schichtwerkstoffen der Rotorblätter 1,2,3 lassen sich damit Schadensvergrößerungen bis hin zu Zerstörungen vermeiden, womit eine erhebliche Verringerung der ,Reparaturkosten erreicht wird. Mit der Erfindung wird somit im Fall einer Zerstörung ein langdauernder Stillstand der Windkraftanlagen vermieden, der zu einem erhebliche Ausfall von Erträgen führt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit der Materialprüfung des Rotorblattes bereits vor dem Einbau an der Windkraftanlage, indem das jeweilige Rotorblatt zunächst im Werk, dann vor Ort nach dem Transport und während der Montage akustischen Untersuchungen unterzogen wird und die Signale mit standardisierten Sollwerten verglichen werden. Liegen die Signalwerte innerhalb einer vorgegebenen Toleranzbreite, kann ein qualitätssicherer Zustand der Rotorblätter definiert werden.
Bezugszeichenliste
1 erstes Rotorblatt
2 zweites Rotorblatt
3 drittes Rotorblatt
4 Mast
4 Mast
5 Gondel
6 Welle
7 Blattflügel
8 Rotorblattfuß
9 erster Schall- /Impulssender (Aktor)
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10 zweiter Aktor
11 erster Schall-ZSchwingungsempfänger (Sensor)
12 zweiter Sensor
13 erste Aktorsignalleitung
13' erste Aktorsignalausgangs-Leitung
14 zweite Aktorsignalleitung
14' zweite Aktorsignalausgangs-Leitung
15 erste Sensorsignalleitung
15' erste Sensorsignaleingangs-Leitung
16 zweite Sensorsignalleitung
16 zweite Sensorsignalleitung
16' zweite Sensorsignaleingangs-Leitung
17 Stator
18 Rotoraufsatz
19 Wicklung
20 Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit mit Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) sowie Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder)
20a Erregersignal-/HiIfsenergie-Übertragungseinheit
20a Erregersignal-/HiIfsenergie-Übertragungseinheit
20m Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit
21 Statoreinheit mit Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) und Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder)
21a Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder
und Sender)
und Sender)
21m Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder)
22 Rotoreinheit mit Sign'alübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) und Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder)
22a Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger
und Decoder)
22m Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder
22m Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder
und Sender)
23 Auswerte-Einheit
23 Auswerte-Einheit
24 Zentrale Rechnereinheit
25 Speicher
26 Bedieneinheit
27 Videoterminal 28 Tastatur
29 Drucker
30 Festplattenspeicher
31 Wechselplattenspeicher
32 CD-ROM-Laufwerk
10. 33 Mehrkanaliger programmierbarer Schall-/Impulsgenerator
34 Mehrkanaliger programmierbarer Messignallempfänger ■
35 Bus
3 6 Einheit zur Übernahme von Klima-Daten
37 Schnittstelle
38 Leitrechner
39 Schadstelle
40 Windkraftanlage
41 Modul zur Messprozesssteuerung
42 Modul zur Messsignalaufbereitung 43 Meterologie-Modul
44 Anlagenbetriebsdaten-Modul
45 Informationsdaten-Modul
46 Vergleichsmodul
47 Modul zur Feststellung eines Normalzustands
48 Modul zur Feststellung eines gestörten Zustands
49 Softwareprogramm-Modul zur Abarbeitung eines Algorithmus
50 Messsignal-Eingangsrichtung
51 Aktorsignal-Ausgangsrichtung
52 Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung
53 erste Betriebsenergieversorgungsleitung
54 zweite Betriebsenergieversorgungsleitung
55 Schallübertragung im Rotorblatt
56 Weiterbetriebsentscheidungs-Modul 57 Übertragungsstrecke
Claims (36)
1. Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern (1, 2, 3) an Windkraftanlagen (40) mit Hilfe von an und/oder in den Rotorblättern (1, 2, 3) befindlichen Aktoren (9, 10) und Sensoren (21; 12), wobei die windkraftgetriebenen Rotorblätter (1, 2, 3) über eine Welle (6) mit einem in der Windkraftanlage (40) befindlichen Generator zur Stromerzeugung in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet,
dass sie auf der Anwendung von Eigenfrequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- und -Reflexionsverhalten basiert,
wobei Resonanz- und Eigenfrequenzen, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren nach Sendung von Erregersignalen oder aus einer Eigenerregung bei Anlagenbetrieb sowie Betriebseigengeräusche gemessen werden,
wobei die empfangenen und die daraus durch Transformation gewonnenen Signal-Spektren hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden aber auch hinsichtlich von Gesamtheiten bewertet werden,
wobei auf der Grundlage von Modellrechnungen und durch akustische Messungen von unbeschädigten und von geschädigten Rotorblättern (1, 2, 3) bestimmte Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden erhalten werden, die passenden Zuständen zugeordnet werden,
wobei Spektrenbibliotheken auf Massendatenspeicher (30,32) aus den Spektren mit der Zuordnung von Schadenszustand und Schadenslokalisation und weiteren Informationen, vorzugsweise zum Anlagenbetrieb sowie zu Wartungs- und Reparatur, aufgebaut werden,
wobei die empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden- Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden mit den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren verglichen und die dazu korrespondierenden Zustände ermittelt werden, die bei Abweichungen vom Normalzustand bestimmten Schadzuständen und bestimmten Schadstellen (39) im Material der Rotorblätter (1, 2, 3) zugeordnet werden.
dass sie auf der Anwendung von Eigenfrequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- und -Reflexionsverhalten basiert,
wobei Resonanz- und Eigenfrequenzen, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren nach Sendung von Erregersignalen oder aus einer Eigenerregung bei Anlagenbetrieb sowie Betriebseigengeräusche gemessen werden,
wobei die empfangenen und die daraus durch Transformation gewonnenen Signal-Spektren hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden aber auch hinsichtlich von Gesamtheiten bewertet werden,
wobei auf der Grundlage von Modellrechnungen und durch akustische Messungen von unbeschädigten und von geschädigten Rotorblättern (1, 2, 3) bestimmte Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden erhalten werden, die passenden Zuständen zugeordnet werden,
wobei Spektrenbibliotheken auf Massendatenspeicher (30,32) aus den Spektren mit der Zuordnung von Schadenszustand und Schadenslokalisation und weiteren Informationen, vorzugsweise zum Anlagenbetrieb sowie zu Wartungs- und Reparatur, aufgebaut werden,
wobei die empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden- Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden mit den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren verglichen und die dazu korrespondierenden Zustände ermittelt werden, die bei Abweichungen vom Normalzustand bestimmten Schadzuständen und bestimmten Schadstellen (39) im Material der Rotorblätter (1, 2, 3) zugeordnet werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Übertragung von der rotierenden Welle (6) die Messsignale in einer Auswerte-Einheit (23) analysiert werden, indem aus dem empfangenen Eigen- Signalspektrum oder aus den in Korrelation mit den über die Sender-Aktoren - (9, 10) eingespeisten Signalen empfangenen Spektren seitens der Empfänger (11, 12) die relevanten Frequenzen und Amplituden des Zeitspektrums oder eines transformierten, vorzugsweise fouriertransformierten Spektrums herausgefiltert werden, die signifikant für die Zustandsbewertung sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Erregersignale von und zu den Rotorblättern (1, 2, 3) über eine Signal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit (20) von der Welle (6) zum Stator (17) und umgekehrt geführt werden und dabei Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheiten (Encoder und Sender) (21a, 22m) sowie Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheiten (Empfänger und Decoder) (22a, 21m) verwendet werden.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem jeweiligen Vergleich zwischen den empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist- Spektrenformen/-Banden und den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren kurzfristige sowie mittel- und langfristige Maßnahmen zum Betrieb der Windkraftanlage (40) und zur Reparatur und Wartung der Rotorblätter (1, 2, 3) abgeleitet werden.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Leitrechner (38) die Zustands-Informationen über eine Informationsschnittstelle (37), vorzugweise ein serielles Interface, übermittelt werden, in dem automatisch der Anlagenbetrieb bis hin zur Schnellabschaltung beeinflusst wird und der Anlagenüberwachung Maßnahmen zur Reaktionsweise auf Schadzustände und Informationen zur Einleitung von dringlichkeitsabhängigen Maßnahmen mitgeteilt werden.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustands-Überwachung der Rotorblätter (1, 2, 3) auch während der Produktion sowie nach dem Transport vor Ort und während der Montage im Bereich der Windkraftanlage (40) durchgeführt wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise in einer zugehörigen zentralen Recheneinheit (24) ein Softwareprogramm-Modul 49 zur Abarbeitung eines Algorithmus Vorhanden ist, das ein Modul 41 zur Messprozesssteuerung, ein Modul 42 zur Messsignalaufbereitung, ein Vergleichsmodul 46, ein Modul 47 zur Feststellung des Normalzustandes, ein Weiterbetriebsentscheidungs-Modul 56, ein Modul 48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes, ein Modul 52 zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung enthält, wobei das Modul 48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul 56 in Verbindung stehen kann.
8. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messzyklus in dem Modul (41) zur Messprozesssteuerung ausgelöst wird und das mit der Ausgabe eines Erregersignals von dem programmierbaren Schall- /Impulsgenerator (33) an den Aktor (9, 10) über die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit (20a) beginnt, wobei gleichzeitig das Tor der programmierbaren Signalempfangseinheit (34) für den vorgegebenen Messzeitraum geöffnet und das aus der Schallübertragung 55 im Rotorblatt gewonnene Messsignal vom Sensor (11) empfangen sowie als zeitbezogenes Frequenz-Amplituden- Signal digital im Hauptspeicher (25) der zentralen Recheneinheit (24) in einer vorgegebenen Auflösung abgelegt wird.
9. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (41) zur Messprozesssteuerung für die Bildung der Erregersignale und Empfangssignale zuständig ist.
10. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem durch die Messung gewonnenen Messsignal- Vektor mittels anschließender Transformation, vorzugsweise einer schnellen Fouriertransformation ein Frequenz-Amplituden-Spektrum in dem Modul (42) zur Messsignalaufbereitung erzeugt wird, wobei das Frequenz- Amplituden-Spektrum die für das Rotorblatt (1, 2, 3) typischen gemessenen Eigenfrequenzen als ein Spektrum in einem typischen normierten Frequenzbereich besitzt, und wobei durch einen Mustervergleich mit den auf Festplatte (30) oder CD-ROM (32) abgelegten normierten Eigenfrequenz-Spektren aus Messungen und/oder Modellrechnungen in einem Vergleichsmodul (46) ein korrespondierender Zustand ermittelt wird, wobei die Wetterdaten, z. B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Meterologie-Modul (43) und die Anlagenbetriebsdaten, z. B. Drehzahl und Leistung, aus einem Anlagenbetriebsdaten-Modul (44) als Parameter berücksichtigt werden.
11. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem durch die Messung von Schalllauf- und Reflexionssignalen gewonnenen Messsignal-Vektor mittels anschließender Transformation frequenzabhängige Zeit- Amplituden-Spektrum in einem Modul (42) zur Messsignalaufbereitung erzeugt werden, wobei das Signal-Spektrum für das Rotorblatt (1) typische gemessenen Laufzeiten und Reflexionen als ein Spektrum in einem typischen normierten Frequenz- und Zeitfensterbereich besitzt, und wobei durch einen Mustervergleich mit den auf Festplatte (30) oder CD-ROM (32) abgelegten normierten Eigenfrequenz-Spektren aus Messungen und/oder Modellrechnungen in einem Vergleichsmodul (46) ein korrespondierender Zustand ermittelt wird, wobei die Wetterdaten, z. B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Meterologie-Modul (43) und die Anlagenbetriebsdaten, z. B. Drehzahl und Leistung, aus einem Anlagenbetriebsdaten-Modul (44) als Parameter berücksichtigt werden.
12. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines Normalzustands (47) dem Windkraftanlagen- Leitrechner (38) ein entsprechendes Statussignal aus dem Weiterbetriebsentscheidungs-Modul (56) übermittelt wird und der Weiterbetrieb aufrecht erhalten bleibt.
13. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines gestörten Zustands Einfluss auf den Maschinenbetrieb genommen wird, indem über das Interface (37) ein entsprechendes Informationspaket in Form von Statussignalen des Rotorblattzustandes, von Signalen zur Schadstellenlokalisierung und zur Schadenzustandsbeschreibung aus dem Informationsdaten-Modul (45) an den Leitrechner (38) übertragen wird, der zu einer automatischen oder einer durch einen Dispatcher zu bestätigenden Änderung der Betriebsweise der Windkraftanlage (40) gemäß einem Modul (52) zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung führt.
14. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Zuordnungstabelle zum Spektrum aus dem Massespeicher (30,32) die Informationen als Signale zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Reparatur ausgelesen und ebenfalls an den Leitrechner (38) zur Weitermeldung übermittelt werden.
15. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Entscheidung, dass der Schaden beim Spektrenvergleich als nicht erheblich detektiert wird, aus der Zuordnungstabelle zum Spektrum vom Massespeicher (30,32) die Informationen zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und Reparatur aus dem Informationsdaten-Modul (45) ausgelesen und an den Leitrechner (38) übermittelt werden, um dort auch nach akustischer Signalisation in Form einer Tabelle und/oder in Form einer grafischen Darstellung eine Handlungsanleitung zu geben.
16. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass für das gemessene Spektrum, das einer Störung zuzuordnen ist, kein passendes Vergleichsspektrum vorliegt, dem Leitrechner (38) ein entsprechendes Statussignal übersandt wird mit der Aufforderung an die Überwachung zur ferndiagnostischen Klärung, wobei das gemessene Spektrum auch über eine Datenfernübertragung vom Leitrechner (38) an den Service des Überwachungsanlagenherstellers übermittelt werden kann, der danach Hilfestellungen geben kann.
17. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Eigenfrequenzspektren, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren auf Sendesignale sowie Betriebseigengeräuschen empfangenen und die daraus durch Transformation erhaltenen Signal-Spektren sowohl hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden als auch hinsichtlich von Gesamtheiten wie Frequenzbanden und Frequenz-Amplitudengruppen bewertet werden.
18. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage von vor der Montage durch Modellrechnungen und durch experimentellen Untersuchungen an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern bestimmten Frequenz- und Amplituden-Spektren bzw. Spektrenformen/-Banden, die eindeutig bestimmten Rotorblattzuständen, den schadfreien und den bestimmten Schäden zuzuordnenden Zuständen, zugeordnet werden können, mit den empfangenen Ist-Frequenz- und Ist- Amplituden-Spektren sowie Ist-Spektrenformen/-Banden verglichen werden.
19. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichungen zumindest eine Anzeige erhalten wird, ob die Abweichung einem Schadzustand zugeordnet werden kann, der Anlass gibt, Einfluss auf den Betrieb der Windkraftanlage (40), bis hin zur Schnellabschaltung, zu nehmen.
20. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht zuordenbaren Spektren wahlweise mit einer Fuzzy-Logik im Zusammenspiel mit den sonst einlaufenden Erkenntnissen anderer Windkraftanlagen eine Anzeige zum Zustand erhalten und die Informationen an die betroffene Windkraftanlage (40) zurückgesendet werden.
21. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprüfung des Rotorblattes (1, 2, 3) bereits vor dem Einbau an der Windkraftanlage (40) erfolgt, indem das jeweilige Rotorblatt (1, 2, 3) zunächst im Werk, dann vor Ort nach dem Transport und während der Montage akustischen Untersuchungen unterzogen wird und die Signale mit standardisierten Sollwerten verglichen werden.
22. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schall-/Schwingungsempfänger (11, 12) und wahlweise mindestens ein Aktor (9, 10) vorgesehen sind, die an relevanten, schallsignalgeeigneten Stellen eingebettet oder an der Oberfläche der Rotorblätter (1, 2, 3) angebracht sind.
23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren und Aktoren (9, 10, 11, 12) wahlweise vom Rotorblattfuß (8) ausgehende festinstallierte Signalleitungen (13 bis 16) und wahlweise Betriebsenergieversorgungsleitungen (53, 54) aufweisen.
24. Einrichtung nach Anspruch 22 und/oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei fest im oder auf dem Rotorblatt (2, 3, 4) eingebetteten Leitungen (13 bis 16) darin die Signale zu und von den Aktoren/Sensoren (9, 10,11, 12) vom und zum Rotorblattfuß (8) an jeweils einem Rotorblatt (1, 2, 3) übertragbar sind, wobei die Signal-Übertragung von der rotierenden Welle (6) zum Stator (17) in der Gondel (5) der Windkraftanlage (40) insbesondere mit einer analogen oder digitalen Messsignal-Übertragungseinrichtung (20m, 21m, 22m) vorzugsweise auf Basis von Magnet- Wechselfeldern, Funkwellen- und/oder Lichtsignal- Übertragungsstrecken (57) erfolgt.
25. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungseinheit (20) Signalvor- bzw. Signalnachverarbeitungseinheiten zugeordnet sind, denen insbesondere Sender mit Encoder und Empfänger mit Decoder vorgeschaltet sind.
26. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Auswerte-Einheit (23) ein dafür konfiguriertes und programmiertes Computersystem (24-37) gehört, das mittels einer zugehörigen Betriebssystem- sowie Mess- und Auswertesoftware wahlweise Erregersignale erzeugt und zu den Aktoren (9, 10) sendet sowie Signale der Sensoren (11, 12) auswertet und durch Vergleich zwischen den gemessenen Spektren und den Spektren aus Spektrenbibliotheken, die vorzugsweise auf Massespeicher (30,32) abgelegt sind, zuzuordnenden Rotorblatt-Zustände sowie zugehörige Statussignale, Schadensinformationen und Betreiberhinweise ableitet, wobei Klima-Daten, die über die über eine Einheit (36) zur Übernahme von Klimadaten abrufbar sind sowie Anlagenbetriebsdaten, wie Drehzahl und Leistung, die über die Schnittstelle (37) zur Verfügung stehen, wahlweise berücksichtig werden.
27. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Statussignale der Rotorblätter (1, 2, 3) und die zugehörigen Informationen über die Schnittstelle (37) an den Leitrechner (38) der Windkraftanlage (40) übermittelt werden und dort der vorhandenen Überwachung aufgeschaltet werden, wobei dort zusätzlich der Status der Rotorblätter (1, 2, 3) angezeigt wird und, falls Schadzustände auftreten, die Schadstellen (39) am Rotorblatt (1, 2, 3) und/oder innerhalb der Rotorblätter (1, 2, 3) in Form von Text, Tabellen oder Grafiken angezeigt und wahlweise zugeordnete sicherheitsbezogene Handlungsanweisungen und Regelungen automatisch eingeleitet oder der Bedienung zur Ausführung vorgeschlagen werden, sowie mittel- oder langfristige Wartungs- oder Reparatur-Maßnahmen angezeigt und deren Ausführung geprüft wird.
28. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schall-/Impulssender (9) und ein erster Schall-/Schwingungsempfänger (11) ein erstes Aktor- /Sensorpaar für ein Flügel-Längssignal-Zusammenspiel bilden, während ein zweiter Sender (10) und ein zweiter Sensor (12) ein zweites Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Quersignal-Zusammenspiel darstellen.
29. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit (20) mit der Auswerte-Einheit (23) verbunden ist.
30. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte-Einheit (23) im Wesentlichen aus der zentralen Recheneinheit (24), aus einem Speicher (25), vorzugsweise einem MOS-Speicher, aus einer Bedieneinheit (26) mit einem angeschlossenen Videoterminal (27), mit einer angeschlossenen Tastatur (28) und mit einem angeschlossenen Drucker (29), aus einer Wechselplatte (30), einer Floppy-Disk (31) und einem CD-ROM-Laufwerk (32), aus einem 6-kanaligen programmierbaren Schall- /Impulsgenerator (33) sowie aus einem 6-kanaligen programmierbaren Messignallempfänger (34) besteht, die über einen Bus (35) der zentralen Recheneinheit (24) miteinander verbunden sind, wobei am Bus (35) vorzugsweise eine Einheit (36) zur Übernahme von Klima-Daten, insbesondere von Windstärke und Temperatur sowie vorzugsweise eine Schnittstelle (37), mit der eine Kommunikations-Verbindung zum übergeordneten Leitrechner (38) der Windkraftanlage (40) herstellbar ist, angeschlossen sind.
31. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der programmierbare Schall-/Impulsgenerator (33) über die Signalleitungen (13', 14) mit der Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit (20a) verbunden ist und der programmierbare Messignallempfänger (34) über die Messsignalleitungen (15',16') mit der Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit (20m) in Verbindung steht.
32. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Massendatenspeicher, wie es die Festplatte (30) oder die CD-ROM (32) sind, digitalisierte Vergleichsspektren für die Rotorblätter (1, 2, 3) für verschiedene normale Betriebszustände sowie für Störungs- und Schadenszustände abgelegt sind, die aus Messungen an normalen und defekten Rotorblättern sowie aus Modellrechnungen vorzugsweise mit der FEM-Methode erhalten werden, wobei Klimadaten, wie Luftgeschwindigkeit, -temperatur und -feuchte sowie Anlagenbetriebsdaten, wie Drehzahl und Leistung, Parameter sein können.
33. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinrichtung (20) im Wesentlichen aus einer Sende- /Empfangseinrichtung (20a) in Richtung zu den Aktoren (9, 10) des Blattflügels (7) sowie aus einer Empfangs- /Sendeeinrichtung (20m) aus der Richtung der Sensoren (11, 12) des Blattflügels (7) besteht, wobei die Sende- /Empfangseinrichtung (20a) und die Empfangs- /Sendeeinrichtung (20m) das signaltechnische Zusammenspiel im Bereich zwischen Rotor und Stator (17) betreffen, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung (20a) eine Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit und die Empfangs-/Sendeeinrichtung (20m) eine Messsignal- /Hilfsenergie-Übertragungseinheit darstellen, die vorzugsweise eine Zweiteilung bezüglich der Anordnung auf/am Rotor und Stator (17) aufweisen, wobei auf dem Stator (17) die Statoreinheit (21) mit der Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (21a) und der Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (21m) angebracht sind und auf dem Rotor die Rotoreinheit (22) mit der Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (22m) und der Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (22a) angebracht sind.
34. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit (20a) mit einer Signalübertragungs- Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) (21a) auf einem Statorteil und die Signalübertragungs- Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) (22a) auf einem Rotorteil mit den Aktorsignalleitungen (13, 14) des Rotorblatts (1) und den Aktorsignalausgangs-Leitungen (13', 14'), die zur Auswerte-Einheit (23) gehören, in Verbindung stehen.
35. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit (20m) mit einer Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) auf einem Rotorteil (22m) und die Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) auf dem Statorteil (21m) mit den Sensor-Messsignalleitungen (15, 16) des Rotorblattes (1) und den Messsignaleingangs-Leitungen (15', 16'), die zur Auswerte-Einheit (23) führen, in Verbindung stehen.
36. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheiten und den Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheiten (21a-22a; 22m-21m) jeweils Übertragungsstrecken (57) vorhanden sind, in denen die Informationen/Signale und die Energie/Signale vorzugsweise auf der Basis von Magnet-Wechselfeldern, Funkwellen und/oder Lichtsignalen übermittelt werden.
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