EP4077929A1

EP4077929A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer änderung einer masseverteilung eines rotorblatts einer windkraftanlage

Info

Publication number: EP4077929A1
Application number: EP20823795.8A
Authority: EP
Inventors: Daniel Brenner
Original assignee: Weidmueller Monitoring Systems GmbH
Current assignee: Weidmueller Monitoring Systems GmbH
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-10-26
Also published as: WO2021122319A1; DE102019135108A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Änderung einer Masseverteilung eines Rotorblatts (41) einer Windkraftanlage (1) mit den folgenden Schritten: − Ermitteln von ersten Eigenfrequenzzuständen des Rotorblatts (41) der Windenergieanlage (1) bei einer ersten Masseverteilung des Rotorblatts (41); − Erfassen von Schwingungen des Rotorblatts (41) bei einer zweiten Masseverteilung, die sich ggf. von der ersten Masseverteilung unterscheidet; − Ermitteln von zweiten Eigenfrequenzzuständen des Rotorblatts (41) aus den erfassten Schwingungen; − Bestimmen von Änderungen zwischen den ersten und den zweiten Eigenfrequenzzuständen; und − Ableiten einer Verteilung einer Zusatzmasse, die dem Unterschied der zweiten zur ersten Masseverteilung entspricht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Änderung einer Masseverteilung eines Rotorblatts (41) einer Windkraftanlage (1), aufweisend mindestens einen Sensor (61) zur Aufnahme einer Schwingung des Rotorblatts (41) und eine Auswerteeinheit (63) zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Änderung einer Masseverteilung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Änderung einer Mas severteilung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage. Die Erfindung betrifft wei terhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Vorrich tung Schwingungsaufnehmer am Rotorblatt und/oder an mit diesem verbunde nen Komponenten der Windenergieanlage sowie eine Auswertevorrichtung für Signale der Schwingungsaufnehmer aufweist.

Die Auswertung von Schwingungen eines Rotorblatts einer Windkraftanlage entweder über Schwingungsaufnehmer, die in dem Rotorblatt selbst angeord net sind und/oder über Schwingungsaufnehmer, die an Komponenten ange ordnet sind, die mit dem Rotorblatt verbunden sind, wie beispielsweise einem Triebstrang oder einer Gondel der Windenergieanlage, ist ein probates Mittel, um Beschädigungen der Rotorblätter oder die Anlagerung von Zusatzmassen zu detektieren. Solche Zusatzmassen können beispielsweise aus einer Anlage rung von Dreck und insbesondere von Eis resultieren. Eis kann sich dabei in großen Mengen an Rotorblättern ablagern, bis in den 10- oder 100 Kilogramm (kg) Bereich. Zur Vermeidung von Gefahren durch abfallendes und abge schleudertes Eis ist die Kenntnis der angelagerten Masse des Eises von größ tem Interesse.

Die Druckschrift DE 10 2016 124 554 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erken nen einer Anlagerung von Eis an einem Rotorblatt einer Windkraftanlage, bei der anhand einer Änderung einer Eigenfrequenz auf eine Eisanlagerung ge schlossen wird. Um zuverlässige Detektionsergebnisse zu erzielen, wird dieses indirekte Verfahren kombiniert mit Messergebnissen von Sensoren, anhand de rer unmittelbar auf einen Eiszuwachs geschlossen werden kann. Sensoren, mit denen dieses möglich ist, sind beispielsweise Leitfähigkeitssensoren an der Oberfläche des Rotorblatts oder optisch oder akustisch arbeitende Sensoren, die eine Schichtdicke eines Eiszuwachses bestimmen können. Nachteilig an diesen Sensoren ist, dass sie Eis nur lokal unmittelbar im Bereich des Sensors detektieren können.

Aus der Druckschrift DE 10 2006 009 480 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Mehrzahl derartiger direkter Sensoren zur Bestimmung eines Di ckenprofils vorgesehen sind, um eine Dickenmessung einer angelagerten Eis- Schicht auch über einen größeren räumlichen Bereich an dem Rotorblatt detek- tieren zu können. Aufgrund der Vielzahl von Sensoren ist eine derartige Anord nung aufwändig in der Installation und auch der Wartung und/oder Fehlerbehe bung.

Insbesondere im Hinblick auf ein Anwachsen von Eis ist jedoch die Frage der Verteilung der Zusatzmasse am Rotorblatt relevant, da Eis, das weiter außen am Rotor angeordnet ist, zu einer größeren statischen Unwucht führt als eine Anordnung einer gleich großen Zusatzmasse im Bereich der Blattwurzel. Eine große statische Unwucht stellt eine Belastung für Lager des Rotors dar, die zu einem Lagenschaden oder zumindest einer Lebenszeitverkürzung des Lagers führen kann.

Zudem läuft an einer Spitze des Rotorblatts aufwachsendes Eis Gefahr, weit vom Standort der Windkraftanlage weggeschleudert zu werden. Eisansatz im Bereich der Blattwurzel ist insofern weniger kritisch, als es auch bei drehender Windenergieanlage im Allgemeinen nicht außerhalb des Rotorradius geschleu dert würde. Dieser Bereich ist in der Regel als Gefahrenbereich markiert, wo hingegen weiter vom Standort der Windenergieanlage weg geschleudertes Eis zu einer Sach- und Personengefährdung führen kann.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vor richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine auf einem Rotor aufwachsende Zusatzmasse, z. B. eine Eismasse, nicht nur detektiert werden kann, sondern auch eine Verteilung der Zusatzmasse entlang dem Rotorblatt ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltun gen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren werden erste Eigenfrequenzzu stände des Rotorblatts der Windenergieanlage ermittelt. Dieses kann anhand von Messungen erfolgen oder auch anhand von Modellen, wenn eine Massen verteilung des Rotorblatts und Informationen über Steifigkeiten des Rotorblatts bekannt sind. Im Betrieb der Windkraftanlage werden Schwingungen des Ro torblatts bei einer unbekannten zweiten Masseverteilung, die sich ggf. von der ersten Massenverteilung unterscheidet, durchgeführt. Aus den Schwingungs messungen werden zweite Eigenfrequenzzustände ermittelt. Anhand einer Ab- weichung der zweiten Eigenfrequenzzustände von den ersten Eigenfrequenz zuständen kann abgelesen werden, ob und wie sich die zweite Masseverteilung von der ersten Masseverteilung unterscheidet, ob also ein Dreck- bzw. Eisan satz erfolgt ist. Aus den gemessenen Änderungen der Eigenfrequenzzustände wird dann eine Verteilung von Zusatzmassen abgeleitet, die dem Unterschied der zweiten zur ersten Masseverteilung entspricht.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Betrachtung von min destens zwei Eigenfrequenzzuständen nicht nur das Vorhandensein einer Zu satzmasse am Rotorblatt detektiert werden kann, sondern auch Aussagen über die Position bzw. Verteilung der Zusatzmassen abgeleitet werden können. Als Eigenfrequenzzustände werden im Rahmen der Anmeldung Resonanzfrequen zen und/oder Resonanzamplituden von Schwingungszuständen verschiedener Ordnung verstanden.

Eine Bestimmung der ersten Eigenfrequenzzustände anhand von Messdaten kann erfolgen, indem Schwingungen des Rotorblatts bei der ersten Massever teilung ermittelt werden und die ersten Eigenfrequenzzustände des Rotorblatts aus den erfassten Schwingungen ermittelt werden. Bevorzugt werden dazu die Schwingungen anhand von Messsignalen von Sensoren erfasst, die beispiels weise in oder an den Rotorblättern angeordnet sein können, wobei aus den Messsignalen abgeleitete zeitabhängige Schwingungsauslenkung für einen be stimmten Zeitraum aufgezeichnet werden.

Aus den in der Zeitdomäne aufgezeichneten Schwingungsauslenkungen kann dann durch Transformation in den Frequenzbereich ein Amplitudenspektrum bestimmt werden und die Eigenfrequenzzustände anhand von Maxima des Amplitudenspektrums ermittelt werden. Eigenfrequenzzustände sind dabei bei spielsweise durch eine Frequenz und/oder eine Schwingungsamplitude ge kennzeichnet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die zweite Massever teilung anhand von bekannten Abhängigkeiten der Frequenzen der Eigenfre quenzzustände von Massenverteilungen bestimmt. So kann empirisch gewon nenes oder aus Modellrechnungen geschlussfolgertes Wissen über die Auswir kungen von Zusatzmassen auf die Eigenfrequenzzustände herangezogen wer den, um die unbekannte zweite Masseverteilung zu bestimmen. Bevorzugt wird die zweite Masseverteilung anhand von bekannten Abhängigkeiten des Ver hältnisses der Frequenzen verschiedener Eigenfrequenzzustände von Mas- senverteilungen bestimmt. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Frequenzverhältnis verschiedener Eigenfrequenzen sich sehr charak teristisch mit bestimmten Änderungen der Masseverteilung ändert. So kann insbesondere zwischen sich gleichmäßig entlang des Rotorblatts verteilten und eher lokalen Eis- oder Dreckansätzen unterschieden werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die zweite Masseverteilung bestimmt, indem Eigenfrequenzzuständen angenommener Masseverteilungen anhand von mathematischen Modellen des Rotorblatts be stimmt und mit den gemessenen zweiten Eigenfrequenzzuständen verglichen werden. Die mathematischen Modelle berücksichtigen dabei bevorzugt die ers ten Eigenfrequenzzustände, z.B. um freie Parameter des Modells an die tat sächlichen Messungen anzupassen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Änderung einer Masseverteilung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage weist mindestens ei nen Sensor zur Aufnahme einer Schwingung des Rotorblatts auf und eine Auswerteeinheit, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Ver fahrens eingerichtet ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Ver fahren genannten Vorteile.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer Windkraftan lage;

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung von Eigenfrequenzzuständen bei ei nem Rotorblatt einer Windkraftanlage;

Fig. 3 eine Darstellung eines Amplitudenspektrums von Schwingungszu ständen eines Rotorblatts einer Windkraftanlage;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Einflusses unterschiedlicher Mas severteilungen auf verschiedene Eigenschwingungszustände des Rotorblatts; und

Fig. 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung einer Massever teilung z.B. eines Eisansatzes an einem Rotorblatt. In Fig. 1 ist exemplarisch eine Schnittzeichnung eines Teils einer Windenergie anlage 1 dargestellt, die eine Vorrichtung 6 zur Bestimmung einer Änderung ei ner Massenverteilung eines Rotorblatts aufweist. Die in Fig. 1 gezeigte Wind energieanlage 1 ist somit zur Durchführung eines anmeldegemäßen Verfah rens zur Bestimmung einer Änderung einer Massenverteilung eines Rotorblatts geeignet und eingerichtet.

Die Windenergieanlage 1 weist eine auf einem Turm 2 drehbar aufgesetzte Gondel 3 auf, die einen Rotor 4 trägt. Der Rotor 4 weist mindestens ein Rotor blatt 41 auf, das an einer Nabe 42 mit einer Rotorwelle 51 verbunden ist. Der Bereich der Nabe 42 und des Ansatzes der Rotorblätter 41 ist von einem Spin ner 43 abgedeckt.

In der Fig. 1 sind beispielhaft zwei abgelängt dargestellte Rotorblätter 41 ge zeigt. Dieses ist rein beispielhaft, häufig weisen Windkraftanlagen drei Rotor blätter 41 auf.

Die genannte Rotorwelle 51 ist Teil eines Triebstrangs 5. Sie überträgt die Drehbewegung des Rotors 4 auf ein Getriebe 52. Dieses wiederum ist über ei ne Getriebewelle 53 und eine Kupplung 54 mit einem Generator 55 gekoppelt, der die mechanische Energie des Rotors 4 in elektrische Energie umwandelt. Die Darstellung der Windenergieanlage 1 mit Getriebe 55 ist ebenfalls rein bei spielhaft. Die anmeldungsgemäße Vorrichtung und das anmeldungsgemäße Verfahren können ebenso gut mit einer getriebelosen Windenergieanlage um gesetzt werden.

Die Vorrichtung 6 zum Bestimmen einer Änderung einer Massenverteilung ei nes Rotorblatts, nachfolgend kurz Überwachungsvorrichtung 6 genannt, um fasst mindestens einen Schwingungsaufnehmer 61 , nachfolgend abkürzend als Sensor 61 bezeichnet.

Vorliegend ist in jedem der dargestellten Rotorblätter 41 ein Sensor 61 ange ordnet. Jeder Sensor 61 ist über eine Sensorleitung 62 mit einer Auswerteein heit 63 verbunden. Die Art der Verbindung ist in der Fig. 1 rein beispielhaft dar gestellt. In der Regel erfolgt eine Verbindung zwischen den Sensoren 61 und der Auswerteeinheit 63 über in dem Rotorblatt 41 verlaufende Sensorleitungen bis in den Spinner 43, von wo aus eine in der Regel drahtlose Übertragung zur Auswerteeinheit 63 erfolgt. In alternativen Ausgestaltungen können die Senso ren 61 mit Energiegewinnungseinheiten gekoppelt sein (energy harvesting), so dass sie Energie beispielsweise aus der Drehung des Rotors 4 beziehen und unmittelbar vom Rotorblatt 41 aus Daten über Funk an die Auswerteeinheit 63 übertragen. Auch eine Energieversorgung der Sensoren 61 über optische Fa sern innerhalb der Rotorblätter 41 , ebenso wie eine optische Datenübermittlung von den Sensoren 61 zur Auswerteeinheit 63 oder zumindest zu einer Funk- Relaisstation im Spinner 43 ist denkbar.

Die Sensoren 61 sind Schwingungsaufnehmer, die eine Schwingung des Ro torblatts 41 erfassen. Die Sensoren 61 können Beschleunigungs-, Dehnungs oder auch Drehratensensoren sein. Eine Schwingung wird dann als Änderung eines gemessenen Beschleunigungswerts, einer gemessenen Geschwindigkeit oder einer gemessenen Ausdehnung erfasst. Die Anordnung der Sensoren 61 innerhalb des Rotorblatts 51 kann derart sein, dass Schwingungen in Schwen krichtung („edge“) und/oder in Schlagrichtung („flap“) und/oder in Torsionsrich tung des jeweiligen Rotorblatts 41 erfasst werden.

Rein beispielhaft sind die beiden dargestellten Sensoren 61 in der Fig. 1 etwa in einem unteren Drittel des Rotorblatts 41 angeordnet. Die Sensoren 61 kön nen jedoch auch an anderen Positionen im Rotorblatt 41 angeordnet sein. Au ßerdem ist es möglich, mehrere Sensoren 61 in jedem Rotorblatt 41 anzuord nen, die gemeinsam oder unabhängig voneinander ausgewertet werden.

Weiter ist es möglich, Schwingungen der Rotorblätter 41 auch an anderen Komponenten der Windenergieanlage 1 zu erfassen, an denen dann entspre chende Schwingungssensoren angeordnet sind. Beispielsweise können Senso ren in der Nabe 42 und/oder entlang des Triebstrangs 5 angeordnet sein, wobei Schwingungen des Rotorblatts 41 , die sich in diesen Sensoren zeigen, anhand z.B. ihres Frequenzbereichs von inhärenten Schwingungen am Triebstrang 5, beispielsweise aufgrund von Zahnradeingriffen im Getriebe 42, unterschieden werden können.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung zunächst mögliche Schwin gungszustände 7 eines Rotorblatts, beispielsweise eines der Rotorblätter 41 gemäß Fig. 1. Dargestellt ist eine Schwingungsamplitude auf der vertikalen Achse des Diagramms in Abhängigkeit einer Position entlang des Rotorblatts auf der horizontalen Achse.

Jede der Kurven 71-74 gibt jeweils eine momentane Auslenkung wieder, die charakteristisch für den jeweiligen Schwingungszustand 7 ist. Die Position „0“ auf der horizontalen Achse entspricht der Position der Blattwurzel und die Posi tion „max“ auf der horizontalen Achse entspricht der Position der Blattspitze.

In Fig. 2 sind vier Schwingungszustände 7 dargestellt, ein Grundzustand in Kurve 71 , eine erste Oberschwingung in Kurve 72, die sich durch einen Schwingungsknoten entlang der Erstreckung des Rotorblatts auszeichnet, eine zweite Oberschwingung in Kurve 73, der sich durch zwei Schwingungsknoten auszeichnet und eine dritte Oberschwingung in Kurve 74, die sich durch drei Schwingungsknoten entlang des Rotorblatts auszeichnet. Im Weiteren wird die Grundschwingung gemäß Kurve 71 als erster Eigenfrequenzzustand bezeich net und die erste, zweite und dritte Oberschwingung als zweiter, dritter und vierter Eigenfrequenzzustand.

In Fig. 2 sind Transversalschwingungen, also Schwingungen in Schwenkrich tung oder Schlagrichtung des Rotorblatts dargestellt. Ein vergleichbares Bild ergibt sich auch für Torsionsschwingungen, also Verdrehungen des Rotorblat tes um seine Längsachse.

Beim Betrieb der Überwachungsvorrichtung 6 wird für jeden der Sensoren 61 die aus seinen Messsignalen abgeleitete zeitabhängige Schwingungsauslen kung für einen bestimmten Zeitraum aufgezeichnet.

Bevorzugt wird dann ein Amplitudenspektrum aus der in der Zeitdomäne auf gezeichneten Schwingung ermittelt. Die Transformation in den Frequenzbe reich, also die Darstellung als Spektrum, kann beispielsweise mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder einer Wavelet-Transformation erfolgen. Alternativ kann anstelle einer Transformation in den Frequenzbereich eine Er mittlung von Eigenfrequenzzuständen auch im Zeitbereich durch entsprechen de Filterung oder durch stochastische Methoden erfolgen, beispielsweise über die sogenannte „Stochastic-Subspace Identification“ (SSI).

Fig. 3 zeigt ein beispielsweise über FFT aus den Schwingungsaufzeichnungen im Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiertes Spektrum in einer Spektralkurve 75. Auf der vertikalen Achse ist die Amplitude der Schwingung abhängig von der auf der horizontalen Achse aufgetragenen Frequenz wieder gegeben.

In dieser Darstellung können Eigenfrequenzzustände auf einfache Weise als Maxima der Spektralkurve 75 identifiziert werden. Die Zuordnung der Maxima zu den verschiedenen Eigenfrequenzzuständen ist durch die aufsteigende Fre quenz möglich.

Die beschriebene Schwingungsmessung und Bildung eines Spektrums wird in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt. Ändert sich eine Massenverteilung am Rotorblatt 41 , beispielsweise durch eine Eisbildung, verändern sich die aus dem Spektrum gemäß Fig. 3 ermittelten Eigenfrequenzzustände. Diese sind charakterisiert durch ihre Frequenz sowie eine zugeordnete maximale Amplitu de.

Dabei zeigt es sich, dass die Eigenfrequenzzustände sich auf unterschiedliche Art verändern, abhängig davon wie der Massenzuwachs des Rotorblatts örtlich verteilt ist.

Dieses ist in Fig. 4 beispielhaft anhand einer Modellrechnung dargestellt. Die Fig. 4 zeigt in einem Diagramm auf der vertikalen Achse die maximale Amplitu de von zwei Eigenfrequenzzuständen, nämlich dem zweiten Eigenfrequenzzu stand und dem dritten Eigenfrequenzzustand, während des Aufwachsens von Eis (oder allgemeiner einer Zusatzmasse), die auf der horizontalen Achse dar gestellt ist. Die Einheiten auf der horizontalen Achse sind dabei %-Angaben, die ein Anwachsen von 0-100% der Zusatzmasse angeben.

Die maximalen Amplituden der Eigenfrequenzzustände sind dahingehend nor malisiert, dass sie den Wert 1 aufweisen, wenn das Rotorblatt sich im ur sprünglichen Zustand befindet, also noch keine Zusatzmasse aufgewachsen ist (d.h. bei dem Wert 0% auf der horizontalen Achse).

In der Fig. 4 sind die Ergebnisse 8 zweier verschiedener Modellrechnungen dargestellt. Die erste Modellrechnung gibt die Entwicklung des zweiten und drit ten Eigenfrequenzzustandes wieder, wenn der Eisansatz gleichmäßig verteilt über die gesamte Blattlänge erfolgt. Die entsprechend berechneten Verhältnis se der Frequenz zum eisfreien Zustand sind im Diagramm durch Rauten 81 für den zweiten Eigenfrequenzzustand und Kreise 82 für den dritten Eigenfre quenzzustand wiedergegeben.

In einem zweiten Szenario wächst das Eis nicht gleichmäßig über die gesamte Blattlänge an, sondern ist in einem äußeren Bereich des Rotorblattes kon zentriert. Für dieses Szenario ist das Verhältniss der Frequenz zum eisfreien Zustand des zweiten Schwingungszustands durch Quadrate 83 und das Ver- hältnisse der Frequenz zum eisfreien Zustand des dritten Schwingungszustan des durch Dreiecke 84 im Diagramm wiedergegeben.

Die Fig. 4 zeigt, dass sich in beiden Fällen mit wachsender Zusatzmasse die Eigenfrequenzzustände zu kleineren Frequenzen verschieben. Die Verschie bung ist für ein konzentriertes Aufwachsen des Eises an der Blattspitze ausge prägter als für das gleichmäßige Aufwachsen.

Für das anmeldungsgemäße Verfahren ist besonders relevant, dass das Ver- hältnis der Frequenz zum eisfreien Zustand des zweiten und dritten Eigenfre quenzzustands sich in den beiden Szenarien unterschiedlich verhält. Bei gleichmäßigem Aufwachsen der Eisschicht verlaufen die Änderungen der ma ximalen Amplitude für den zweiten und den dritten Eigenfrequenzzustand im Wesentlichen gleichmäßig über den gesamten berechneten Bereich, wohinge- gen bei Lokalisierung der Zusatzmasse an der Blattspitze die Amplitude des zweiten Schwingungszustands deutlicher mit Zunahme der Zusatzmasse ab sinkt als die des dritten Eigenfrequenzzustandes.

Aus diesem unterschiedlichen Verhalten kann durch einen Vergleich der Ände- rungen der Eigenfrequenzzustände, entweder in Hinblick auf ihre Frequenz aber auch in Hinblick auf ihre Amplitude, mit den Modellrechnungen auf die Massenverteilung der Zusatzmasse am Rotorblatt geschlossen werden.

Bei einem anmeldungsgemäßen Verfahren können entsprechend die Änderun- gen der Eigenfrequenzzustände mit vorab vorgenommenen Modellrechnungen zur Massenverteilung oder auch mit in-situ vorgenommenen Modellrechnungen zur Massenverteilung vergleichen werden und eine Massenverteilung, die sich durch das Anwachsen der Zusatzmasse ergibt, abgeleitet werden. Ein Ausführungsbeispiel eines anmeldungsgemäßen Verfahrens wird nachfol gend mit Bezug auf Fig. 5 anhand eines Flussdiagramms näher erläutert. Das Verfahren kann beispielsweise im Zusammenhang mit der in Fig. 1 gezeigten Windenergieanlage 1 ausgeführt werden. Das Verfahren wird beispielhaft mit Bezug auf die Windenergieanlage 1 gemäß Fig. 1 erläutert.

In einem ersten Schritt S1 werden erste Eigenfrequenzzustände der Rotorblät ter 41 des Rotors 4 der Windenergieanlage 1 in einem eisfreien Zustand des Rotors 4 ermittelt. Eigenfrequenzzustände sind solche Schwingungszustände, in denen die Rotorblätter 41 nach einer Schwingungsanregung schwingen. Wie im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert ist, zeigen sich Eigenfrequenzzustände an Maxima eines Schwingungsspektrums. Die ersten Eigenfrequenzzustände können entsprechend in dem Schritt S1 ermittelt werden, indem ein Zeitverlauf von Schwingungen, z.B. durch einen oder mehrere Sensoren 61 gemessen und aufgezeichnet wird. Durch Transformation in den Frequenzbereich wird aus dem Zeitverlauf ein Schwingungsspektrum errechnet. Die Eigenfrequenz zustände ergeben sich dann aus der Position (und ggf. Flöhe) der Maxima im Spektrum.

Alternativ zu einer Messung an der Windenergieanlage 1 können die ersten Ei genfrequenzzustände auf vergleichbare Art anhand von Messungen bestimmt werden, die herstellerseitig bereits auf Prüfständen im Rahmen von Qualitäts kontrollen durchgeführt werden. Weiter ist es möglich, die ersten Eigenfre quenzzustände anhand von Modelldaten der Rotorblätter 41 zu berechnen.

Die Eigenfrequenzzustände der Rotorblätter 41 in dem eisfreien Zustand stel len Referenzmessungen bei einer ersten Masseverteilung der Rotorblätter 41 dar.

In einem zweiten Schritt S2 werden Schwingungen der Rotorblätter 41 bei einer zweiten, unbekannten und ggf. von der ersten abweichenden Masseverteilung gemessen und wie zuvor beschrieben daraus in einem Schritt S3 zweite Eigen frequenzzustände ermittelt.

In einem folgenden Schritt S4 werden die Unterschiede der Eigenfrequenzzu stände bestimmt, insbesondere werden eventuell erfolgte Frequenzverschie bungen der Eigenfrequenzzustände ermittelt. Aus diesen wird dann in einem Schritt S5 die zweite Masseverteilung abgeleitet. Aus dem Unterschied der zweiten zur ersten Masseverteilung kann die Menge und Position eines even tuellen Eisansatzes berechnet werden.

Die Schritte S2 bis S5 werden bevorzugt in gewissen Zeitabständen wiederholt, um eine (quasi-) kontinuierliche Überwachung der Rotorblätter 41 im Hinblick auf einen Eis- oder Dreckansatz zu gewährleisten.

Zur Ermittlung der zweiten Masseverteilung kann empirisch oder methodisch gewonnenes Wissen über den Effekt von Zusatzmassen auf die Eigenfre quenzzustände herangezogen werden, das beispielsweise aus Kurven, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, hervorgeht. Insbesondere kann dabei der Effekt von Zu- satzmassen auf ein Verhältnis von Frequenzen der Eigenfrequenzzustände verschiedener Eigenfrequenzen berücksichtigt werden.

Wenn zu dem Schwingungsverhalten der Rotorblätter 41 ein mathematisches Modell vorhanden ist, kann auch eine Modellrechnung eingesetzt werden, bei dem eine Verteilung von Zusatzmassen variiert wird und aus dem Modell abge leitete Eigenfrequenzzustände mit den gemessenen verglichen werden. Die Zusatzmassenverteilung wird solange variiert, bis ein „best-fit“ erreicht ist. Wird das Verfahren über einen längeren Zeitraum eingesetzt, innerhalb dessen sich eine Alterung der Rotorblätter 41 in den ersten Eigenfrequenzzuständen bemerkbar macht, ist es sinnvoll, den Schritt S1 zu wiederholen und so eine ak tuelle Referenz der Eigenfrequenzzustände in einem eisfreien Zustand zu er halten.

Bezugszeichen

1 Windenergieanlage

2 Turm

3 Gondel

4 Rotor

41 Blatt

42 Nabe

43 Spinner

5 Triebstrang

51 Rotorwelle

52 Getriebe

53 Getriebewelle

54 Kupplung

55 Generator

6 Überwachungsvorrichtung

61 Sensor

62 Sensorleitung

63 Auswerteeinheit

7 Schwingungszustand 71-74 Kurve

75 Spektral kurve

8 Ergebnis Modellrechnung

81 Raute (2. Eigenfrequenzzustand, gleichmäßiger Eisansatz)

82 Kreis (3. Eigenfrequenzzustand, gleichmäßiger Eisansatz)

83 Quadrat (2. Eigenfrequenzzustand, lokaler Eisansatz)

84 Dreieck (3. Eigenfrequenzzustand, lokaler Eisansatz)

S1-S5 Schritt

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen einer Änderung einer Masseverteilung eines Rotorblatts (41) einer Windkraftanlage (1) mit den folgenden Schritten:

- Ermitteln von ersten Eigenfrequenzzuständen des Rotorblatts (41) der Windenergieanlage (1) bei einer ersten Masseverteilung des Rotor blatts (41);

- Erfassen von Schwingungen des Rotorblatts (41) bei einer zweiten Masseverteilung, die sich ggf. von der ersten Masseverteilung unter scheidet;

- Ermitteln von zweiten Eigenfrequenzzuständen des Rotorblatts (41) aus den erfassten Schwingungen;

- Bestimmen von Änderungen zwischen den ersten und den zweiten Ei genfrequenzzuständen; und

- Ableiten einer Verteilung einer Zusatzmasse, die dem Unterschied der zweiten zur ersten Masseverteilung entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Schwingungen des Rotorblatts (41) bei der ersten Masseverteilung ermittelt werden und die ersten Eigenfre quenzzuständen des Rotorblatts (41) aus den erfassten Schwingungen ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schwingungen anhand von Messsignalen von Sensoren (63) erfasst werden, wobei aus den Messsignalen abgeleitete zeitabhängige Schwingungsauslenkung für ei nen bestimmten Zeitraum aufgezeichnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Amplitudenspektrum aus den in der Zeitdomäne aufgezeichneten Schwingungsauslenkungen durch Trans formation in den Frequenzbereich bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem Eigenfrequenzzustände anhand von Maxima des Amplitudenspektrums ermittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die ersten Eigenfrequenzzustände anhand von Modelldaten des Rotorblatts (41) berechnet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Eigenfrequenz zustände durch eine Frequenz und/oder eine Schwingungsamplitude ge kennzeichnet sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die zweite Masse verteilung anhand von bekannten Abhängigkeiten der Frequenzen der Ei genfrequenzzustände von Massenverteilungen bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die zweite Masseverteilung anhand von bekannten Abhängigkeiten des Verhältnisses der Frequenzen ver schiedener Eigenfrequenzzustände von Massenverteilungen bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die zweite Masse verteilung bestimmt wird, indem Eigenfrequenzzuständen angenommener Masseverteilungen anhand von mathematischen Modellen des Rotorblatts (41) bestimmt und mit den gemessenen zweiten Eigenfrequenzzuständen verglichen werden.

11 . Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die mathematischen Modelle die ersten Eigenfrequenzzustände berücksichtigen.

12. Vorrichtung zum Bestimmen einer Änderung einer Masseverteilung eines Rotorblatts (41 ) einer Windkraftanlage (1 ), aufweisend mindestens einen Sensor (61 ) zur Aufnahme einer Schwingung des Rotorblatts (41 ) und eine Auswerteeinheit (63), wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Ver fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.