WO2002053910A1 - Verfahren und einrichtung zur überwachung des zustandes von rotorblättern an windkraftanlagen - Google Patents

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WO2002053910A1
WO2002053910A1 PCT/DE2001/004936 DE0104936W WO02053910A1 WO 2002053910 A1 WO2002053910 A1 WO 2002053910A1 DE 0104936 W DE0104936 W DE 0104936W WO 02053910 A1 WO02053910 A1 WO 02053910A1
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rotor blades
evaluation unit
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Peter Volkmer
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IGUS Ingenieurgemeinschaft Umweltschutz Meß- und Verfahrenstechnik GmbH
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the state of rotor blades on wind power plants by means of reception, transmission and measurement value acquisition and processing of signals as well as signal transformation, evaluation including remote analysis and implementation of countermeasures, and an associated device,
  • a method for monitoring wind turbines is known from the publication DE 199 48 194 AI, in which, in addition to all other machine parts, the rotor blades, but as a unitary machine part, that is to say as a whole body, are to be monitored by remote analysis by means of recording airborne noise spectra.
  • the sound path is outside the machine or the machine parts.
  • a sound sensor is also attached to the outside of the tower to monitor the rotor blades, in order to detect a change in the aerodynamic body or ice build-up on the rotor blades in the early stages, if they emit noise caused by eddies or specific noise.
  • the acoustic signals to be processed are direct or indirect, e.g. from the whole body, in particular from the rotor blades with their surfaces in the wind, e.g. airborne noise spectra of vortex noise.
  • One problem is that the noise spectra have no or vanishing parts of the structure-borne natural frequency spectra, which are also covered by the noise. No evaluation of these special spectra is provided in the method either.
  • the sound and vibration spectra of machines and the machine parts movable therein, which are considered as respective whole bodies, are to be recorded both in their manufacturing process and in system operation are then evaluated in such a way that the countermeasures are taken when predetermined sound power density values are exceeded.
  • One problem is that the sound and vibration spectra on which the analysis is based are recorded with airborne microphones or vibration transducers attached to a noise protection hood arranged above the machine or system and not with structure-borne noise directly measured on the object under investigation, on the machine parts, or on the machine parts. Values are.
  • a method known from DE 195 34 404 AI for determining the technical condition of a wind power plant should bring about long-term optimized operation of the wind power plant.
  • a torsional vibration model of the entire rotating parts of the plant connected in a computer provides characteristic forms of torsional vibration of the wind power plant, which are compared with the measured torsional vibration and damping values of the wind power plant during operation, after which an influence on the operating mode of the wind power plant can be taken.
  • surveillance as a whole is at stake.
  • a method for measuring and monitoring vibrations and vibrations in grid-connected wind turbines is also known from WO 99/36695 AI, in which vibrations and vibrations of assemblies of the wind turbine, such as e.g. of the tower or the rotor blades are to be monitored with the aim of influencing the operation of the plant in order to reduce these natural vibrations and to avoid operational disturbances or destruction occurring in the process.
  • the electrical quantities available and already measured in a grid-connected wind power plant are used for the measurement value acquisition, during the analysis of which the oscillation frequencies to be monitored and the quantities proportional to the amplitude are determined.
  • the operation of the system is affected by the amplitude monitoring.
  • One problem is that no causal relationship between the determined special frequencies and amplitudes and the real natural frequencies can be brought about, since the method does not determine the primary mechanical vibrations, but only the transfer function of the power-current conversion resulting transformed vibrations and vibrations used.
  • a device for detecting loads on the rotor blades of a wind power plant is known from the publication DE 198 47 982 AI, in which at least one mechanical linear element is attached in the root area of the rotor blades, the load peaks due to total movements, vibrations or other bending of the rotor blade Whole at the attachment point of the linear element, preferably in the area of the rotor blade base, the relative position thereof with respect to the shaft or the position of two rotor blades relative to one another being determined by the linear element and a position sensor which detects its displacement.
  • strains in the area of the rotor plane, preferably in the area of the blade wing attachment, and certain mechanical forms of vibration of the rotor blade as a whole, for example vibrations, fluctuations, inclinations, but no structure-borne noise spectra are recorded.
  • the mechanical signals resulting from expansion, compression, twisting, vibration of the rotor blades and indicating the displacements serve as initial values for further processing.
  • the problem with the known device is that the loads on the rotor blade considered as a whole body are measured with a mechanical device - the linear element - in the area of the rotor blade base. Ultimately, this means that only the determination can be made that the rotor blade in the area of the rotor blade base has been exposed to a mechanical load.
  • the problem of the known methods and devices or devices for monitoring the condition of rotor blades by means of a sound pickup / sensor also consists in the fact that the sound pickups of the devices are located at a predetermined distance from the rotor blade and can therefore only pick up noises that are made by the rotor blades Whole source to be emitted. Since small and internal damage points do not yet cause any significant changes in the course of rotation or in the aerodynamics and thus also in the noise spectra, there is no reason to conclude that there is a point-specific damage point in the area of the rotor blade in terms of its origin and expansion. In most cases, cardinal damage has only occurred in order to identify the associated spectrum or range of damage in the evaluation unit.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for monitoring the state of rotor blades on wind turbines, which are designed in such a way that damage points occurring on the upper surface and within the body material of rotor blades, as soon as they arise during movement / rotation, which is subject to external influences, as well as through material changes and aging, are continuously recognized, evaluated and at least indicated by additional units and that they have a direct influence on system operation - bis towards shutdown - is taken. Local and internal damage to the rotor blades occurring during operation should be identified precisely and in a targeted manner.
  • the countermeasures to be determined with regard to the further operation of the plant and the repair of identified damaged areas are to be derived from the detection.
  • the method for monitoring the state of rotor blades on wind turbines has the following steps: receiving and measuring structure-borne noise signals in the rotor blade by means of at least one rotor blade-inherent sensor, at the output of which electrical signals proportional to the structure-borne noise signals are output , a transmission of the electrical signals to an evaluation unit, a transformation of the electrical signals in the form of spectra, a comparison by means of spectra analysis between the measured spectra and the spectra of spectra libraries, which are stored in mass data memories with respect to spectra that are defective or undamaged rotor blades are assigned in such a way that, after the remote analysis, damage states and damaged areas are displayed locally defined in the respective rotor blade, the steps being carried out before countermeasures are taken.
  • the method for monitoring using structure-borne noise signals can have manual and / or controlled excitation of the rotor blade resulting from operation by impressing acoustic excitation signals in the rotor blade by means of at least one actuator immanent to the rotor, to which electrical excitation signals are selectively fed.
  • the method can also be supported by receiving and measuring structure-borne noise signals, which can superimpose the rotor blade signals, in at least part of the wind turbine, in particular in the machine for generating electrical energy by means of at least one sensor attached to the machine the output of which is transmitted electrical signals proportional to the structure-borne sound signals and by eliminating the signals of the machine which disturb the rotor blade spectra from the signals of the rotor blades in the evaluation unit, which leads to cleaned spectra.
  • the method can have the following steps according to the invention:
  • the measurement signals of the rotor blades are analyzed in the evaluation unit by using the received structure-borne noise signals or from the structure-borne noise signals received by the sensors in correlation with the excitation signals fed in via the actuators, the relevant amplitudes of the time spectrum or a transformed one , preferably Fourier-transformed spectrum, which are significant for the condition assessment.
  • the measurement signals of the machine and / or other parts of the wind turbine are analyzed in the evaluation unit by filtering out the relevant frequencies and amplitudes of a transformed, preferably Fourier-transformed spectrum from the received structure-borne noise signals from part and / or machine-assigned sensors are significant for the component or machine structure-borne noise.
  • the device for monitoring the state of rotor blades on wind turbines contains at least one sensor that converts the received signals into electrical signals, an evaluation unit that receives and processes the electrical signals transmitted by the sensors and with at least one mass data storage device which there are spectra libraries and is provided with at least one comparison module for spectra analysis with regard to defective and undamaged rotor blade, a remote analysis device and a countermeasure triggering device, according to the invention at least one rotor blade-immanent sensor for receiving structure-borne sound signals and optionally at least one rotor blade-like actuator are assigned, as a result of which the propagation distance of acoustic signals and / or present in the respective rotor blade is different acoustic excitation signals emitted by the actuator are located in the rotor blade, the actuators and the sensors being connected to the evaluation unit in which the electrical excitation signals are generated and transmitted to the actuators, with the sensors and actuators on the one hand and the evaluation Unit, on the other hand, is a telemetric transmission
  • the sensors and actuators in the respective blade wing can optionally have permanently installed signal lines emanating from the rotor blade base and optionally operating power supply lines.
  • the evaluation unit can be assigned at least one sensor which is arranged in at least part of the wind turbine, preferably in the machine for generating electrical energy, and which receives received structure-borne noise signals converted into electrical signals to the evaluation unit for cleaning rotor blade Transmits spectra.
  • the measurement and excitation signals from and to the rotor blades and the measurement signals from the parts of the wind turbine can be via a signal / auxiliary power transmission unit according to the prior art, in the form of light, radio wave or transponder technology or electromagnetic transformation, especially for the rotor blades are guided from the shaft to the stator and vice versa, with a signal transmission transmission preprocessing unit (encoder and transmitter) and a signal transmission postprocessing unit (receiver and decoder) can be used.
  • a signal transmission transmission preprocessing unit encoder and transmitter
  • a signal transmission postprocessing unit receiveriver and decoder
  • the status information can be transmitted to the control computer of the wind power plant via an information interface, preferably a serial interface, in which the plant operation is influenced up to the point of rapid shutdown and the plant monitoring is informed about measures to react to damage states and information about the initiation of urgency-dependent measures.
  • an information interface preferably a serial interface
  • condition monitoring of the rotor blades can also be carried out during and after production as well as after transport to the location and after assembly to the wind power plant, automatic or manual methods for exciting the rotor blades being used.
  • the measurement cycle is triggered in a module for the measurement process control belonging to the evaluation unit and can begin with the output of an electrical excitation signal to the actuator via the excitation signal / auxiliary energy transmission unit, whereby a gate of the programmable measurement signal reception unit is opened for the specified measurement period and receive a measurement signal from the sensor and digitally store it as a time-related amplitude-frequency signal in the main memory of a central processing unit in a predetermined resolution, the measurement signal being a structure-borne noise signal.
  • the module for the measurement process control which is responsible for the formation of the excitation signals and reception signals, belongs to a comprehensive software program module for processing a monitoring algorithm, which is preferably located in the central processing unit.
  • the software program module for processing a monitoring algorithm preferably contains the following modules: a module for measuring process control, a module for measuring signal processing, a comparison module with a result-oriented division into a module for determining the normal state, a module for determining a faulty state, as well as a further operation decision module and a module for signaling for a change in operating mode, wherein the module can optionally be connected to the further operation decision module for determining a faulty state.
  • the measurement signal vectors of the rotor blades and the machine interference signal (time-amplitude signals) formed in the evaluation unit are used in a module for processing the measurement signal, e.g. by means of the subsequent fast Fourier transform, a frequency-amplitude spectrum is generated.
  • the interference signals are eliminated from the frequency spectra of the rotor blades.
  • the resulting spectra contain the measured natural frequencies typical of the rotor blade as a spectrum in a typical normalized frequency range or special typical transit time spectra.
  • a corresponding state is established by a pattern comparison with the standardized spectra from measurements and / or model calculations stored in the mass data memory in the comparison module determined, the weather data, for example wind speed, wind direction, air temperature, air humidity, from a meterology module and the plant operating data, for example speed and power, from a plant operating data module being taken into account as parameters.
  • a corresponding status signal is transmitted to a wind power plant control computer from the further operation decision module.
  • the continued operation of the wind turbine can be maintained.
  • Module is transmitted, which leads to an automatic or to a confirmation of a dispatcher to change the operating mode of the wind power plant according to a module for signaling for a change in operating mode.
  • the relevant information can be read out from the mass data memory as signals for localization and damage description as well as for the necessary maintenance and / or repair, and can also be transmitted to the host computer for further transmission.
  • the information on the location and the description of the damage as well as on the necessary maintenance and repair can be obtained from the information from the assignment table to the spectrum from the mass data memory.
  • tion module are read out and transmitted to the host computer in order to provide instructions for countermeasures there even after acoustic signaling in the form of a table and / or in the form of a graphic representation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a known wind power plant with three rotor blades in central symmetry
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a rotor blade
  • Actuators / sensors connected to electrical signal and auxiliary power lines
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the nacelle and the installed machine, on which sensors for detecting the structure-borne noise are attached,
  • FIG. 4 shows a block diagram for part of the device with an evaluation unit for controlling the measurement process, for evaluating, for monitoring the state of the rotor blades and for influencing the operating regime of the wind power plant and
  • 5a shows a schematic representation of a measured undisturbed amplitude-frequency spectrum
  • 5b shows a schematic representation of a measured amplitude-frequency spectrum with interference and 5c shows a schematic representation of a disturbed amplitude-frequency spectrum present in the spectra library.
  • FIG. 1 schematically shows the overall view of a wind turbine 40 with the three rotor blades 1, 2, 3, which are fastened to a rotatably mounted system, preferably to a horizontally mounted shaft or a rotor 6, which are located in the upper end of the mast 4 in a vertically rotatably mounted nacelle 5 is shown.
  • the rotor blade 1 shows the rotor blade 1 with respect to the three rotor blades 1, 2, 3 of the same type.
  • the rotor blade 1 consists of a blade wing 7 and an associated rotor blade base 8.
  • Two sound / pulse transmitters (actuators) 9 and 10 and two sound / vibration receivers (sensors) 11 and 12 are located at predetermined locations in the material of the blade vane 7 (rotor blade immanent).
  • Each of the actuators 9, 10 is connected to an associated actuator signal line 13, 14 and with auxiliary power lines (not shown) and each of the sensors is continuously connected to a measuring signal line 15, 16 and with auxiliary power lines (not shown) up to the rotor blade base 8.
  • acoustic signals i.e. Structure-borne noise signals used.
  • a damaged area 39 is present in the leaf wing 7.
  • the first sound / pulse transmitter 9 and the first sound / vibration receiver 11 can form a first actuator / sensor pair for a wing-longitudinal signal interaction, while the second switching 1 / pulse transmitter 10 and the second sound - / Vibration receiver 12 represent a second pair of actuators / sensors for a wing-cross signal interaction.
  • the signal interaction essentially represents that Transmission of acoustic excitation signals by the actuators 9, 10 and reception of the structure-borne noise signals propagated in the rotor blade 1 by the vibration receivers 11, 12, which are transmitted as electrical measurement signals. In the direction 51 (arrows) the excitation signals are transmitted to the actuators 9, 10 and in the direction 50 (arrows) the measurement signals are transmitted by the sensors 11, 12.
  • FIG. 3 shows the upper part of the wind power plant 40 in a schematic representation.
  • the machine 17 of the wind turbine 40 in which the rotor 6 is guided, on which the rotor blades 1, 2, 3 are fastened.
  • a first sensor 18 and optionally further sensors 19 for receiving structure-borne noise signals from the machine 17 can be located on the machine 17.
  • the device for monitoring the state of the rotor blades 1, 2, 3 essentially contains at least one sensor that converts the received signals into electrical signals, an evaluation unit that receives and processes the electrical signals from the sensors and processes them at least one mass data memory in which spectra libraries are located and which is provided with at least one comparison module for spectra analysis with regard to defective rotor blade and undamaged rotor blade, a remote analysis device and a countermeasure triggering device, according to the invention at least one rotor blade sensor 11 , 12 for receiving structure-borne sound signals and optionally at least one rotor blade immanent actuator 9, 10 are assigned, as a result of which there is a propagation distance of intrinsically acoustic signals present in the respective rotor blade 1, 2, 3 and / or acoustic excitation signals transmitted in a controlled manner by the actuator 9, 10 in the roto leaf 1,2,3, the actuators 9, 10 and the sensors 11, 12 are connected to the evaluation unit 23, in which the electrical excitation signals are generated and transmitted to the actuators 9, 10, with
  • the method according to the invention is implemented in the device according to the invention.
  • the evaluation unit 23 essentially consists of the central processing unit - CPU - 24, a memory 25, preferably a MOS memory, an operating unit 26, a removable disk (hard disk) 30, a floppy disk 31 and one CD-ROM drive 32, from a six-channel programmable sound / pulse transmission unit 33 and from a six-channel programmable rotor blade measurement signal reception unit 34, all of which are connected to one another via a bus 35 of the central processing unit 24.
  • the central computing unit 24 is preferably integrated in the nacelle 5 and represents an autonomous nacelle computer.
  • an AD conversion and an FF The amplitude-time signal is transformed into an amplitude-frequency signal in the regime of a predetermined sampling rate (spectra). This power can preferably be taken over by a card integrated in the central processing unit 24.
  • a unit 36 for taking over climate data, in particular wind strength and temperature, and an interface 37, with which a communication connection to the superordinate system control computer 38 of the wind turbine 40 is established, are also connected to the bus 35.
  • the results of the spectra evaluation are transferred from the central computing unit 24 of the gondola computer to the system master computer 38 for integration into the operating regime adopted by the system master computer 38.
  • the measured and interference-suppressed spectra are compared with the spectra of the rotor blades 1, 2, 3 stored in one of the mass data memories 30, 32 with regard to the correct and disturbed or changed states, and the appropriate state with the associated boundary conditions is determined ,
  • the programmable sound / pulse transmission unit 33 is connected to an excitation signal / auxiliary energy transmission unit 21 via the actuator signal output lines 13 ', 14'.
  • the actuator excitation signals to the actuators 9, 10 run in the direction 51 (arrow).
  • the programmable rotor blade measurement signal receiving unit 34 is connected to the measurement signal / auxiliary power transmission unit 22 via the sensor signal input lines 15 ', 16' (measurement signal lines).
  • the measurement signals starting from the sound / vibration receivers 11, 12, run in the direction 50 (arrow).
  • the interference signals from the measurement of sensors 18, 19 located in the machine 17 are provided as amplitude-time signals.
  • Digitized comparison spectra for the rotor blades 1, 2, 3 for various normal operating states as well as for malfunction and damage states, which are based on measurements on normal and., are also stored on a mass data memory such as the hard disk 30 or the CD-ROM 32 defective rotor blades and model calculations are preferably obtained using the .FEM method.
  • FIG. 5a shows a measured, undisturbed, preferably adjusted amplitude (a) frequency (f) spectrum 20, in FIG. 5b a measured, preferably adjusted amplitude (a) frequency (f) spectrum 28 with a Fault 391 and in FIG. 5c an amlituden (a) frequency (f) spectrum 29 assigned to the disturbed spectrum 28 from the spectra library with a predetermined fault 392, from which the cause of the fault is known: a tear as a damaged area 39 in the trailing edge of the blade tip of the blade wing 7 of the rotor blade 1, shown.
  • the method according to the invention is based on solid mechanical knowledge, according to which each spatially extended body has natural vibrations and associated harmonics, depending on its shape and the specific mechanical properties. For such a body, these natural vibrations result in a whole spectrum of frequencies that are typical for the entire body. Does the body change due to internal and / or external damage, such as solution and cracks, that's how the spectrum changes. Certain forms of vibration no longer occur or in a changed form.
  • the forms of vibration change when the material properties, e.g. the modulus of elasticity or density change as a result of extreme loads, aging or weathering. This leads to a shift in the typical frequencies.
  • the invention opens up the possibility of ensuring economical operation of a wind power plant combined with a long service life of the rotor blades. Severe accidents as a result of the total destruction of individual rotor blades, with the result of severe damage to the system itself and / or in the vicinity of wind turbines, are likewise avoided.
  • Control unit 27 Signal processing unit for machine signals

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Abstract

Die Aufgabe besteht darin, dass während des Betriebes auftretende örtliche innere und äussere Schadstellen an den Rotorblättern erkannt werden sollen. Die Lösung besteht darin, dass durch einen Empfang und durch eine Messung von Körperschall-Signalen im Rotorblatt (1, 2, 3) mittels mindestens eines rotorblattimmanenten Sensors (11, 12), an dessen Ausgang dem Körperschall-Signal proportionale elektrische Signale ausgegeben werden, durch eine Übertragung der elektrischen Signale zu einer Auswerte-Einheit (23), durch eine Transformation der elektrischen Signale in Form von Spektren und durch einen Vergleich mittels Spektren-Analyse zwischen den gemessenen Spektren (20, 28) und den Spektren von Spektrenbibliotheken (29), die in Massendatenspeichern (30, 32) abgelegt sind bezüglich von Spektren (29), die defekten oder unbeschädigten Rotorblättern (1; 2, 3) zugeordnet werden, nach der Fernanalyse Schadenszustände und Schadstellen (39; 391) im jeweiligen Rotorblatt (1) lokal definiert angezeigt werden, wobei die Schritte vor der Durchführung von Gegenmassnahmen absolviert werden.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen mittels eines Empfangs, einer Übertragung und einer Messwerterfassung und -Verarbeitung von Signalen sowie einer Signaltransformation, einer Auswertung einschließlich einer Fernanalyse und einer Durchführung von Gegenmaßnahmen sowie eine zugehörige Einrichtung, Es ist ein Verfahren zur Überwachung von Windenergieanlagen aus der Druckschrift DE 199 48 194 AI bekannt, bei dem neben allen anderen Maschinenteilen auch die Rotorblätter, aber als einheitliches Maschinenteil, also als Ganzkörper, durch Fernanalyse mittels der Aufnahme von luftgetragenen Geräuschspektren überwacht werden sollen.
Die Schallstrecke befindet sich außerhalb der Maschine bzw. der Maschinenteile. Auch zur Überwachung der Rotorblätter ist ein Schallaufnehmer außen am Turm befestigt, um eine Veränderung am aerodynamischen Körper oder einen Eisansatz an den Rotorblättern im Frühstadium zu erkennen, wenn davon Geräusche durch Wirbel oder spezifisches Rauschen ausgehen. Als zu verarbeitende akustische Signale dienen vom jeweiligen Ganzkörper, insbesondere von den Rotorblättern mit ihren Oberflächen im Wind erzeugte direkte oder indirekte, z.B. von Wirbelgeräuschen luftgetragene Geräuschspektren. Ein Problem besteht darin, dass die Geräuschspektren keine oder verschwindende Anteile der Körperschall-Eigenfrequenzspektren haben, die auch noch durch die Geräusche über- deckt werden. Es ist im Verfahren auch keine Auswertung dieser speziellen Spektren vorgesehen.
Des Weiteren sind in der Druckschrift DE 199 49 637 AI ein Verfahren und Vorrichtungen zur Geräuscherkennung und trennung sowie Lärmüberwachung und -prognose beschrieben, wobei über die Geräuscherkennung mittels akustischer Signale der Windkraftanlage, der Rotorblätter und anderer Maschinenteile die jeweiligen Ganzkörper nach ihrer Art klassifiziert werden und damit eine automatische Geräuscherkennung ermög- liehen sollen, bei der die jeweiligen akustischen Signale einer Geräuschquelle oder einem Quellentyp zugeordnet werden können. Die Schallempfänger befinden sich außerhalb der Maschine bzw. der Maschinenteile, wobei als akustische Signale vom Ganzkörper abgestrahlte luftgetragene Geräuschspek- tren dienen, die durch die ganzkörperunabhängigen Schallaufnehmer erfasst, gewandelt und weitervermittelt werden.
Ein Problem der beiden genannten Verfahren besteht darin, dass die Überwachungen jeweils davon ausgehen, dass die Rotorblätter als Ganzkörper zumindest veränderte luftgetragene Geräuschspektren abgeben, wenn aus irgendwelchen Gründen Defekte/Verschleiß/Ablagerungen oder dgl. an den Ganzkörpern auftreten. Ein Rotorblatt muss dabei zur Defekterkennung an sich als Ganzes einen und im Allgemeinen äußeren Defekt aufweisen, um als solches als defekt erkannt zu werden. Es kann aber nicht erkannt werden, zu welchem Zeitpunkt an welcher Stelle und dort in welchem Ausmaß eine interne Schadstelle vorliegt.
Die globalen luftschallgetragenen akustischen Messungen an den Ganz- bzw. Teilkörpern rufen auch globale Gegenmaßnahmen hervor, die meistens darin gipfeln, dass ganze Maschinenteile, also Ganzkörper, ausgewechselt und erneuert werden müs- sen. Die Auswechslung des betreffenden Maschinenteils stellt meistens einen großen Reparatur- und Kostenaufwand dar. Nach den bekannten Verfahren können im Ruhezustand keine Schadstellen ohne akustische Signale erkannt werden, da es dann grundsätzlich keine Geräuschsignale seitens der Rotor- blätter gibt.
Bei der aus der Druckschrift WO 81/03702 AI bekannten akustischen Überwachung von Maschinen und/oder Anlagen sollen die Schall- und Erschütterungsspektren von Maschinen und der darin bewegbaren Maschinenteile, die als jeweilige Ganzkörper betrachtet werden, sowohl bei deren Fertigungsprozess als auch im Anlagenbetrieb aufgenommen und dann derart ausgewertet werden, dass die Gegenmaßnahmen bei Überschreitung vorgegebener Schallleistungsdichtewerte erfolgen. Ein Problem besteht darin, dass die der Analyse zugrunde gelegten Schall- Und Erschütterungsspektren mit an einer über der Maschine oder Anlage angeordneten Schallschutzhaube befestigten Mikrofonen oder Schwingungsaufnehmern luftübertra- gen aufgenommen werden und nicht mit am Untersuchungsobjekt, an den Maschinenteilen, befestigten Aufnehmern direkt gemessene Körperschall-Werte sind.
Als akustische Signale dienen also ganzkörpererzeugte Luftschall-Geräuschspektren großer Komplexität, die durch von den Maschinenteilen beabstandete und ganzkörperunabhängige Schallaufnehmer erfasst, gewandelt und weitervermittelt werden. Es erfolgt auch nur .eine Bewertung hinsichtlich des integralen Masses - Leistungsdichte - und nicht eine Analyse hinsichtlich einzelner spezieller, den Maschinenteilen zuor- denbaren Eigenfrequenzen.
Weil die bis dahin für Windkraftanlagen bekannten Lösungen für die Betriebsführung nur die kurzfristige Reaktion auf Extremsituationen beeinhalten und keine Langzeitvorhersagen gestatten, soll ein aus der Druckschrift DE 195 34 404 AI bekanntes Verfahren zur Bestimmung des technischen Zustandes einer Windkraftanlage eine langfristige optimierte Betriebsführung der Windkraftanlage herbeiführen. In der Windkraftanlage liefert ein in einem Rechner arbeitendes Drehschwin- gungsmodell der gesamten miteinander verbundenen rotierenden Teile der Anlage charakteristische Drehschwingungsformen der Windkraftanlage, die mit den gemessenen Drehschwingungs- und -dämpfungswerten der Windkraftanlage im Betrieb verglichen werden, wonach ein Einfluss auf die Betriebsweise der Wind- kraftanlage genommen werden kann. Auch hier geht es um eine Überwachung als Ganzes .
Ein Problem besteht darin, dass Veränderungen an den Rotorblättern nur erfasst werden, wenn deren Trägheits- und Dämpfungsmomenteigenschaften als ein integrales Mass sich erheblich verändern. Eine Lokalisation ist nicht möglich und geringe Vorschädigungen können nicht erkannt werden.
Es ist ferner ein Verfahren zum Messen und Überwachen von Vibrationen und Schwingungen an netzgekoppelten Windkraftanlagen aus der Druckschrift WO 99/36695 AI bekannt, in der Vibrationen und Schwingungen von Baugruppen der Windkraftanlage, wie z.B. des Turmes oder der Rotorblätter mit dem Ziel überwacht werden sollen, auf den Anlagenbetrieb einzuwirken, um diese Eigenschwingungen zu vermindern und dabei auftretende Betriebsstörungen oder Zerstörungen zu vermeiden. Zur Messwerterfassung werden die in einer netzgekoppelten Windkraftanlage vorhandenen und schon gemessenen elektrischen Größen verwendet, bei deren Analyse die speziell zu überwachenden Schwingungsfrequenzen und amplitudenproportionale Größen ermittelt werden. Aus der Amplitudenüberwachung heraus erfolgt eine Einwirkung auf die Betriebsweise der Anlage. Ein Problem besteht darin, dass kein ursächlicher Zusam en- hang zwischen den ermittelten speziellen Frequenzen und Amplituden und den realen Eigenfrequenzen herbeigeführt werden kann, da das Verfahren nicht die primären mechanischen Schwingungen bestimmt, sondern nur die über die Übertragungsfunktion der Kraft-Strom-Umwandlung sich ergebenden transformierten Vibrationen und Schwingungen verwendet.
Weitere Probleme bestehen darin, dass die in den Baugruppen auftretenden mechanischen Vibrationen und Schwingungen nur indirekt gemessen und ausgewertet werden. Infolge der Messwertgewinnung kann außerhalb bestimmter Schwingungszustände der mechanische Zustand j-edes einzelnen Rotorblattes mittels einer kompletten Spektren-Analyse der strukturellen Eigenfrequenzen des Rotorblattes nicht bestimmt werden. Ebenso können aus dem Verfahren Reparaturmaßnahmen oder Änderungen der Anlagenfahrweise nur bei auftretenden Extremzuständen abgeleitet werden. Schließlich ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Belastungen der Rotorblätter einer Windkraftanlage aus der Druck- schrift DE 198 47 982 AI bekannt, in der im Wurzelbereich der Rotorblätter mindestens ein mechanisches Linearelement angebracht ist, das Belastungsspitzen aufgrund von Gesamtbewegungen, Schwingungen oder sonstigen Verbiegungen des Rotorblattes als Ganzes am Befestigungspunkt des Linearele- ents, vorzugsweise im Bereich des Rotorblattfußes erfasst, wobei dessen relative Lage in Bezug zur Welle oder die Lage zweier Rotorblätter zueinander durch das Linearelement und einen dessen Verlagerung erfassenden Positionssensor bestimmt wird. Insbesondere werden Dehnungen im Bereich der Rotordrehebene, vorzugsweise im Bereich des Blattflügelansatzes und bestimmte mechanische Schwingungsformen des Rotorblatts als Ganzes, z.B. Vibrationen, Schwankungen, Schieflagen, aber keine Körperschallspektren erfasst. Die durch Dehnung, Stauchung, Verdrehung, Schwingung der Rotorblätter entstehenden und die Verlagerungen anzeigenden mechanischen Signale dienen als Ausgangswerte zur Weiterverarbeitung. Das Problem der bekannten Vorrichtung besteht darin, dass die Belastungen des als Ganzkörper betrachteten Rotorblattes mit einer mechanischen Vorrichtung - dem Linearelement - im Bereich des Rotorblattfußes gemessen werden. Damit kann letztlich nur die Feststellung getroffen werden, dass das Rotorblatt im Bereich des Rotorblattfußes einer mechanischen Belastung ausgesetzt wurde. Es werden mit den rotorblattab- hängigen Sensoren nur bestimmte Überlast-Kraft-Zustände an den Rotorblättern selektiv erfasst und Einfluss auf den Anlagenbetrieb 'genommen. Über den inneren Zustand des Rotorblattes, über mechanische Schäden kann, aber keine Aussage getroffen werden. Es kann auch nicht der Bereich eines fehlerhaften Zustandes im gesamten Rotorblatt, insbesondere eine vorhandene Schadstelle eingegrenzt werden, um dort Reparatur-Maßnahmen im und/oder am Material oder im Bereich der Trage- oder Haltekonstrukti- on 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. Dass in den meisten der genannten bekannten Verfahren eine Schall- und/oder Spektren-Analyse und Vergleichseinrichtungen eingesetzt werden, ist methodisch grundsätzlich erforderlich. Die Unterschiede bestehen darin, welche der Schallsignale untersucht werden. Bisher wurden nur luftübertragene Geräusche untersucht und ausgewertet.
Das Problem der bekannten Verfahren und Vorrichtungen bzw. Einrichtungen zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern mittels eines Schallaufnehmers/Sensors besteht auch darin, dass die Schallaufnehmer der Vorrichtungen sich in einem vorgegebenen Abstand vom Rotorblatt befinden und deshalb nur Geräusche aufnehmen können, die von den Rotorblättern als Ganzquelle abgestrahlt werden. Da kleine und interne Schadstellen noch _ keine wesentlichen Änderungen im Rotationsverlauf sowie in der Aerodynamik und somit auch in den Geräuschspektren hervorrufen, ist auch auf keine punktuell lokalisierte Schadstelle im Bereich des Rotorblattes in ihrer Entstehung und Ausdehnung schließbar. Meistens uss erst ein kardinaler Schaden aufgetreten sein, um das zugehörige Schadensspektrum bzw. -band in der Auswerte-Einheit zu er- kennen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass auftretende Schadstellen an der Ober- fläche und innerhalb des Körpermaterials von Rotorblättern bereits im Moment ihrer Entstehung während des durch äußere Einflüsse belasteten Bewegens/Rotierens sowie durch Materialveränderungen und -alterungen kontinuierlich signaltech- nisch erkannt, bewertet und zumindest durch ergänzende Einheiten angezeigt werden und dass direkt Einfluss auf den Anlagenbetrieb - bis hin zu Abschaltung - genommen wird. Es sollen genau und zielgerichtet während des Betriebes auftretende örtliche innere und äußere Schadstellen an den Ro- torblättern erkannt werden.
Aus der Erkennung sollen die festzulegenden Gegenmaßnahmen hinsichtlich des weiteren Anlagenbetriebs und der Reparatur erkannter Schadstellen abgeleitet werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Das Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 weist folgende Schritte auf: einen Empfang und eine Messung von Körperschall-Signalen im Rotorblatt mittels mindestens eines rotorblattimmanenten Sensors, an dessen Ausgang den Körperschall-Signalen proportionale elektrische Signale ausgegeben werden, eine Übertragung der elektrischen Signale zu einer Auswerte- Einheit, eine Transformation der elektrischen Signale in Form von Spektren, einen Vergleich mittels Spektren-Analyse zwischen den gemessenen Spektren und den Spektren von Spektrenbibliotheken, die in Massendatenspeichern abgelegt sind bezüglich von Spektren, die defekten oder unbeschädigten Rotorblättern derart zugeordnet werden, dass nach der Fernanalyse Scha- denszustände und Schadstellen im jeweiligen Rotorblatt lokal definiert angezeigt werden, wobei die Schritte vor der Durchführung von Gegenmaßnahmen absolviert werden. Das Verfahren zur Überwachung unter Verwendung von Körperschall-Signalen kann eine aus dem Betrieb herrührende, manuelle und/oder gesteuerte Erregung des Rotorblatts durch eine Aufprägung von akustischen Erregersignalen im Rotorblatt mittels mindestens eines rotorblattimmanenten Aktors, dem gezielt elektrische Erregersignale zugeführt werden, aufweisen.
Ebenso kann das Verfahren unterstützt werden durch einen Empfang und eine Messung von Körperschall-Signalen, die die Rotorblatt-Signale überlagern können, in mindestens einem Teil der Windkraftanlage, insbesondere in der Maschine zur Erzeugung von Elektroenergie mittels mindestens eines an der Maschine angebrachten Sensors, an dessen Ausgang den Körperschall-Signalen proportionale elektrische Signale ausgegeben werden und durch eine Elimination der die Rotorblatt- Spektren störenden Signale der Maschine von den Signalen der Rotorblätter in der Auswerte-Einheit, was zu bereinigten Spektren führt.
Das Verfahren kann in einer umfassenden Durchführung unter Einbeziehung mindestens eines Teils der Windkraftanlage, insbesondere der Maschine zur Energieerzeugung folgende er- findungsgemäße Schritte aufweisen:
Eine aus dem Betrieb herrührende, manuelle und/oder gesteuerte Erregung des Rotorblatts durch eine Aufprägung von akustischen Erregersignalen im Rotorblatt mittels mindestens eines rotorblattimmanenten Aktors, dem gezielt elektrische Erregersignale zugeführt werden, eine Bestimmung von Eigenfrequenzen der Rotorblätter durch Messung von durch Anregung erzeugten Körperschall-Signalen mittels der rotorblattimmanenten Sensoren, eine Messung von die Rotorblatt-Spektren störenden Körper- schall-Signalen zumindest an der Maschine zur Energieerzeu- gung mittels mindestens eines an der Maschine befestigten
Sensors, eine Übertragung der elektrischen Signale zu einer Auswerte-
Einheit, eine Transformation der durch die Sensoren erfassten Signale in für die Auswertung geeignete Formen, vorzugsweise in Frequenzspektren, eine Elimination der Störfrequenzen der Maschine aus den gemessenen Frequenzspektren der Rotorblätter derart, dass be- reinigte Spektren erhalten werden, einen Vergleich der bereinigten Spektren mittels Spektren- Analyse des gemessenen Spektrums mit den Spektren von Spektrenbibliotheken, die in Massendatenspeichern abgelegt sind, die aus Messungen oder Modellrechnungen gewonnen wurden, die defekten oder unbeschädigten Rotorblättern derart zugeordnet werden, dass nach der Fernanalyse des Rotorblattzustandes Schadenszustände und Schadstellen im jeweiligen Rotorblatt lokal definiert angezeigt werden, eine Ableitung von kurzfristigen sowie mittel- und langfri- stigen Maßnahmen zum Betrieb der Windkraftanlage, die automatisch und/oder manuell ausgeführt werden, und eine Ableitung von kurzfristigen sowie mittel- und langfristigen Maßnahmen zur Reparatur und Wartung der Rotorblätter.
Die Messsignale der Rotorblätter werden in der Auswerte- Einheit analysiert, indem aus den empfangenen Körperschall- Signalen oder aus den in Korrelation mit den über die Akto- ren eingespeisten Erreger-Signalen empfangenen Körperschall- Signale seitens der Sensoren die relevanten Amplituden des Zeitspektrums oder eines transformierten, vorzugsweise fou- riertransformierten Spektrums herausgefiltert werden, die signifikant für die Zustandsbewertung sind. Die Messsignale der Maschine und/oder von anderen Teilen der Windkraftanlage werden in der Auswerte-Einheit analysiert, indem aus dem empfangenen Körperschall-Signalen seitens teile- und/oder maschinenzugeordneter Sensoren die relevanten Frequenzen und Amplituden eines transformierten, vorzugsweise fouriertransformierten Spektrums herausgefiltert werden, die signifikant für den Teile- bzw. den Maschinen- Körperschall sind.
Aus dem jeweiligen Vergleich zwischen den empfangenen Ist- Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist-Spektren- formen/-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.
Die Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen nach Anspruch 18 enthält mindestens einen Sensor, der die empfangenen Signale in elektrische Signale wandelt, eine Auswerte-Einheit, die die elektrischen Signale von den Sensoren übertragen erhält und verarbeitet und mit mindestens einem Massendatenspeicher, in dem sich Spektrenbibliotheken befinden, und mit mindestens einem Vergleichsmodul zur Spektren-Analyse bezüglich defektem und unbeschädigtem Rotorblatt • versehen ist, eine Fernanalyse- Einrichtung und eine Gegenmaßnahmen-Auslöse-Einrichtung, wobei ihr erfindungsgemäß mindestens ein rotorblattimmanen- ter Sensor zum Empfang von Körperschall-Signalen und wahlweise mindestens ein rotorblatti manenter Aktor zugeordnet sind, wodurch sich die Ausbreitungsstrecke von im jeweiligen Rotorblatt vorhandenen akustischen Eigensignalen und/oder vom Aktor gesteuert ausgestrahlten akustischen Erregersignalen im Rotorblatt befindet, wobei die Aktoren und die Sensoren mit der Auswerte-Einheit in Verbindung stehen, in der die elektrischen Erregersignale erzeugt und zu den Aktoren übertragen werden, wobei sich zwischen den Sensoren und Aktoren einerseits sowie der Auswerte-Einheit andererseits eine telemetrische Übertragungseinheit befindet, in der die Mess- und Erregersignal-Übertragung erfolgt, und wobei in der Auswerte-Einheit mindestens ein Modul zur Feststellung einer Zuordnung von bestimmten Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden zu den Zuständen von unbeschädigtem und von geschädigtem Rotorblatt derart vorhanden ist, dass Schadenszustände und Schadstellen im Rotorblatt lokal defi- niert anzeigbar sind.
Die Sensoren und Aktoren im jeweiligen Blattflügel können wahlweise vom Rotorblattfuß ausgehende festinstallierte Signalleitungen und wahlweise Betriebsenergieversorgungslei- tungen aufweisen.
Der Auswerte-Einheit können mindestens ein Sensor zugeordnet sein, der in mindestens einem Teil der Windkraftanlage, vorzugsweise in der Maschine zur Erzeugung von Elektroenergie immanent angeordnet ist und der in elektrische Signale umgewandelte empfangene Körperschall-Signale an die Auswerte- Einheit zur Bereinigung von Rotorblatt-Spektren überträgt.
Die Mess- und Erregersignale von und zu den Rotorblättern sowie die Messsignale von den Teilen der Windkraftanlage können über eine Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit nach dem Stand der Technik, in Form von Licht-, Funkwellenoder Transponder-Technik bzw. elektromagnetische Transformation, insbesondere für die Rotorblätter von der Welle zum Stator und umgekehrt, geführt werden, wobei eine Signalüber- tragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) sowie eine Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) verwendet werden können.
An den Leitrechner der Windkraftanlage können die Zustandsinformationen über eine Informationsschnittstelle, vorzugsweise ein serielles Interface, übermittelt werden, in dem automatisch der Anlagenbetrieb bis hin zur Schnellabschaltung beeinflusst wird und der Anlagenüberwachung Maßnahmen zur Reaktionsweise auf Schadenszustände und Informationen zur Einleitung von dringlichkeitsabhängigen Maßnahmen mitgeteilt werden.
Die Zustands-Überwachung der Rotorblätter kann auch während und nach der Produktion sowie nach dem Transport zum Standort und nach der Montage an die Windkraftanlage durchgeführt werden, wobei automatische oder manuelle Verfahren zur Erregung der Rotorblätter zur Anwendung kommen.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren im Bereich der Auswerte-Einheit erläutert:
Der Messzyklus wird in einem zur Auswerte-Einheit gehörenden Modul zur Messprozesssteuerung ausgelöst und kann mit der Ausgabe eines elektrischen Erregersignals an den Aktor über die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit beginnen, wobei gleichzeitig ein Tor der programmierbaren Mess- signalempfangseinheit für den vorgegebenen Messzeitraum geöffnet und ein Messsignal vom Sensor empfangen sowie als zeitbezogenes Amplituden-Frequenz-Signal digital im Haupt- Speicher einer zentralen Recheneinheit in einer vorgegebenen Auflösung abgelegt wird, wobei das Messsignal ein Körperschall-Signal ist.
Das Modul zur Messprozesssteuerung, das für die Bildung der Erregersignale und Empfangssignale zuständig ist, gehört zu einem umfassenden Softwareprogramm-Modul für die Abarbeitung eines Überwachungs-Algorithmus, das sich vorzugsweise in der zentralen Recheneinheit befindet.
Das Softwareprogramm-Modul zur Abarbeitung eines Überwachungs-Algorithmus enthält vorzugsweise folgende Module: - Ein Modul zur Messprozesssteuerung, ein Modul zur Messsignalaufbereitung, ein Vergleichsmodul mit einer ergebnisorientierten Zwei- teilung in ein Modul zur Feststellung des Normalzustandes, ein Modul zur Feststellung eines gestörten Zustandes, sowie ein Weiterbetriebsentscheidungs-Modul und - 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 wird aus den in der Auswerte- Einheit gebildeten Messsignal-Vektoren der Rotorblätter und des Maschinen-Stör-Signals (Zeit-Amplituden-Signale) in einem Modul zur Messsignalaufbereitung, z.B. mittels anschlie- ßender schneller Fouriertransformation, ein Frequenz- Amplituden-Spektrum erzeugt.
Aus den Frequenzspektren der Rotorblätter werden die Störsignale eliminiert. Die resultierenden Spektren enthalten die für das Rotorblatt typischen gemessenen Eigenfrequenzen als ein Spektrum in einem typischen normierten Frequenzbereich oder spezielle typische Laufzeitspektren. Durch einen Mustervergleich mit den auf Massendatenspeicher abgelegten normierten Spektren aus Messungen und/oder Modellrechnungen in dem Vergleichsmodul wird ein korrespondierender Zustand ermittelt , wobei die Wetterdaten, z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Metero- logie-Modul und die Anlagenbetriebsdaten, z.B. Drehzahl und Leistung, aus einem Anlagenbetriebsdaten-Modul als Parameter berücksichtigt werden.
Nach einem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines Normalzustands wird einem Windkraftanlagen-Leitrechner ein entsprechendes Statussignal, aus dem Weiterbetriebsentschei- dungs-Modul übermittelt. Der Weiterbetrieb der Windkraftanlage kann aufrecht erhalten bleiben.
Nach dem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines gestörten Zustands wird ein 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 Schadenszustandsbeschrei- bung 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 Massendatenspeicher 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 Massendatenspeicher die Informationen zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und Reparatur aus dem Informa- tions-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 für Gegenmaßnahmen zu geben.
Weiterbildungen und zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird anhand eines AusführungsbeiSpiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.l eine schematische Darstellung einer bekannten Windkraftanlage mit drei Rotorblättern in Zentralsymme- trie,
Fig.2 eine schematische Darstellung eines Rotorblattes mit
Aktoren/Sensoren, die an elektrische Signal- und Hilfsenergie-Leitungen angeschlossen sind,
Fig.3 eine schematische Darstellung der Gondel und der installierten Maschine, an der Sensoren für die Erfassung des Maschinen-Körperschalls angebracht sind,
Fig.4 eine Blockschaltbild für einen Teil der Einrichtung mit einer Auswerte-Einheit zur Steuerung des Messprozesses, zur Auswertung, zur Überwachung des Zustandes der Rotorblätter sowie zur Beeinflussung des Betriebsregimes der Windkraftanlage und
Fig.5a eine schematische Darstellung eines gemessenen ungestörten Amplituden-Frequenz-Spektrums,
Fig.5b eine schematische Darstellung eines gemessenen Amplituden-Frequenz-Spektrums mit Störung und Fig.5c eine schematische Darstellung eines in der Spektrenbibliothek vorhandenen gestörten Amplituden- Frequenz-Spektrums .
In Fig. 1 ist schematisch die Gesamtansicht einer Windkraftanlage 40 mit den drei Rotorblättern 1,2,3, die an einem drehbar gelagerten System, vorzugsweise an einer horizontal gelagerten Welle oder einem Rotor 6 befestigt sind, die sich im oberen Ende des Mastes 4 in einer vertikal drehbar ange- brachten 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 (rotorblattimmanent) befinden sich an vorgegebenen Stellen zwei Schall-/Impulssender (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 mit Hilfsenergie- leitungen (nicht eingezeichnet) und jeder der Sensoren ist mit einer Messsignalleitung 15,16 sowie mit Hilfsenergielei- tungen (nicht eingezeichnet) durchgehend bis zum Rotorblattfuß 8 verbunden. Als Übertragungsmedium innerhalb des Blatt- flügels 7 werden akustische Signale, d.h. Körperschall- Signale eingesetzt. Eine Schadstelle 39 ist im Blattflügel 7 vorhanden.
Wie in Fig. 2 gezeigt, können der erste Schall-/Impulssender 9 und der erste Schall-/Schwingungsempfänger 11 ein erstes Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Längssignal-Zusammenspiel bilden, während der zweite Schal1-/Impulssender 10 und der zweite Schall-/Schwingungsempfänger 12 ein zweites Aktor- /Sensorpaar für ein Flügel-Quersignal-Zusammenspiel darstel- len. Das Signal-Zusammenspiel stellt im Wesentlichen die Aussendung von akustischen Erregersignalen durch die Aktoren 9,10 und den Empfang der sich im Rotorblatt 1 ausgebreiteten Körperschall-Signale durch die Schwingungsempfänger 11,12 dar, die als elektrische Messsignale weitergeleitet werden. In Richtung 51 (Pfeile) werden die Erregersignale zu den Aktoren 9,10 und in Richtung 50 (Pfeile) werden die Messsignale von den Sensoren 11,12 übermittelt.
In Fig. 3 ist der obere Teil der Windkraftanlage 40 in sche- matischer Darstellung gezeigt. In der Gondel 5 auf dem Mast 4 befindet sich die Maschine 17 der Windkraftanlage 40, in der der Rotor 6 geführt ist, an dem die Rotorblätter 1,2,3 befestigt sind. An der Maschine 17 können sich ein erster Sensor 18 und wahlweise weitere Sensoren 19 zum Empfang von Körperschall-Signalen der Maschine 17 befinden.
Die Einrichtung zur Überwachung des Zustandes der Rotorblätter 1,2,3 enthält zusammenfassend im Wesentlichen mindestens einen Sensor, der die empfangenen Signale in elektrische Si- gnale wandelt, eine Auswerte-Einheit, die die elektrischen Signale von den Sensoren übertragen erhält und verarbeitet und mit mindestens einem Massendatenspeicher, in dem sich Spektrenbibliotheken befinden, und mit mindestens einem Vergleichsmodul zur Spektren-Analyse bezüglich defektem Rotorblatt und unbeschädigtem Rotorblatt versehen ist, eine Fernanalyse-Einrichtung und eine Gegenmaßnahmen-Auslöse-Einrichtung, wobei ihr erfindungsgemäß mindestens ein rotorblattimmanen- ter Sensor 11,12 zum Empfang von Körperschall-Signalen und wahlweise mindestens ein rotorblattimmanenter Aktor 9,10 zugeordnet sind, wodurch sich eine Ausbreitungsstrecke von im jeweiligen Rotorblatt 1,2,3 vorhandenen akustischen Eigensignalen und/oder vom Aktor 9,10 gesteuert ausgestrahlten aku- stischen Erregersignalen im Rotorblatt 1,2,3 befindet, wobei die Aktoren 9,10 und die Sensoren 11,12 mit der Auswerte-Einheit 23 in Verbindung stehen, in der die elektrischen Erregersignale erzeugt und zu den Aktoren 9,10 übertragen werden, wobei sich zwischen den Sensoren 11,12 und Aktoren 9,10 einerseits sowie der Auswerte-Einheit 23 andererseits eine te- lemetrische Übertragungseinheit (nicht eingezeichnet) befindet, in der die Mess- und Erregersignal-Übertragung erfolgt, und wobei in der Auswerte-Einheit 23 mindestens ein Modul zur Feststellung einer Zuordnung von bestimmten Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden zu den Zuständen von unbeschädigten Rotorblättern 2,3 und von geschädigtem Rotorblatt 1 derart vorhanden ist, dass Schadens- zustände und Schadstellen 39,391 im Rotorblatt 1 lokal definiert anzeigbar sind.
In der erfindungsgemäßen Einrichtung wird das erfindungsgemäße Verfahren realisiert.
In Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild für einen Teil der Einrichtung mit der Auswerte-Einheit 23 dargestellt. Die Auswerte-Einheit 23 besteht im wesentlichen aus der zen- tralen Recheneinheit - CPU - 24, aus einem Speicher 25, vorzugsweise einem MOS-Speicher, aus einer Bedieneinheit 26, aus einer Wechselplatte (Harddisk) 30, einer Floppy-Disk 31 und einem CD-ROM-Laufwerk 32, aus einer sechskanaligen programmierbaren Schall-/Impulssendeeinheit 33 sowie aus einer sechskanaligen programmierbaren Rotorblatt-Messignalemp- fangseinheit 34, die alle über einen Bus 35 der zentralen Recheneinheit 24 miteinander verbunden sind. Die zentrale Recheneinheit 24 ist vorzugsweise in die Gondel 5 integriert und stellt einen autonomen Gondelrechner dar. In der zentra- len Recheneinheit 24 kann eine A-D-Wandlung und eine FF- Transformation des Amplituden-Zeit-Signals in ein Amplituden-Frequenz-Signal im Regime einer vorgegebenen Abtastrate (Spektren) erfolgen. Diese Leistung kann vorzugsweise von einer in der zentralen Recheneinheit 24 integrierten Karte übernommen werden. Am Bus 35 ist noch eine Einheit 36 zur Übernahme von Klima-Daten, insbesondere von Windstärke und Temperatur sowie eine Schnittstelle 37, mit der eine Kommunikations-Verbindung zum übergeordneten Anlagen-Leitrechner 38 der Windkraftanlage 40 hergestellt wird, angeschlossen.
Aus der zentralen Recheneinheit 24 des Gondelrechners erfolgt zum Anlagen-Leitrechner 38 eine Übertragung der Ergebnisse der Spektrenauswertung zur Einbindung in das durch den Anlagen-Leitrechner 38 übernommene Betriebsregime. Bei der Signalverarbeitung werden nach bekanntem Spektrenvergleichsverfahren die gemessenen und entstörten Spektren mit in einem der Massendatenspeicher 30,32 abgelegten Spektren der Rotorblätter 1,2,3 bezüglich der ordnungsgemäßen und gestörten bzw. von veränderten Zuständen verglichen und der dazu passende Zustand mit den zugehörigen Randbedingungen ermittelt.
Die programmierbare Schall-/Impulssendeeinheit 33 ist über die Aktorsignalausgangs-Leitungen 13', 14' mit einer Erreger- signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 21 verbunden. Die Aktorerregersignale zu den Aktoren 9,10 verlaufen in Richtung 51 (Pfeil) . Die programmierbare Rotorblatt- Messsignalempfangseinheit 34 ist über die Sensorsignalein- gangs-Leitungen 15', 16' (Messsignalleitungen) mit der Mess- signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 22 verbunden. Die Messsignale, ausgehend von den Schall-/Schwingungsempfängern 11,12, verlaufen in Richtung 50 (Pfeil).
Mit einer Signalverarbeitungseinheit 27 für Maschinen- Signale werden die Störsignale aus der Messung von in der Maschine 17 befindlichen Sensoren 18,19 als Amplituden-Zeit- Signale bereitgestellt. Die Steuerung der über den Bus 35 verbundenen Einheiten 33,21 bzw. 34,22 sowie 27, den Datenaustausch zwischen ihnen und die Verarbeitung von Daten . übernimmt die zentrale Re- cheneinheit 24.
Auf einem Massendatenspeicher, wie es die Festplatte 30 oder die CD-ROM 32 sind, sind weiterhin digitalisierte Vergleichsspektren für die Rotorblätter 1,2,3 für verschiedene normale Betriebszustände sowie für Störungs- und Schadenszu- stände abgelegt, die aus .Messungen an normalen und defekten Rotorblättern sowie aus Modellrechnungen vorzugsweise mit der .FEM-Methode erhalten werden.
In den Fig. 5a, 5b, 5c sind drei Spektren 20,28,29 schematisch dargestellt, die die grundsätzliche Funktion des Bewertungsverfahrens in der Auswerte-Einheit 23 darstellen. In Fig. 5a ist ein gemessenes ungestörtes, vorzugsweise bereinigtes Amplituden (a) -Frequenz (f) -Spektrum 20, in Fig. 5b ist ein gemessenes, vorzugsweise bereinigtes Amplituden (a) -Fre- quenz (f) -Spektrum 28 mit einer Störung 391 und in Fig. 5c ein zum gestörten Spektrum 28 aus der Spektrenbibliothek zugeordnetes Amlituden (a) -Frequenz (f) -Spektrum 29 mit vorgegebener Störung 392, von dem man die Störungsursache kennt: Einen Riss als Schadstelle 39 in der Flügelhinterkante der Blattspitze des Blattflügels 7 des Rotorblattes 1, dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf festkörpermechanischen Erkenntnissen, nach denen jeder räumlich ausgedehnte Körper entsprechend seiner Ausformung und der spezifischen mechanischen Eigenschaften Eigenschwingungen und zugehörige 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, wie Schichtab- lösung und Risse, so verändert sich das Spektrum. Dabei treten gewisse Schwingungsformen nicht mehr oder in veränderter Form auf .
Genauso ändern sich die Schwingungsformen, wenn sich die Ma- terialeigenschaften, wie z.B. der Elastizitäts-Modul oder die Dichte, infolge von Extrembelastungen, Alterung oder Verwitterung ändern. Hierbei kommt es zu einer Verschiebung der typischen Frequenzen.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, ein wirtschaftliches Betreiben einer Windkraftanlage verbunden mit einer langen Lebensdauer der Rotorblätter zu gewährleisten. Ebenso werden schwere Havarien infolge einer Totalzerstörung von einzelnen Rotorblättern mit der Folge schwerer Beschädigungen an der Anlage selbst und/oder im Umfeld von Windkraftanlagen vermieden.
Bezugszeichenliste 1 erstes Rotorblatt
2 zweites Rotorblatt
3 drittes Rotorblatt
4 Mast
5 Gondel 6 Welle/Rotor
7 Blattflügel
8 Rotorblattfuß
9 erster Schall-/Impulssender (Aktor)
10 zweiter Aktor 11 erster Schall-/Schwingungsempfänger (Sensor)
12 zweiter Sensor
13 erste Aktorsignalleitung
13' erste Aktorsignalausgangs-Leitung
14 zweite Aktorsignalleitung 14' zweite Aktorsignalausgangs-Leitung 15 erste Sensorsignalleitung 5' erste Sensorsignaleingangs-Leitung
16 zweite Sensorsignalleitung
16' zweite Sensorsignaleingangs-Leitung 17 Maschine der Windkraftanlage
18 erster Sensor für Körperschallsignale der Maschine
19 zweiter Sensor für Körperschallsignale der Maschine
20 ungestörtes Amplituden-Frequenz-Spektrum
21 Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 22 Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit
23 Auswerte-Einheit (Gondelrechner)
24 Zentrale Recheneinheit
25 Speicher
26 Bedieneinheit 27 Signalverarbeitungseinheit für Maschinen-Signale
28 gemessenes gestörtes Amplituden-Frequenz-Spektrum
29 Amplituden- Frequenz -Spektrum der Spektrenbibliothek
30 Festplattenspeicher
31 Wechselplattenspeicher 32 CD-ROM-Laufwerk
32 Programmierbare Schall-/Impulssendeeinheit
34 Programmierbare Rotorblatt-Messignalempfangseinheit
35 Bus
36 Einheit zur Übernahme von Klima-Daten 37 Schnittstelle
38 Anlagen-Leitrechner
39 Schadstelle
391 Frequenzspektrum der Schadstelle 39
392 Frequenzspektrum der vorgegebenen Störung 40 Windkraftanlage
50 Messsignal-Eingangsrichtung
51 Aktorsignal-Ausgangsrichtung a Amplitude f Frequenz

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Rotorblät- tern an Windkraftanlagen mittels eines Empfangs, einer Übertragung und einer Messwerterfassung und Verarbeitung von Signalen sowie einer Signaltransforma- tion, einer Auswertung einschließlich einer Fernanalyse und einer Durchführung von Gegenmaßnahmen, gekennzeichnet durch einen Empfang und eine Messung von Körperschall- Signalen im Rotorblatt (1,2,3) mittels mindestens eines rotorblattimmanenten Sensors (11,12), an dessen Ausgang dem Körperschall-Signal proportionale elektrische Si- gnale ausgegeben werden, eine Übertragung der elektrischen Signale zu einer Auswerte-Einheit (23) , eine Transformation- der elektrischen Signale in Form von Spektren, einen Vergleich mittels Spektren-Analyse zwischen den gemessenen Spektren (20,28) und den Spektren von Spektrenbibliotheken (29) , die in Massendatenspeichern (30, 32) abgelegt sind bezüglich von Spektren (29), die defekten oder unbeschädigten Rotorblättern (1;2,3) derart zugeordnet werden, dass nach der Fernanalyse Schadens- zustände und Schadstellen (39; 391) im jeweiligen Rotorblatt (1) lokal definiert angezeigt werden, wobei die Schritte vor der Durchführung von Gegenmaßnahmen absolviert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus dem Betrieb herrührende, manuelle und/oder gesteuerte Erregung des Rotorblatts (1,2,3) durch eine Aufprägung von akustischen Erregersignalen im Rotorblatt (1,2,3) mittels mindestens eines rotorblattimmanenten Aktors (9,10), dem gezielt elektrische Erregersignale zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Empfang und eine Messung von Körperschall- Signalen in mindestens einem Teil der Windkraftanlage, insbesondere in der Maschine (17) zur Erzeugung von Elektroenergie mittels mindestens eines an der Maschine (17) angebrachten Sensors (18,19), an dessen Ausgang den Körperschall-Signalen proportionale elektrische Signale ausgegeben werden und eine Elimination der die Rotorblatt-Spektren störenden Signale der Teile und/oder der Maschine (17) von den Signalen der Rotorblätter (1,2,3) in der Auswerte- Einheit (23) zum Erhalt von bereinigten Rotorblatt- Spektren.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch. eine aus dem Betrieb herrührende, manuelle und/oder gesteuerte Erregung des Rotorblatts (1,2,3) durch eine Aufprägung von akustischen Erregersignalen im Rotor- blatt (1,2,3) mittels mindestens eines rotorblattimmanenten Aktors (9,10), dem gezielt elektrische Erregersignale zugeführt werden, eine Bestimmung von Eigenfrequenzen der Rotorblätter (1,2,3) durch Messung von durch Anregung erzeugten Kör- perschall-Signalen mittels der rotorblattimmanenten Sensoren (11,12), eine Messung von die Rotorblatt-Spektren störenden Körperschall-Signalen zumindest an der Maschine (17) zur Energieerzeugung mittels mindestens eines an der Maschine (17) befestigten Sensors (18), eine Übertragung der elektrischen Signale zu einer Auswerte-Einheit (23) , eine Transformation der durch die Sensoren (11,12; 18,19) erfassten Signale in für die Auswertung geeignete Spektren, vorzugsweise in Frequenzspektren, eine Elimination der Störfrequenzen der Maschine (17) aus den gemessenen Frequenzspektren der Rotorblätter (1,2,3) derart, dass bereinigte Spektren erhalten wer- den, einen Vergleich der bereinigten Spektren mittels Spektren-Analyse des gemessenen Spektrums (20,28) mit den Spektren von Spektrenbibliotheken (29) , die in Massendatenspeichern (30,32) abgelegt sind, die aus Messungen oder Modellrechnungen gewonnen wurden, die defekten oder unbeschädigten Rotorblättern (1;2,3) derart zugeordnet werden, dass nach der Fernanalyse des Rotor- blattzustandes Schadenszust nde und Schadstellen (39) im jeweiligen Rotorblatt (1) lokal definiert angezeigt werden, eine Ableitung von kurzfristigen sowie mittel- und langfristigen Maßnahmen zum Betrieb der Windkraftanlage (40), die automatisch und/oder manuell ausgeführt werden, und eine Ableitung von kurzfristigen sowie mittel- und langfristigen Maßnahmen zur Reparatur und Wartung der Rotorblätter (1,2,3)..
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale der Rotorblätter (1,2,3) in der Auswerte-Einheit (23) derart analysiert werden, indem aus den empfangenen Körperschall-Signalen oder aus den in Korrelation mit den über die Aktoren (9,10) einge- speisten akustischen Erreger-Signalen empfangenen Körperschall-Signale seitens der rotorblattimmanenten Sensoren (11,12) die relevanten Amplituden des Zeitspektrums oder eines transformierten, vorzugsweise fourier- transformierten Spektrums herausgefiltert werden, die signifikant für die Zustandsbewertung sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale der Maschine (17) und/oder von Tei- len der Windkraftanlage (40) in der Auswerte-Einheit (23) analysiert werden, indem aus den empfangenen Körperschall-Signalen seitens der teile- oder maschinenzugeordneten Sensoren (18,19) die relevanten Frequenzen und Amplituden eines transformierten, vorzugsweise fou- riertransformierten Spektrums herausgefiltert werden, die signifikant für den Teile- und Maschinen- Körperschall sind.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem jeweiligen Vergleich zwischen den empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden-Spektren (20,28) und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden und den in der Spek- trenbibliothek abgelegten Spektren (29) kurzfristige sowie mittel- und langfristige Maßnahmen zum Betrieb der Windkraftanlage (40) und zur Reparatur und Wartung der Rotorblätter (1,2,3) abgeleitet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Anlagen-Leitrechner (38) die Rotorblattzu- stands-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 Schadenszustände und Informationen zur Einleitung von dringlichkeitsabhängigen Maßnahmen mitgeteilt werden
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messzyklus von der Auswerte-Einheit (23) ) zur Messprozesssteuerung ausgelöst wird und der die Ausgabe eines Erregersignals von einer programmierbaren Schall- /Impulssendeeinheit (33) aus an den Aktor (9,10) über eine Errege signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit (21) einschließt, wobei gleichzeitig ein Tor einer pro- grammierbaren Signalempfangseinheit (34) für einen vorgegebenen Messzeitraum geöffnet und das aus der Schallübertragung im Rotorblatt (1,2,3) gewonnene Messsignal vom Sensor (11) empfangen sowie als zeitbezogenes Amplituden-Frequenz-Signal digital in einem Hauptspeicher (25) einer der Auswerte-Einheit (23) zugehörigen zentralen Recheneinheit (24) in einer vorgegebenen Auflösung abgelegt wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für das Rotorblatt (1,2,3) gemessene und durch Auswertung gewonnene Eigenfrequenzen-Spektrum einen typischen normierten , Frequenzbereich besitzt und dass durch einen in einer Recheneinheit (24) der Auswerte- Einheit (23) durchgeführten Mustervergleich mit den auf mindestens einem Massendatenspeicher (30,32) abgelegten normierten Eigenfrequenz-Spektren aus Messungen und/ oder Modellrechnungen ein korrespondierender Zustand ermittelt wird, wobei die Wetterdaten, z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Meterologie-Modul (36) und die Anlagenbetriebsdaten, z.B. Drehzahl und Leistung, die über das Interface (37) aus dem Anlagen-Leitrechner (38) bezogen werden, berücksichtigt werden.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Zuordnungstabelle zum Spektrum aus dem Massendatenspeicher (30,32) die Informationen als Signale zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Reparatur ausgelesen, an einer Bedieneinheit (26) angezeigt und ebenfalls an den Anla- gen-Leitrechner (38) zur Weitermeldung übermittelt werden, um dort auch nach akustischer Signalisation in Form einer Tabelle und/oder in Form einer grafischen Darstellung eine Handlungsanleitung zu geben.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall, dass für das gemessene Spektrum, das einer Störung zuzuordnen ist, kein passendes VergleiChs- spektrum vorliegt, an der Bedieneinheit (26) und dem Leitrechner (38) ein entsprechendes Statussignal über- sandt wird mit der Aufforderung an die Überwachung zur ferndiagnostischen Klärung, wobei das gemessene Spektrum auch über eine Datenfernübertragung vom Leitrech- ner (38) an den Service des Überwachungsanlagenherstel- lers - einer Fernüberwachungsstelle - übermittelt werden kann.
13. Verfahren 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 Auswertung und Transformation erhaltenen Signal- Spektren sowohl hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenzen und Amplituden als auch hinsichtlich von Gesamtheiten wie Frequenzbanden und Frequenz- Amplitudengruppen bewertet werden.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage von vor der Montage durch Mo- dellrechnungen und durch experimentellen Untersuchungen an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern bestimmten Frequenz- und Amplituden-Spektren bzw. Spek- trenformen/-Banden, die eindeutig bestimmten Rotor- blattzuständen - den schadfreien und den bestimmten Schäden zuzuordnenden Zuständen - zugeordnet werden können, mit den die empfangenen Ist-Frequenz- und Ist- Amplituden-Spektren sowie Ist-Spektrenformen/-Banden verglichen werden.
15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichungen vom Normalzustand des Rotorblattes (1,2,3) zumindest eine Anzeige erhalten wird, ob die Abweichung einem Schadenszustand zugeordnet werden kann, der Anlass gibt, Einfluss auf den Betrieb der Windkraftanlage (40) , bis hin zur Schnellabschaltung, zu nehmen.
16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht zuordenbaren Spektren wahlweise mit einer Fuzzy-Logik im Zusammenspiel mit den sonst einlau- fenden Erkenntnissen anderer Windkraftanlagen eine Anzeige zum Zustand erhalten und die Informationen an die betroffene Windkraftanlage (40) zurückgesendet werden.
17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustands-Überwachung der Rotorblätter (1,2,3) nach der Fertigung, . nach dem Transport vor Ort, nach der Montage an der Windkraftanlage (40) im Ruhezustand und im Anlagenbetrieb durchgeführt wird, wobei automatische oder manuelle. Erregerungsverfahren zur Anwendung kommen.
18. Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotor- blättern an Windkraftanlagen, enthaltend mindestens einen Sensor, der die empfangenen Signale in elektrische Signale wandelt, eine Auswerte-Einheit, die die elektrischen Signale von den Sensoren übertragen erhält und verarbeitet und mit mindestens einem Massendatenspeicher, in dem sich Spektrenbibliotheken befinden, und mit mindestens einem Vergleichsmodul zur Spektren-Analyse bezüglich defektem und unbeschädigtem Rotorblatt versehen ist, eine Fernanalyse-Einrichtung und eine Gegenmaßnahmen-Auslöse-Einrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass ihr mindestens ein rotorblattimmanenter Sensor (11,12) zum Empfang von Körperschall-Signalen und wahl- weise mindestens ein rotorblattimmanenter Aktor (9,10) zugeordnet sind, wodurch sich die Ausbreitungsstrecke von im jeweiligen Rotorblatt (1,2,3) vorhandenen akustischen Eigensignalen und/oder vom Aktor (9,10) gesteuert ausgestrahlten akustischen Erregersignalen im Rotorblatt (1,2,3) befindet, wobei die Aktoren (9,10) und die Sensoren (11,12) mit der Auswerte-Einheit (23) in Verbindung stehen, in der die elektrischen Erregersignale erzeugt und zu den Aktoren (9,10) übertragen werden, dass sich zwischen den Sensoren (11,12) und Aktoren (9,10) einerseits sowie der Auswerte-Einheit (23) andererseits eine telemetrische Übertragungseinheit befindet, in der die Mess- und Erregersignal-Übertragung erfolgt, und dass in der Auswerte-Einheit (23) mindestens ein Modul zur Feststellung einer Zuordnung von bestimmten Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden zu den Zuständen von unbeschädigtem und von geschädigtem Rotorblatt (2,3;1) derart vorhanden ist, dass Schadenszustände und Schadstellen (39) im Rotorblatt (1) lokal definiert anzeigbar sind.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (11,12) und Aktoren (9,10) wahlweise vom Rotorblattfuß (8) ausgehende festinstallierte Signalleitungen (13 bis 16) und wahlweise Betriebsenergieversorgungsleitungen aufweisen.
20. Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerte-Einheit (23) mindestens ein Sensor (18,19) zugeordnet ist, der in mindestens einem Teil der Windkraftanlage (40), vorzugsweise in der Maschine (17) zur Erzeugung von Elektroenergie immanent angeordnet ist und der in elektrische Signale umgewandelte empfangene Körperschall-Signale an die Auswerte-Einheit (23) zur Bereinigung von Rotorblatt-Spektren (20,28) überträgt .
21. Einrichtung nach Anspruch 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Auswerte-Einheit (23) ein dafür konfiguriertes und programmiertes Computersystem (24,25,26,27, 30,31,32,35,37) 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; 18, 19) auswertet und durch Vergleich zwischen den gemessenen Spek- tren und den Spektren aus Spektrenbibliotheken, die vorzugsweise auf Massendatenspeicher (30,32) abgelegt sind, zuzuordnende Rotorblatt-Zustände sowie zugehörige Statussignale, Schadensinformationen und Betreiberhinweise ableitet, wobei wahlweise 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, berücksichtig werden.
22. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte-Einheit (23) mit einem Anlagen- Leitrechner (38) verbunden ist, wobei die gebildeten Statussignale der Rotorblätter (1,2,3) und die zugehö- rigen 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 Rotor- blätter (1,2,3) angezeigt wird und, falls Schadenszu- stände 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 Handlungsan- Weisungen 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.
23. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Rotorblatt (1,2,3) ein erster Schall- /Impulssender (9) und ein erster Schall- /Schwingungsempfänger (11) ein erstes Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Längssignal-Zusammenspiel bilden und/ oder ein zweiter Aktor (10) und ein zweiter Sensor (12) ein zweites Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel- Quersignal-Zusammenspiel bilden.
24. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Massendatenspeicher (30,32) digitali- sierte 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 Luftgeschwindig- keit, -temperatur und -feuchte sowie Anlagenbetriebsdaten, wie Drehzahl und Leistung, Parameter sein können.
Hierzu vier Blatt Zeichnungen
PCT/DE2001/004936 2000-12-30 2001-12-31 Verfahren und einrichtung zur überwachung des zustandes von rotorblättern an windkraftanlagen WO2002053910A1 (de)

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