WO2008095707A2 - Vorrichtung zur erfassung von schwingungen oder durchbiegungen von rotorblättern einer windkraftanlage - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung von schwingungen oder durchbiegungen von rotorblättern einer windkraftanlage Download PDF

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WO2008095707A2
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Marinus Jacobus Van Der Hoek
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Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh
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    • G01H1/006—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines of the rotor of turbo machines
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting vibrations or deflections of rotor blades of a wind turbine according to the preamble of patent claim 1.
  • the rotor blades are among the most heavily loaded components. These usually consist of a glass fiber reinforced plastic (GRP) and are designed as a hollow wing, which is clamped on one side at its root area.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • Such rotor blades are about 30 to 80 m long and have a surface width of their aerodynamic shell of 2 to 3 m and are exposed in the operating state strong lateral wind loads. Due to the wind loads on the one hand clamped rotor blades caused strong bending moments within the aerodynamic shell which these rotor blades can bend preferably in the wind direction to about 20 cm or more.
  • such rotor blades are delivered by their rotation and centrifugal forces, sunlight, different temperature influences and ice accumulation, which they need to hold many years in continuous operation to allow economic operation of the wind turbine.
  • an accelerometer is mounted in the interior of the rotor blade in the first third of the root area on the inner shell, which is connected to a located in the rotor hub evaluation via a shielded
  • the structure-borne sound signals detected by the accelerometer are converted into their frequency spectrum and, by comparison with defined damage or reference spectra, possible rotor blade damage or overloads are determined therefrom. Since the actual transducer elements are mounted with their supply voltage and measurement lines within the rotor blade, this can lead to disturbances of the monitoring device or failure of the acceleration sensor at lightning overvoltages.
  • a wind turbine with a monitoring device for the rotor blades is known, which can determine damaging vibrations or strains in consequence to large or uneven forces.
  • a triaxial acceleration sensor is preferably mounted in each rotor blade on the inside of the rotor shell at a predetermined distance from the rotor base. This can be accelerations of the aerodynamic shell are displayed, resulting from leaf or edge vibrations.
  • the triaxial acceleration sensors are incorporated in a battery powered black box, which apparently transmits the vibration signals from the interior of the rotor blade via a radio link to the signal processing unit, which indicates possible overloads or damage by comparison with known signal patterns.
  • electrical Auf fiesysteme are exposed to lightning very strong overvoltages and shocks that difficult to prevent or can be filtered out and so easily cause interference with this monitoring device.
  • From DE 198 47 982 C2 is another device for detecting vibrations on the rotor blades of a
  • Wind turbine known.
  • a longitudinal bar is provided within the aerodynamic shell in the area near the rotor root.
  • This longitudinal bar is mounted in two spaced-apart holding blocks, which are attached directly to the inner rotor blade wall.
  • a distance sensor spaced apart by a defined air gap is arranged in front of the bar end.
  • this can be detected by the distance sensor as a result of a change in the defined air gap.
  • This device requires at least for the distance sensor, the laying of a fault-prone cable connection within the aerodynamic rotor shell.
  • the invention is therefore based on the object, a
  • the invention has the advantage that a deflectable linear thread of the deflection device, a larger rotor blade area can be monitored or tested from the rotor root to the rotor tip, although this no wired and fault-prone transducer elements must be secured within the aerodynamic rotor shell.
  • a deflection device with a linear thread has the advantage that it basically has only a small acceleratable mass, and therefore the measurement result of the detected rotor blade vibrations or deflections can not be adversely affected by the rotating and vibrated rotor blades due to an inherent acceleration.
  • the invention also has the advantage that the electrical or optical transducer elements are not arranged within the unshielded rotor blade, so that additional shielding or surge arrester can largely be dispensed with.
  • a particular embodiment of the invention with a linear yarn made of a high-strength fiber-reinforced plastic (GRP) has the advantage that this approximately the same temperature behavior Like the aerodynamic rotor blade shell, so that temperature compensation measures are not necessary because of different expansion.
  • GRP high-strength fiber-reinforced plastic
  • An additional special embodiment of the invention has a Wandle Researchit in which the deflection of the rotor blade is detected in two or all three spatial axes, which has the advantage that almost all possible operating conditions and damage to the rotor shell can be detected and evaluated.
  • Fig. 1 a schematic representation of a rotor blade with monitoring device arranged thereon
  • Fig. 2 is a schematic representation of one with a
  • a monitoring device which includes a deflection device 4 within the rotor blade 1 and a pickup unit 5 outside the aerodynamic shell of the rotor 1, wherein the deflection device 4 detects the lateral deflection of the rotor blade 1 and this on the pickup unit. 5 transmits, which converts them by means of a transducer element 7 in a rotor deflection proportional signal.
  • the rotor blade 1 shown schematically is part of a wind turbine, not shown, and forms with another offset by 180 ° wing the rotor, which is connected with its hub via a drive shaft with a generator.
  • the rotor blade 1 has, for example, a length of about 50 m and at its root a circular
  • the rotor blade 1 is hollow inside and has an aerodynamic rotor shell 2, which usually consists of a glass fiber reinforced plastic (GRP) and which is attached to a metal bearing ring 3.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • Such a bearing ring 3 is shown in detail in Fig. 2 of the drawing.
  • the bearing ring 3 is rotatably mounted in a bearing housing 8 within a nacelle, not shown, to align the rotor blade 1 in the desired angles of attack to the wind direction. Since such a rotor blade 1 is exposed in continuous operation different wind loads, wind turbulence and a Eisbesatz, arise at its aerodynamic shell 2 low-frequency vibrations and deflections in all three spatial axes, which can lead to material damage or material overloads or are caused by them. In particular, abrupt deflections in the edge direction X or in the direction of the blade Y can cause a breakage of the rotor shell 2 or an impermissible wind load as the cause.
  • the device according to the invention is used.
  • a monitoring device which detects only one bending direction and preferably the rotor blade oscillations or -blatt tailorbiegonne in the Y direction and that in the wind direction transverse to the flat shell surface.
  • a deflection device 4 is mounted within the aerodynamic rotor shell 2 on the reinforced synthetic material, which consists essentially of a linear high-strength thread 9 made of a fiber-reinforced plastic.
  • This linear yarn 9 preferably has a diameter of 0.5 to 1.5 mm and is firmly connected within the rotor shell 2 in the longitudinal direction of a fastening unit 10 with one of its two ends.
  • the fastening unit 10 is approximately 15 m away from the bearing ring 3 in the blade interior mounted on a wall of the flat rotor shell side preferably in the middle. As a result, the fastening unit 10 is deflected in accordance with the deflection of the rotor blade 1 mostly in the wind direction with the rotor blade 1. The distance is dependent on the flexibility of the rotor blade and in practice is usually between 2 m and 15 m.
  • the synthetic fiber thread 9 is still arranged on a tension spring 11 so that it always remains linearly aligned with a given clamping force.
  • the fixing unit 10 is formed so that the linear thread 9 is spaced from the inner wall of the rotor shell 2 and indeed so far that it can not touch the rotor shell 2 at maximum lateral deflection.
  • a tension roller 12 is provided, which is locked against the spring force of the fastening unit 10 via a toothed ratchet, so that the thread 9 is always stretched with a predetermined clamping force linearly between the pickup unit 10 and the attachment point 16 on the rotor inner wall.
  • the clamping force of the circular tension roller 12 can be specified as a fastening element by a specific torque, with which the sensitivity of the device is adjustable.
  • a Spannkrafteinstellvorraum is provided, in which via a geared motor, the clamping force can be set automatically with a predetermined value and readjusted at certain intervals.
  • the latter may preferably be surrounded by a protective tube (not shown) between the pick-up unit 5 and the fastening unit 10, which is hingedly connected to the fastening unit 10 and / or the pick-up unit 5.
  • a protective tube (not shown) between the pick-up unit 5 and the fastening unit 10, which is hingedly connected to the fastening unit 10 and / or the pick-up unit 5.
  • the monitoring device forms a structural unit, which is given a thread length.
  • the protective tube of the linear yarn 9 can be biased, wherein the assembly preferably has a length of 1 to 5 m.
  • For larger monitoring sections and longer units are executable that can be provided with telescopic tubes for transport reasons.
  • transducer element 7 is provided, which is connected to the linear yarn 9.
  • This transducer element 7 may represent a sensitive force transducer, which is non-positively or positively connected via a transverse web 13 with the linear thread 9 spaced from the tension roller 12.
  • the force transducer 7 with its force introduction side 14 with the transverse web 13 and with its force receiving side 15 connected to the housing of the pickup unit 5.
  • the longitudinal distance between the tension roller 12 and the transverse web 13 is selected so that the force causes a sufficient signal resolution in a side deflection of the linear yarn 9, with a distance of about 5 to 10 cm from the second clamping end is sufficient.
  • the pickup unit 10 must be aligned such that the linear thread 9 has a straight alignment from its clamping end the reference point 17 to the attachment point 16, so that no force is introduced into the force transducer 7 without a rotor blade deflection.
  • the circular tension roller 12 may also be arranged on an eccentric mounting plate or the tension roller 12 may be formed in eccentric shape to its axis of rotation.
  • the force transducer could be calibrated in which he gives no or no defined output signal without deflection of the rotor blade 1.
  • a motor-driven adjustment of the eccentric mounting plate or the eccentric tension roller 12 such a calibration could also be carried out automatically and can be repeated at regular intervals as a new calibration. This would lead to a considerable simplification in the installation and calibration of the monitoring device.
  • transducer elements 7 and force transducer with optical strain gauges according to DE 10 2005 030 751 Al are used, which are much less sensitive to electromagnetic interference or against surges.
  • the deflection of the linear yarn 9 can also be detected directly by means of distance sensors, preferably by optical or inductive distance sensors.
  • the pickup unit 5 is preferably made of a shielded metal housing, which is attached as shown in Fig. 2 of the drawing on the inner wall of the bearing ring 3 outside the rotor shell 2 as a reference point 17.
  • the reference point 17 can, however, also be arranged elsewhere outside the aerodynamic rotor shell 2 of the rotor blade 1, but it must be ensured that the deflection of the linear thread 9 does not change even with a change in the angle of attack, such as e.g. on the axis of rotation.
  • the force transducer 7 is at a lateral
  • the pick-up unit 5 is still electrically connected to an evaluation device 6, in which the Auftechniksignale can be evaluated, displayed or signaled in any other way.
  • the evaluation device 6 is given corresponding reference or limit values, which are e.g. a maximum allowable lateral
  • Vibration or deflection values are compared, for example, can occur in a known rotor damage and require immediate repair or shutdown. Furthermore, such a device can also be used for test purposes, in which the bending strength of the rotor blade 1 or its fatigue phenomena are determined. In a specific embodiment of the device has also proved to be advantageous to provide a separate monitoring device in each of the two rotor blades 1, whereby damage can be derived by comparing the individual measured values of each blade 1 with the same rotor position. For this purpose, the acquired measured values can be stored in a program-controlled electronic
  • Evaluation or computing device 6 are detected and stored to compare these measurements with the other rotor readings in the same rotor position.
  • two deflecting devices 4 would have to be provided at least on the opposite flat rotor inner surface, whose deflections could be detected both in a common pickup unit 5 or two separate pickup units 5 arranged opposite one another.
  • a different deflection in sheet direction Y would mean a torsion of the rotor blade 1 about one of its longitudinal axes. Therefore, then with an appropriate
  • Fig. 2 of the drawing is in particular a
  • the pickup unit 5 preferably two or three force transducers 7 are provided, which detect the thread tension not only in a deflection in the wing or wind direction (Y), but also in the direction of the edges (X) and / or in wing longitudinal direction (Z).
  • the force transducers 7 are preferably arranged in two or all three spatial axes (X, Y, Z direction) offset by 90 ° and connected to the linear thread 9 in such a way that they detect their tension force components separately.
  • edge deflection X
  • Y Y
  • Z Deflections in the edge direction X, which require defrosting and can be displayed separately as edge vibrations or edge deflections ⁇ X, also occur with strong ice lapping on the rotor blades 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen oder Durchbiegungen eines Rotorblattes (1) einer Windkraftanlage, mit einer Auslenkvorrichtung (4) die ein Linearelement (9) enthält. Das Linearelement (9) ist dabei parallel zur Innenwandung der aerodynamischen Rotorschale (2) in Flügellängsrichtung (Z) angeordnet und an einem von dem Wurzelbereich beabstandeten Befestigungspunkt (16) an der Innenwandung der Rotorschale (2) angebracht. Auf der gegenüberliegenden Seite ist das Linearelement (9) mit einer Aufnehmereinheit (5) verbunden, die die seitliche Auslenkung des Linearelementes (9) erfasst und mindestens bei der überschreitung einer vorgegebenen Durchbiegung der Rotorschale (2) dies signalisiert oder weiter auswertet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Linearelement (9) als ein zwischen der Aufnehmereinheit (5) und dem Befestigungspunkt (16) eingespannter Linearfaden (9) ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Aufnehmereinheit (5) auβerhalb der aerodynamischen Rotorschale (2) an einem nicht biegebehafteten Bezugspunkt (17) befestigt ist.

Description

Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen oder Durchbiegungen von Rotorblättern einer Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen oder Durchbiegungen von Rotorblättern einer Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Windkraftanlagen gehören insbesondere die Rotorblätter zu den am höchsten belasteten Bauteilen. Diese bestehen meist aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) und sind als hohler Flügel ausgebildet, der an seinem Wurzelbereich einseitig eingespannt ist. Derartige Rotorblätter sind etwa 30 bis 80 m lang und besitzen eine Oberflächenbreite ihrer aerodynamischen Schale von 2 bis 3 m und sind im Betriebszustand starken seitlichen Windbelastungen ausgesetzt. Durch die einseitig eingespannten Rotorblätter entstehen durch die Windbelastungen starke Biegemomente innerhalb der aerodynamischen Schale die diese Rotorblätter vorzugsweise in Windrichtung bis etwa 20 cm oder mehr durchbiegen können. Darüber hinaus sind derartige Rotorblätter durch ihre Drehung auch Fliehkräften, Sonnenbestrahlung, unterschiedlichen Temperatureinflüssen sowie Eisansatz ausgeliefert, den sie im Dauerbetrieb viele Jahre Stand halten müssen, um einen wirtschaftlichen Betrieb der Windkraftanlage zu ermöglichen.
Aus diesem Grund ist eine frühzeitige Erkennung von Schäden oder Überlastungen sowohl in der aerodynamischen Schale des Rotorblattes als auch an den tragenden Bauteilen innerhalb der Rotornabe oder dessen Antriebswelle notwendig. Denn eine Reihe von Schäden, insbesondere Risse oder Brüche in der Schale,
Sichtablösungen, Gurt- und Stegablösungen sowie Abplatzungen könnten durch eine Überwachung der Rotorblätter frühzeitig festegestellt und behoben werden, um Totalschäden an der gesamten Anlage zu vermeiden. Für derartige Rotorblätter sind deshalb zahlreiche Maßnahmen und Einrichtungen zur Überwachung und Prüfung der betriebs- und sicherheitsrelevanten Bereiche bekannt, die meist auf der Erfassung relevanter physikalischer Größen der betreffenden Bauteilbereiche beruhen.
So ist aus der DE 10 2005 017 054 Al ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen bekannt. Dazu ist im inneren des Rotorblattes im ersten Drittel nach dem Wurzelbereich an der Innenschale ein Beschleunigungsaufnehmer befestigt, der mit einer in der Rotornabe befindlichen Auswerteinheit über ein geschirmtes
Kabel verbunden ist. In der Auswerteeinheit werden die von dem Beschleunigungsaufnehmer erfassten Körperschallsignale in ihr Frequenzspektrum umgewandelt und durch Vergleich mit definierten Schadens- oder Referenzspektren daraus mögliche Rotorblattschäden oder Überlastungen ermittelt. Da die eigentlichen Wandlerelemente mit ihren Speisespannungs- und Messleitungen innerhalb des Rotorblattes angebracht sind, kann dies bei blitzschlagbedingten Überspannungen zu Störungen der Überwachungsvorrichtung oder zum Ausfall des Beschleunigungssensors führen.
Aus der DE 197 39 162 Al ist eine Verstelleinrichtung für Rotorblätter einer Windkraftanlage bekannt, bei der der Blattanstellwinkel entsprechend der Windbelastung eingestellt wird. Dieser Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei starken Windbelastungen die Rotoren stark auf Biegung beanspruchst werden. Dabei kommt es aufgrund des Anstiegs der Windbelastung mit der Höhe des Rotorkreises zu einer aerodynamischen Schubkraft eines in der oberen Hälfte befindlichen Rotorblattes die erheblich höher ist als in der bodennahen unteren Rotorkreishälfte. Dies führt bei jeder Umdrehung zu einem zyklischen Verlauf der Biegemomente in den einzelnen Rotorblättern, die zu einer Erhöhung der Materialermüdung und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer beitragen. Deshalb sind nahe dem Wurzelbereich der Rotorblätter Dehnungsmessstreifen auf der Innenwand der aerodynamischen Schale angebracht, die den
Biegedehnungsverlauf bei jeder Rotorumdrehung erfassen und in einer in der Gondel angebrachten Regelvorrichtung durch eine Kabelverbindung zuführen. Zur Vermeidung von derartigen Biegebelastungsschwankungen der Rotorblätter wird der Anstellwinkel deshalb während jeder Umdrehung auf Grund der ermittelten Biegebelastung nachgeregelt, so dass es zu einer Vergleichmäßigung der zyklischen Biegebelastung kommt, wodurch die Lebensdauer der Rotorblätter verlängert werden soll . Bei dieser Windenergieanlage ist allerdings nicht vorgesehen, mit den die Biegebelastung erfassbaren Dehnungsmessstreifen maximal zulässige Windbelastungen oder Rotorschäden zu ermitteln.
Aus der EP 1 075 600 Bl ist eine Windturbine mit einer Überwachungsvorrichtung für die Rotorblätter bekannt, die schädigende Vibrationen oder Dehnungen in Folge zu großer oder ungleichmäßiger Kräfte feststellen kann. Dazu ist vorzugsweise in jedem Rotorblatt ein triaxialer Beschleunigungsaufnehmer an der Innenseite der Rotorschale in einem vorgegebene Abstand vom Rotorfuß angebracht. Damit können Beschleunigungen der aerodynamischen Schale angezeigt werden, die von Blatt- oder Kantenvibrationen herrühren. Mit einer Signalauswerteeinheit können aus den Sensorsignalen auch die Eigenfrequenzen der Rotorblätter abgeschätzt werden. Die Triaxialbeschleunigungssensoren sind in einer batteriegespeisten Blackbox eingebaut, die die Vibrationssignale offensichtlich durch eine Funkverbindung aus dem Inneren des Rotorflügels an die Signalverarbeitungseinheit überträgt, die durch einen Vergleich mit bekannten Signalmustern mögliche Überlastungen oder Schänden anzeigt. Die im Rotorblatt angeordneten elektrischen Aufnehmersysteme sind aber bei Blitzeinwirkungen sehr starken Überspannungen und Erschütterungen ausgesetzt, die nur schwer verhindert oder ausgefiltert werden können und so leicht zu Störungen an dieser Überwachungsvorrichtung führen können.
Aus der DE 198 47 982 C2 ist eine weitere Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen an den Rotorblättern einer
Windkraftanlage bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist innerhalb der aerodynamischen Schale im Bereich nahe der Rotorwurzel ein Längsstab vorgesehen. Dieser Längsstab ist in zwei beabstandeten Halteblöcken gelagert, die direkt an der inneren Rotorblattwand befestigt sind. An einem der Halteblöcke ist vor dem Stabende ein durch einen definierten Luftspalt beabstandeter Abstandsensor angeordnet. Bei einer seitlichen Durchbiegung der Rotorblätter in Folge starker Windbelastung verlagert sich deshalb auch der starre Längsstab innerhalb seiner Halteblöcke, so dass dies durch den Abstandsensor in Folge einer Änderung des definierten Luftspaltes erfassbar ist. Durch Vorgabe entsprechender Verlagerungsgrenzen kann dies als Überlastung oder als Rotorschaden angezeigt werden, wobei damit bei Extrembelastungen auch Abschaltungen veranlasst werden können. Diese Vorrichtung erfordert zumindest auch für den Abstandsensor die Verlegung einer störanfälligen KabelVerbindung innerhalb der aerodynamischen Rotorschale.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine
Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen oder Durchbiegungen der Rotorblätter einer Windkraftanlage zu schaffen, die möglichst störunempfindlich ist und die Rotorschwingungen und -durchbiegungen innerhalb eines größeren Rotorblattbereichs möglichst genau erfasst .
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Weiterbildung und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch den auslenkbaren Linearfaden der Auslenkvorrichtung ein größerer Rotorblattbereich von der Rotorwurzel bis in die Rotorspitze überwacht oder geprüft werden kann, obwohl dazu keine verdrahteten und störanfälligen Wandlerelemente innerhalb der aerodynamischen Rotorschale befestigt werden müssen. Eine derartige Auslenkvorrichtung mit einem Linearfaden hat gleichzeitig den Vorteil, dass dieser im Grunde nur eine geringe beschleunigbare Masse aufweist, und deshalb durch die rotierenden und mit Erschütterungen behafteten Rotorblätter nicht auf Grund einer Eigenbeschleunigung das Messergebnis der erfassten Rotorblattschwingungen oder Durchbiegungen beeinträchtigt werden kann.
Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass die elektrischen oder optischen Wandlerelemente nicht innerhalb des ungeschirmten Rotorblattes angeordnet sind, so dass zusätzliche Abschirmungen oder Überspannungsabieiter weitgehend entfallen können.
Durch den ausserhalb der aerodynamischen Innenschale angeordneten Bezugspunkt wird vorteilhafterweise erreicht, dass dieser von den Schwingungen und Ausbiegungen des Rotorflügels unbeeinflusst bleibt und somit nicht von gegenläufigen Schwingungen oder Durchbiegungen in seiner Lage zum Messort veränderbar ist. Dabei ist insbesondere von Vorteil, dass durch die mechanische Erfassung der Rotorauslenkung keine Störsignale in die Wandlerelemente gelangen können, die durch eine aufwendige Filterung von den Nutzsignalen getrennt werden müssten.
Eine besondere Ausbildung der Erfindung mit einem Linearfaden aus einem hochfesten faserverstärktem Kunststoff (GFK) hat den Vorteil, dass dieser etwa das gleiche Temperaturverhalten aufweist wie die aerodynamische Rotorblattschale, so dass Temperaturkompensationsmaßnahmen wegen unterschiedlicher Ausdehnung nicht nötig sind.
Bei einer weiteren besonderen Ausbildung der Erfindung mit einer am Lagerring des Rotorflügels angeordneten Wandlereinheit hat den Vorteil, dass sich dadurch die Lage der Auslenkvorrichtung zur Wandlereinheit auch bei einer Verstellung des Anstellwinkels nicht ändern kann, so dass damit automatisch stets die gleiche Richtung der Auslenkung des Rotorflügels erfasst wird.
Eine zusätzliche besondere Ausbildung der Erfindung weist eine Wandlereiheit auf, in der die Auslenkung des Rotorblattes in zwei oder allen drei Raumachsen erfasst wird, was den Vorteil hat, dass damit nahezu alle möglichen Betriebszustände und Schäden an der Rotorschale erfasst und ausgewertet werden können. Insbesondere sind damit sowohl unzulässige Windbelastungen, überhöhte Rotordrehzahlen, unzulässige Unwuchten, Eisbesatz sowie abrupte Abbremsungen oder Beschädigungen an den Naben oder im Generatorenbereich ermittelbar.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, dass in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Rotorflügels mit daran angeordneter Überwachungsvorrichtung, und
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines mit einer
Rotorwurzel verbundenen Lagerrings und einer daran angeordneten Aufnehmereinheit einer Überwachungsvorrichtung . In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Überwachungsvorrichtung schematisch dargestellt, die eine Auslenkvorrichtung 4 innerhalb des Rotorflügels 1 und eine Aufnehmereinheit 5 außerhalb der aerodynamischen Schale des Rotors 1 enthält, wobei die Auslenkvorrichtung 4 die seitliche Durchbiegung des Rotorflügels 1 erfasst und diese auf die Aufnehmereinheit 5 überträgt, die diese mittels eines Wandlerelements 7 in eine der Rotordurchbiegung proportionales Signal umwandelt.
Der schematisch dargestellte Rotorflügel 1 ist Teil einer nicht dargestellten Windkraftanlage und bildet mit einem weiteren um 180° versetzten Flügel den Rotor, der mit seiner Nabe über eine Antriebswelle mit einem Generator verbunden ist. Der Rotorflügel 1 besitzt beispielsweise eine Länge von ca. 50 m und an seiner Wurzel einen kreisförmigen
Innendurchmessern von ca. 2 m. Der Rotorflügel 1 ist innen hohl und verfügt über eine aerodynamische Rotorschale 2, die in der Regel aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) besteht und die an einem metallenen Lagerring 3 befestigt ist.
Ein derartiger Lagerring 3 ist in Fig. 2 der Zeichnung näher dargestellt. Der Lagerring 3 ist in einem Lagergehäuse 8 innerhalb einer nicht dargestellten Gondel drehbar gelagert, um den Rotorflügel 1 in den gewünschten Anstellwinkeln zur Windrichtung auszurichten. Da ein derartiger Rotorflügel 1 im Dauerbetrieb unterschiedlichen Windbelastungen, Windturbulenzen und auch einem Eisbesatz ausgesetzt ist, entstehen an seiner aerodynamischen Schale 2 niederfrequente Schwingungen und Durchbiegungen in allen drei Raumachsen, die zu Materialschäden oder Materialüberlastungen führen können oder durch diese bedingt sind. Dabei können insbesondere abrupte Durchbiegungen in Kantenrichtung X oder in Blattrichtung Y einen Bruch der Rotorschale 2 oder eine unzulässige Windbelastung als Ursache haben. Bei längerer Betriebsdauer kann aber auch durch eine verhältnismäßig geringe zyklische Wechselbelastung eine Materialermüdung auftreten, die sich langfristig in einer Veränderung der Rotorblattdurchbiegung oder des Schwingungsverhaltens äußert. Um diese schädigenden Belastungen oder bereits eingetretene Schäden erfassen zu können, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt.
In Fig. 1 der Zeichnung ist eine derartige Überwachungsvorrichtung schematisch dargestellt, die nur eine Biegerichtung und zwar vorzugsweise die Rotorblattschwingungen bzw. -blattdurchbiegungen in Y-Richtung und zwar in Windrichtung quer zur flachen Schalenoberfläche erfasst . Dazu ist innerhalb der aerodynamischen Rotorschale 2 auf dem verstärkten Kunstfaserwerkstoff eine Auslenkvorrichtung 4 angebracht, die im wesentlichen aus einem linearen hochfesten Faden 9 aus einem faserverstärktem Kunststoff besteht. Dieser Linearfaden 9 besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von 0,5 bis 1,5 mm und ist innerhalb der Rotorschale 2 in dessen Längsrichtung an einer Befestigungseinheit 10 mit einem seiner beiden Enden fest verbunden. Die Befestigungseinheit 10 ist etwa 15 m vom Lagerring 3 entfernt im Blattinneren an einer Wandung der flachen Rotorschalenseite vorzugsweise in deren Mitte angebracht. Dadurch wird die Befestigungseinheit 10 entsprechend der Ausbiegung des Rotorflügels 1 meist in Windrichtung mit dem Rotorflügel 1 ausgelenkt. Dabei ist der Abstand abhängig von der Flexibilität des Rotorblattes und beträgt in der Praxis meist zwischen 2 m und 15 m. Vorzugsweise ist dabei der Kunstfaserfaden 9 noch an einer Zugfeder 11 angeordnet, damit dieser stets mit einer einmal vorgegebenen Spannkraft linear ausgerichtet bleibt. Dazu ist die Befestigungseinheit 10 so ausgebildet, dass der Linearfaden 9 von der Innenwandung der Rotorschale 2 beabstandet ist und zwar auch so weit, dass er bei maximaler seitlicher Auslenkung die Rotorschale 2 nicht berühren kann. Mit seinem gegenüberliegenden zweiten Ende ist der Kunstfaserfaden 9 in der Aufnehmereinheit 5 befestigt. In dieser ist eine Spannrolle 12 vorgesehen, die gegen die Federkraft der Befestigungseinheit 10 über eine Zahnratsche arretierbar ist, so dass der Faden 9 mit einer vorgegebenen Spannkraft stets linear zwischen der Aufnehmereinheit 10 und dem Befestigungspunkt 16 an der Rotorinnenwand gespannt ist. Dabei kann die Spannkraft der kreisrunden Spannrolle 12 als Befestigungselement durch ein bestimmtes Drehmoment vorgegeben werden, mit dem die Empfindlichkeit der Vorrichtung einstellbar ist. Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist dafür eine Spannkrafteinstellvorrichtung vorgesehen, bei der über ein Getriebemotor die Spannkraft automatisch mit einem vorgegebenen Wert eingestellt und in gewissen Zeitabständen nachgeregelt werden kann.
Zum Schutz des Linearfadens 9 kann dieser bei einer weiteren besonderen Ausführungsart zwischen der Aufnehmereinheit 5 und der Befestigungseinheit 10 vorzugsweise von einem nicht dargestellten Schutzrohr umgeben sein, das gelenkig mit der Befestigungseinheit 10 und/oder der Aufnehmereinheit 5 verbunden ist . Dadurch bildet die Überwachungsvorrichtung eine Baueinheit, der eine Fadenlänge vorgegeben ist. Durch das Schutzrohr kann der Linearfaden 9 vorgespannt werden, wobei die Baueinheit vorzugsweise eine Länge von 1 bis 5 m aufweist . Bei größeren Überwachungsabschnitten sind auch längere Baueinheiten ausführbar, die aus Transportgründen auch mit Telekopschutzrohren versehen werden können.
In der Aufnehmereinheit 5 ist noch ein Wandlerelement 7 vorgesehen, das mit dem Linearfaden 9 verbunden ist. Dieses Wandlerelement 7 kann einen empfindlichen Kraftaufnehmer darstellen, der über einen Quersteg 13 mit den von der Spannrolle 12 beabstandeten Linearfaden 9 kraft- oder formschlüssig verbunden ist. Dabei ist der Kraftaufnehmer 7 mit seiner Krafteinleitungsseite 14 mit dem Quersteg 13 und mit seiner Kraftaufnahmeseite 15 mit dem Gehäuse der Aufnehmereinheit 5 verbunden. Der Längsabstand zwischen der Spannrolle 12 und dem Quersteg 13 wird dabei so gewählt, dass die Kraft bei einer Seitenauslenkung des Linearfadens 9 eine hinreichende Signalauflösung bewirkt, wobei bereits ein Abstand von ca. 5 bis 10 cm vom zweiten Einspannende ausreichend ist. Dabei muss die Aufnehmereinheit 10 zumindest bei der Erstmontage so ausgerichtet werden, dass der Linearfaden 9 von seinem Einspannende den Bezugspunkt 17 bis zum Befestigungspunkt 16 eine gerade Ausrichtung besitzt, so dass ohne eine Rotorblattauslenkung keine Kraft in den Kraftaufnehmer 7 eingeleitet wird. Zu einer derartigen Kalibrierung des Kraftaufnehmers kann die kreisrunde Spannrolle 12 auch auf eine exzentrischen Montageplatte angeordnet oder die Spannrolle 12 in exzentrischer Form zu ihrer Drehachse ausgebildet sein. Durch eine entsprechende Drehung der exzentrischen Montageplatte oder der exzentrischen Spannrolle könnte dann der Kraftaufnehmer kalibriert werden, in dem er ohne Auslenkung des Rotorblattes 1 kein oder ein definiertes Ausgangssignal abgibt. Durch eine motorisch angetriebene Verstellung der exzentrischen Montageplatte oder der exzentrischen Spannrolle 12 könnte eine derartige Kalibrierung auch automatisch erfolgen und ist in regelmäßigen Abständen als erneute Kalibrierung wiederholbar. Dies würde zu einer erheblichen Vereinfachung bei der Montage und Kalibrierung der Überwachungsvorrichtung führen.
Bei entsprechender Empfindlichkeit ist auch denkbar, den Kraftaufnehmer 7 direkt und gelenkig zwischen dem zweiten
Einspannende als Bezugspunkt 17 des Linearfadens 9 und seiner Krafteinleitungsseite 14 vorzusehen. Als Wandlerelemente 7 sind auch Kraftaufnehmer mit optischen Dehnungsmessstreifen nach der DE 10 2005 030 751 Al einsetzbar, die wesentlich unempfindlicher gegen eine elektromagnetische Beeinflussung oder gegen Überspannungen sind. Bei einer weiteren denkbaren Ausführungsart kann die Auslenkung des Linearfadens 9 auch direkt mit Hilfe von Abstandssensoren vorzugsweise von optischen oder induktiven Abstandssensoren erfasst werden.
Die Aufnehmereinheit 5 besteht vorzugsweise aus einem abgeschirmten Metallgehäuse, das wie in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt an der Innenwandung des Lagerrings 3 außerhalb der Rotorschale 2 als Bezugspunkt 17 befestigt ist. Der Bezugspunkt 17 kann aber auch an anderer Stelle außerhalb der aerodynamischen Rotorschale 2 des Rotorflügels 1 angeordnet werden, wobei aber sichergestellt sein muss, dass sich die Auslenkung des Linearfadens 9 auch bei einer Änderung des Anstellwinkels nicht verändert, wie z.B. auf deren Drehachse. Durch den Kraftaufnehmer 7 wird bei einer seitlichen
Auslenkung des Rotorflügels 2 in Flügelrichtung Y über den Quersteg 13 die eingeleitete Kraft in ein elektrisches Signal umgewandelt, das der Auslenkung bzw. Durchbiegung oder der niederfrequenten Schwingung des Rotorflügels 1 proportional ist. Deshalb ist die Aufnehmereinheit 5 noch mit einer Auswertevorrichtung 6 elektrisch verbunden, in der die Aufnehmersignale ausgewertet, angezeigt oder auf andere Art signalisiert werden können. Dazu werden der Auswertevorrichtung 6 entsprechende Referenz- oder Grenzwerte vorgegeben, die z.B. eine maximal zulässige seitliche
Durchbiegung Y angeben, bei dessen erreichen ein Überlastfall angezeigt und/oder die Rotorblätter 1 in ihrem Anstellwinkel verändert und/oder die Windkraftanlage insgesamt stillgesetzt werden soll . In der Auswertevorrichtung 6 können auch starke zeitliche Veränderungswerte vorgegeben und mit erfassten
Schwingungs- oder Durchbiegungswerten verglichen werden, die z.B. bei einem bekannten Rotorschaden auftreten können und eine sofortige Reparatur oder Abschaltung bedürfen. Des weiteren kann eine derartige Vorrichtung auch zu Prüfzwecken eingesetzt werden, bei der die Biegefestigkeit des Rotorblattes 1 oder dessen Materialermüdungserscheinungen ermittelt werden. Bei einer speziellen Ausbildungsart der Vorrichtung hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, in jeden der zwei Rotorblätter 1 eine separate Überwachungsvorrichtung vorzusehen, wodurch sich Schäden durch den Vergleich der einzelnen Messwerte jedes Rotorflügels 1 bei gleicher Rotorstellung ableiten lassen. Dazu können die erfassten Messwerte in einer programmgesteuerten elektronischen
Auswerte- oder Rechenvorrichtung 6 erfasst und gespeichert werden, um diese Messwerte mit den anderen Rotormesswerten in der gleichen Rotorstellung zu vergleichen.
Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung könnten in dem Rotorblatt 1 gegenüberliegend auch zwei separate Überwachungsvorrichtungen angeordnet sein. Dazu müsste zumindest auf den gegenüberliegenden flachen Rotorinnenfläche zwei Auslenkvorrichtungen 4 vorgesehen werden, deren Auslenkungen sowohl in einer gemeinsamen Aufnehmereinheit 5 oder zwei gegenüberliegend angeordneten getrennten Aufnehmereinheiten 5 erfasst werden könnten. Eine unterschiedliche Auslenkung in Blattrichtung Y würde dabei eine Torsion des Rotorblattes 1 um eine seiner Längsachsen bedeuten. Deshalb könnte dann bei einer entsprechenden
Auslenkung des Rotorblattes 1 auch das Drehmoment um eine Längsachse des Rotorblattes und damit die Torsion des Rotorblattes 1 überwacht werden.
In Fig. 2 der Zeichnung ist insbesondere eine
Überwachungsvorrichtung für ein Rotorblatt 1 schematisch dargestellt, mit der die Vibrationen und/oder Durchbiegungen des Rotorblattes 1 in mindestens zwei oder allen drei Raumachsen X, Y, Z erfassbar ist. Dazu sind in der Aufnehmereinheit 5 vorzugsweise zwei oder drei Kraftaufnehmer 7 vorgesehen, die die Fadenspannung nicht nur bei einer Durchbiegung in Flügel- oder Windrichtung (Y) , sondern auch in Richtung der Kanten (X) und/oder in Flügellängsrichtung (Z) erfassen. Die Kraftaufnehmer 7 sind dazu vorzugsweise in zwei oder alle drei um 90° versetzten Raumachsen (X- , Y- , Z-Richtung) angeordnet und so mit dem Linearfaden 9 verbunden, dass sie deren Spannungskraftkomponenten getrennt erfassen.
Dabei kann aus der zusätzlichen Kantendurchbiegung (X) auf Kurzschlüsse im Generator oder auf plötzliche Wellenschäden der Antriebswelle geschlossen werden. Deshalb werden in der speziellen Auswertevorrichtung 6 zunächst alle Richtungskomponenten gesondert erfasst und in separaten Auswerteschaltungen 18 für jede der zwei oder drei Raumrichtungen X, Y, Z ausgewertet und angezeigt oder in einer nachfolgenden Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitet. Auch bei starkem Eisbesatz an den Rotorblättern 2 entstehen Durchbiegungen in Kantenrichtung X, die eine Enteisung verlangen und als Kantenschwingungen oder Kantendurchbiegungen ΔX separat angezeigt werden können.
Aus der Erfassung der Fadenspannung in Rotorlängsrichtung Z, kann insbesondere auf erhöhte Fliehkräfte bei Überschreitung einer vorgegebenen maximalen Drehzahl geschlossen werden, so dass dieses durch Vergleich mit einer Referenzfadenspannung bei einer bestimmten Drehzahlvorgabe in einer dafür vorgesehenen separaten Auswerteschaltung 18 ermittelt und als Drehzahlüberschreitung anzeigbar ist. Somit sind mit der Erfassung der zwei oder drei Biegerichtungen X, Y, Z nahezu alle möglichen Rotorschäden und/oder Betriebszustände erfassbar und durch entsprechende Vorgaben und Rechenprogramme ermiccelbar .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen oder Durchbiegungen eines Rotorblattes (1) einer Windkraftanlage mit einer Auslenkvorrichtung (4), die mindestens ein Linearelement (9) enthält, das in etwa parallel zur Innenwandung der aerodynamischen Rotorschale (2) verläuft und an einem von dem Wurzelbereich beabstandeten Befestigungspunkt (16) an der Innenwandung der Rotorschale (2) angebracht ist, wobei das Linearelement (9) mit einer Aufnehmereinheit (5) verbunden ist, die die seitliche Auslenkung des Linearelements (9) erfasst und mindestens bei einer Überschreitung einer vorgegebenen Durchbiegung der Rotorschale (2) dies signalisiert, dadurch gekennzeichnet , dass das Linearelement (9) als zwischen der Aufnehmereinheit (5) und dem Befestigungspunkt (16) eingespannter Linearfaden (9) ausgebildet ist und dass die Aufnehmereinheit (5) außerhalb der aerodynamischen Rotorschale (2) an einem nicht biegebehafteten Bezugspunkt (17) befestigt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der aerodynamischen Rotorschale (2) zwei Auslenkvorrichtungen (4) vorgesehen sind, die in etwa gegenüberliegend jeweils an einer der beiden flachen Seite der Rotorschale (2) angeordnet sind und zur Ermittlung eines Torsionsmoments um eine Längsachse des Rotorblattes (1) dienen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Linearfaden (9) aus einem hochfesten faserverstärktem Kunststoff besteht, dessen Durchmesser mindestens 0,5 bis höchstens 5 mm aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung des Linearfadens (9) am Befestigungspunkt (16) eine Befestigungseinheit (10) vorgesehen ist, die ein Federelement (11) enthält, das zwischen den Endpunkt des Linearfadens (9) und dem Befestigungspunkt (16) an der Rotorschale (2) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Befestigungseinheit (10) und der
Aufnehmereinheit (5) der Linearfaden (9) von einem Schutzrohr umgeben ist, das mindestens mit der Befestigungseinheit (10) und/oder der Aufnehmereinheit (5) gelenkig verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnehmereinheit (5) an einem Teil der Lagereinheit (3) im Wurzelbereich des Rotorflügels (2) oder im Nabenbereich angebracht ist, der einen Bezugspunkt (17) bildet.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnehmereinheit (5) Wandlerelemente (7) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, dass sie mindestens eine Auslenkungskomponente (X, Y, Z) des Linearfadens (9) erfassen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearfaden (9) in der Aufnehmereinheit (5) an einem spannbaren Befestigungselement (12) angebracht ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (12) auf einer exzentrischen Montageplatte angeordnet ist oder als exzentrische Spannrolle (12) ausgebildet ist und zur Kalibrierung des Kraftaufnehmers (7) oder zur Linearisierung des Linearfadens (9) dient.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement als kreisrunde Spannrolle (12) ausgebildet ist und mit einer geregelten Spannkrafteinstellvorrichtung verbunden ist, mit der eine vorgegebene Fadenspannung ein- und nachstellbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Befestigungselement (12) in Richtung zur Rotorschale als Wandlerelement (7) mindestens ein Kraftaufnehmer vorgesehen ist, dessen Krafteinleitungsseite (14) die Kraft bei einer seitlichen Auslenkung des Linearfadens (9) erfasst .
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (7) einen Verformungskörper mit elektrischen Dehnungsmessstreifen (DMS) oder optischen Dehnungsmessstreifen aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnehmereinheit (5) zwei Wandlerelemente (7) vorgesehen sind, wobei das erste Wandlerelement (7) die Auslenkung in Flügelrichtung Y und das zweite Wandlerelement die Auslenkgung in Kantenrichtung X erfasst .
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnehmereinheit (5) drei Wandlerelemente (7) vorgesehen sind, wobei das erste Wandlerelement (7) die Auslenkung in Flügelrichtung Y und das zweite Wandlerelement die Ausrichtung in Kantenrichtung X und das dritte Wandlerelement die Fadenspannung in Rotorlängsrichtung Z erfasst, wobei alle Wandlerelemente (7) in Raumrichtung 90° versetzt ausgerichtet sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Wandlerelemente (7) einer Auswertevorrichtung (6) zugeführt werden, die als elektronische Rechenvorrichtung ausgebildet ist und der Referenz- oder Grenzwerte vorgegeben sind, aus der diese mit Hilfe der erfassten Flügelauslenkungen und/oder FlügelSchwingungen mindestens die Einhaltung der maximal zulässigen Windbelastung ermittelt und bei einer Überschreitung signalisiert.
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