DE69902455T2

DE69902455T2 - Windturbine mit beanspruchungsindikator

Info

Publication number: DE69902455T2
Application number: DE69902455T
Authority: DE
Inventors: Peter Grabau
Original assignee: LM Glasfiber AS
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2019-04-17
Also published as: DK58998A; AU3137999A; DE69902455D1; ES2182503T3; WO1999057435A1; EP1075600A1; DK1075600T3; EP1075600B1; ATE221959T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Windturbine, die eine Anzahl von Flügeln hat, wobei ein Wandler an mindestens einem der Flügel vorgesehen ist. Ferner betrifft die. Erfindung ein Verfahren zum Messen von Vibrationen in einem Windturbinenflügel.
WO 83/01490 zeigt eine Windturbine, an der Spannungssensoren in verschiedenen Positionen vorgesehen sind. Beispielsweise ist ein Anzeigeinstrument zur Anzeige von Vibrationen in dem Turn vorgesehen, weil zu starke Vibrationen die Windturbine beschädigen können. Ein Nachteil eines solchen Anzeigeinstruments besteht darin, daß es keine ausreichend detaillierten Informationen über den Zustand der Windturbine liefert.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher aufzuzeigen, wie detailliertere Informationen über den Zustand der Windturbine erhalten werden.
Eine Windturbine vom obigen Typ ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler an jedem Flügel triaxial ist und bevorzugt aus einem Triaxialbeschleunigungsmesser gebildet ist, wobei der Wandler vorgesehen ist, um die Beanspruchungen anzuzeigen, denen der Flügel ausgesetzt ist. Als Resultat wird ein detailliertes Bild von sowohl Kanten- als auch Blattvibrationen des Flügels erhalten, so daß der Zustand des Flügels genauer bestimmt wird. Außerdem kann mittels einer Recheneinheit die Kanten- und die Blatt- Eigenschwingfrequenz des Flügels geschätzt werden. Wenn sich eine dieser Frequenzen erheblich oder abrupt ändert, zeigt das an, daß der Flügel beschädigt worden ist.
Gemäß der Erfindung werden ferner die von dem Wandler gelieferten Signale zu einer Signalverarbeitungseinheit übertragen, in der sie mit bekannten Standards oder bekannten Signalmustern verglichen werden, um mögliche Abweichungen davon anzuzeigen.
Gemäß der Erfindung kann ferner die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet sein, daß sie dann, wenn die Abweichungen von den bekannten Standards oder bekannten Signalmustern einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, ein Warnsignal überträgt.
Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 einen Windturbinenflügel, wobei die Vibrationen gezeigt sind, denen der Flügel ausgesetzt ist;
Fig. 2 ein Diagramm eines Systems zur Verarbeitung von Signalen von einem Beschleunigungsmesser in dem Flügel;
Fig. 3 und Fig. 4 kleinere Kantenvibrationen, die der Rotation des Rotors überlagert sind, die ungefähr ein Sechstel der Kanten-Eigenschwingfrequenz des Flügels ist;
Fig. 5 Beispiele von Frequenzanalysen, die verschiedene Eigenschwing-bis 9 frequenzen einschließlich der Eigenschwingfrequenz der Flügel zeigen;
Fig. 10 bis Fig. 12 ein Beispiel von zusammenhängenden Werten der Windgeschwindigkeit, des Wandlersignals und des Fourier-transformierten Wandlersignals.
Jeder Windturbinenflügel 1 kann sowohl Kanten- als auch Blattvibrationen unterliegen, siehe Fig. 1. In jedem Flügel 1 ist eine Blackbox vorgesehen, um die Vibrationen zu detektieren und verschiedene Beanspruchungen in dem Flügel zu detektieren und zu speichern. Diese Beanspruchungen werden mittels Sensoren in Form von Wandlern gemessen. Die Meßsignale von den Wandlern 2 können direkt in der Blackbox verarbeitet werden. Auf der Basis der verarbeiteten und gespeicherten Signale kann anschließend festgestellt werden, ob der Windturbinenflügel 1 auf nachteilige Weise überlastet war.
Die Blackbox weist folgendes auf:
- eine selbständige Energieversorgung, die in einem rotierenden System aktiv ist,
- eine Reihe von Spezialsensoren in Form von Beschleunigungsmessern zur Anzeige der Beanspruchungen, denen der Flügel ausgesetzt ist;
- einen Datenlogger, in dem die Signale von den Beschleunigungsmessern entsprechend speziellen Prinzipien verarbeitet und gespeichert werden, und
- einen Funksender zur Übermittlung von Schlüsselparametern aus der Signalverarbeitung zu einem Empfänger.
Die Blackbox ist in dem Flügel so angebracht, daß ihre Wartung möglich ist, und ist ferner so ausgebildet, daß der Sensor auf optimale Weise wirksam sein kann.
Die Energieversorgung der Blackbox besteht aus einer Ladeeinheit und einer Batterie. Die Ladeeinheit kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein und kann beispielsweise die Rotation des Flügels als Energiequelle nutzen. Fakultativ können Solarzellenpanels, die an der Oberfläche des Flügels angebracht sind, oder Luftströme um den Flügel herum mittels einer kleinen Turbine genutzt werden, oder elektrische Energie kann von dem durch die Windturbine betriebenen Generator übertragen werden.
Der Datenlogger in der Blackbox weist auf: eine Datensammeleinheit mit analogen und digitalen Eingängen/Ausgängen, eine Signalaufbereitungseinheit mit einem Antialisingfilter und eine Datenverarbeitungseinheit. Die Datenverarbeitungseinheit sortiert die gesammelten Daten nach vorbestimmten Kriterien wie etwa eingestellten Grenzwerten. Die Daten werden in dem Datenlogger gespeichert, so daß der zeitliche Verlauf anschließend ausgewertet werden kann. Bei einem Zusammenbruch der Windturbine unterbricht der Datenlogger sämtliche Loggingvorgänge, um ein Löschen der Daten zu vermeiden, die eventuell Aufschluß über den Grund des Zusammenbruchs geben können.
Der Datenlogger hat ferner einen Kommunikationsport, der mit einem Funksende-/Empfangsgerät wie etwa einem GSM-Telefon mit Datenübertragungsgeschwindigkeit kommuniziert. Der Sender kann unter Beachtung vorbestimmter Regeln aktiviert werden, um eine Meldung an einen vorbestimmten Empfänger, z. B. eine vorbestimmte Telefonnummer, zu senden. Ferner ermöglicht das Sende-/Empfangsgerät eine Datenfernvermittlung zur Neuprogrammierung der Datensammeleinheit.
Der Empfänger kann mit einer Steuereinheit der Windturbine kommunizieren, so daß die Steuereinheit Information über sämtliche Überlastungen des einzelnen Flügels empfängt und dementsprechend aktiv werden kann. Der Empfänger kann fakultativ mit einer zentralen Überwachungseinheit oder einem Serviceteam kommunizieren, das erforderlichenfalls gerufen werden kann.

Triaxialer Beschleunigungsmesser

Durch Messen der Beschleunigungen in Kantenrichtung des Flügels 1 können Kantenvibrationen, ein zu abruptes Anlegen der Bremsen und Kurzschlüsse in dem Generator angezeigt werden. Aufgrund der Rotation des Flügels ist ein Beschleunigungssignal von ±1 g, das sich mit der Rotationsfrequenz ändert, ständig vorhanden. Das Beschleunigungssignal kann genutzt werden, um entweder die Messungen zu kalibrieren und kontinuierlich automatisch den Nullwert einzustellen oder die gesammelten Meßdaten zu kalibrieren. Die Datenverarbeitungseinheit berechnet die Kanten-Eigenschwingfrequenz des Flügels und überprüft, ob sich diese Frequenz innerhalb einer kurzen Zeit drastisch ändert. Eine sehr schnelle Änderung der Eigenschwingfrequenz ist ein Zeichen für Überlastung und einen möglichen Bruch eines Flügels. Ferner kann eine Unwucht im Rotor beispielsweise aufgrund von Eisbildung erkannt werden, um ein Enteisungssystem zu aktivieren.
Die Beschleunigungen werden außerdem in der Blattrichtung des Flügels gemessen. Eine Überlastung in der Blattrichtung des Flügels zeigt an, daß die maximale Leistung überschritten worden ist oder während eines Stillstands der Turbine die Windgeschwindigkeit den Grenzwert für den Betrieb überschritten hat. Es ist auch möglich, Signale zur Messung von Beschleunigungen in der Blattrichtung zu messen unter der Voraussetzung, daß der Beschleunigungsmesser so angeordnet ist, daß er von einer Komponente der Schwerkraft beeinflußbar ist, die einer geringfügig schrägen Anordnung des Beschleunigungsmessers entspricht. Ebenfalls in der Blattrichtung ist die Datenverarbeitungseinrichtung imstande, die Blatt-Eigenschwingfrequenz kontinuierlich zu berechnen.
Ferner werden die Beschleunigungen in der Längsrichtung des Flügels 1 gemessen, um anzuzeigen, wenn die maximal zulässige Drehzahl pro Minute von dem Rotor überschritten worden ist. Diese Messung kann ebenfalls auf der Grundlage des periodischen Einflusses der Schwerkraft kalibriert werden.
Die Beschleunigungsmesser können vorteilhaft in den Blackboxen angeordnet sein.
Ein Blitzanzeigegerät kann den Schaden infolge von Blitzschlag durch raschen Service und Inspektion verringern. Ein solches Anzeigegerät kann auch verwendet werden, um eine Meinungsverschiedenheit zwischen dem Eigentümer der Windturbine und der Versicherungsgesellschaft beizulegen, bei der die Windturbine versichert worden ist.
Ferner kann die Temperatur während des Betriebs angezeigt werden.
Im übrigen können Öldruckwandler zeigen, wie das Blattspitzen-Bremssystem verwendet worden ist, wodurch jede Überlastung des Bremssystems aufgezeigt wird.
Durch Anordnen eines Dehnungsmessers in der Basis der Turbine werden auch die Belastungen angezeigt, denen der Flügel im Betrieb und während des Stillstands ausgesetzt war. Die Eigenschwingfrequenzen und Amplituden des Flügels können ebenfalls abgelesen werden.
Ferner kann ein Anemometer vorgesehen sein, um die Windgeschwindigkeit in der betroffenen Meßperiode anzuzeigen.
Die genannte Blackbox, die die Dreiachsen- Beschleunigungsmesser aufweist, kann beispielsweise ein G- LOGGERTM ACCELERATION ACQUISITION SYSTEM, Modell 3310 von Silicon Designs, Inc., 1445-NW Mali Street, Issaquah, WA 98027-5344, USA, sein.
Diese Blackbox ist batteriegespeist und kann Daten mit einem Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz erfassen. Sie weist drei orthogonal angebrachte digitale kapazitive Beschleunigungsmesser, Modell 1010J, zusammen mit mikrocomputerbasierter Datenerfassungselektronik im Inneren eines Aluminiumgehäuses auf. Die Blackbox loggt automatisch Wechselstrom- /Gleichstrom-Beschleunigungen oder Wechselstrom-Geschwindigkeiten in ihren Flashspeicher ein. Spitzenbeschleunigungen oder Geschwindigkeitsstichproben für jede Achse können ebenfalls über vom Anwender gewählte Zeitintervalle aufgezeichnet werden. Vielfachfenster von sequentiellen Beschleunigungsstichproben können ebenfalls aufgezeichnet werden, und zwar mittelpunktgetriggert durch Beschleunigungs-Spitzenereignisse. Für die Wechselstrom-Beschleunigung oder -Geschwindigkeit kann ein Effektivwert- bzw. RMS-Algorithmus an dem Datenstrom zur Anwendung kommen. Die Gesamtgröße der Blackbox ist 8,89 cm · 11,43 cm · 5,58 cm (3,5" · 4,5" · 2,2"), und das Gewicht der Blackbox ist ungefähr 0,8 kg (28,5 oz).
Die Blackbox Modell Nr. 3310 wird auf einfache Weise über ein menübasiertes Programm programmiert, das auf einem PC unter Windows 95 läuft. Aufgaben werden in die Blackbox Modell Nr. 3310 über ein serielles Kabel RS-232, das mit dem seriellen Port des PC verbunden ist, heruntergeladen. Nachdem die Blackbox Modell Nr. 3310 programmiert ist, kann sie von dem seriellen Kabel RS-232 getrennt und zu der Datensammelstelle verbracht werden. Ein Wechselstromadapter ist vorgesehen, um die Blackbox Modell Nr. 3310 während der Aufgabenprogrammierung und des Herunterladens von Daten zu speisen. Aufgaben können entweder mit Sofort-, Absolutzeit- /Datum-Startpunkten oder verzögerten Startpunkten mit sequentiell programmierbaren Datentypen und unabhängigen Zeitdauern programmiert werden. Die Datenerfassungs-Gesamtzeit hängt von den gewählten Erfassungsraten ab und liegt zwischen 300 s und zwei Wochen. Die Datenstichprobenrate liegt zwischen einer pro Sekunde und 4000 pro Sekunde. Die Blackbox kann fakultativ mittels Bolzen an dem Objekt angebracht sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden zwei Beschleunigungsmesser verwendet, die jeweils zwei Achsen haben.
Durch Messen der Beschleunigung in der Kantenrichtung des Flügels 1 können Kantenvibrationen, ein zu abruptes Anlegen der Bremsen und Kurzschlüsse in dem Generator angezeigt werden. Infolge der Rotation des Flügels ist ein Beschleunigungssignal von ±1 g, das mit der Rotationsfrequenz veränderlich ist, ständig vorhanden. Dieses Beschleunigungssignal kann genutzt werden, um die Messung zu kalibrieren und kontinuierlich automatisch den Nullwert einzustellen oder die gesammelten Meßdaten zu kalibrieren. Die Datenverarbeitungseinheit ist imstande, die Kanten-Eigenschwingfrequenz des Flügels zu berechnen und dafür zu sorgen, daß sich diese Frequenz nicht innerhalb kurzer Zeit drastisch ändert. Eine solche drastische Änderung der Eigenschwingfrequenz kann tatsächlich einen Bruch oder eine Überlastung des Flügels anzeigen.
Die Beschleunigung wird auch in der Blattrichtung des Flügels 1 gemessen. Eine Überlastung in der Blattrichtung zeigt an, daß der Grenzwert für maximale Leistung überschritten worden ist, oder kann die Überlebens-Windgeschwindigkeit im Fall eines Stillstands der Turbine anzeigen. Es ist ferner möglich, in der Blattrichtung zu kalibrieren, wenn der Beschleunigungsmesser so angeordnet ist, daß eine Komponente der Schwerkraft den Beschleunigungsmesser beeinflußt. Das entspricht einer schrägen Anordnung des Beschleunigungsmessers. Zwei Achsen werden genutzt, um dieses Signal zu messen. Auch in der Blattrichtung ist die Datenverarbeitungseinheit imstande, die Blatt-Eigenschwingfrequenz kontinuierlich zu berechnen.
Die Beschleunigung ist auch in der Längsrichtung des Flügels meßbar, um anzuzeigen, ob der Rotor die maximal zulässige Drehzahl pro Minute überschritten hat. Dieser Drehzahlwert kann auf der Basis der Schwerkraft kalibriert werden.
Die Blackbox ist typischerweise an einem der Träger angebracht, der die Flügel miteinander verbindet. Die Positionierung kann je nach der Größe des Flügels 1 verschieden sein. Die optimale Position an einem Flügel vom Typ LM 19.1 ist in einer Entfernung von fünf bis acht Metern vom Flansch des Flügels.

Claims

1. Windturbine, die eine Anzahl von Flügeln hat, wobei ein Wandler an mindestens einem der Flügel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Triaxialsensor ist und bevorzugt aus einem Triaxialbeschleunigungsmesser besteht, wobei der Wandler vorgesehen ist, um die Beanspruchungen, denen der Flügel ausgesetzt ist, anzuzeigen.

2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Wandler gelieferten Signale zu einer Signalverarbeitungseinheit übertragen werden, in der sie mit bekannten Standards oder bekannten Signalmustern verglichen werden, um mögliche Abweichungen davon anzuzeigen.

3. Windturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet ist, daß sie dann, wenn die Abweichungen von den bekannten Standards oder bekannten Signalmustern einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, ein Warnsignal überträgt.

4. Windturbine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler einem Ende des Flügels benachbart oder in einem Ende des Flügels angeordnet ist.

5. Windturbine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit zentral angeordnet ist und mit jedem Wandler fakultativ über drahtlose Übermittlungen in Verbindung steht.

6. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Triaxialsensor aus zwei Biaxialbeschleunigungsmessern besteht.

7. Verfahren zum Messen von Vibrationen in einem Windturbinenflügel, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte von einem Triaxialsensor erhalten werden, der an dem Flügel vorgesehen ist, um die Beanspruchungen, denen der Flügel ausgesetzt ist, anzuzeigen.