WO2018029153A1 - Einrichtung zur überwachung von mechanischen verbindungsstellen einer anlage - Google Patents

Einrichtung zur überwachung von mechanischen verbindungsstellen einer anlage Download PDF

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Arne Bartschat
Matthias STAMMLER
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention is in the field of mechanical engineering and electrical engineering and is concerned with the monitoring of mechanical connection points of equipment, in particular wind turbines.
  • connection points must be stable with the highest reliability, and connections must not come loose, or the risk of loosening must at least be known beforehand.
  • the present invention has the object to provide a most effective and efficient means for monitoring mechanical joints of a system, which at least partially simplifies the service and monitoring and possibly partially replaced.
  • the invention relates to a device for monitoring mechanical connection points of a system, in particular a wind turbine, with at least one optical imaging device which is adapted to repeat optical images of one or more connection points, in particular regularly or continuously, and a processing means for comparing images respectively with reference images or parameters of the images respectively with reference parameters and generating an error signal with respect to the joint depicted in a figure as soon as the deviations of the mapping from a reference image or a parameter of a reference parameter in the image exceeds a specified threshold.
  • the mechanical connection points can be formed, for example, by screw connections, adhesive connections, welded or soldered connections, rivets or bolts, clamps or other connecting elements whose state can be visually recognized. Also, the observation of clamping of parts of the system by clamping or by encapsulation or other joining technique is optically controllable, so that such joints can be monitored.
  • the corresponding optical imaging devices can be formed, for example, by cameras, wherein a single camera can also monitor a plurality of connection points. As well as changes that become apparent by loosening or partially releasing a joint, by a person skilled in the form of a service force by personal revision are recognizable, such changes can also be controlled by an optical imaging system.
  • the device according to the invention is set up to regularly record and monitor corresponding images. In electronic image processing, changes compared to reference images or, after the images have been parameterized, also changes compared to comparison parameters can be detected and signaled.
  • the reference images and / or reference parameters are formed by images previously captured by the device and / or based on them.
  • such reference images can also be idealized standard images, and parameters that can be obtained from such images can also be preset, so that current ones are always preset Figures can be compared with such standard figures and parameter values.
  • the monitoring is particularly simple if, for comparison, older images and parameters derived from these are used.
  • a first image can be detected, which can serve as a reference for later measurements.
  • it can also be alternatively or additionally provided that as
  • a map is used for the reference, which has been generated a certain period of time before the current image in order to determine development trends in the event of changes.
  • Images and parameters recorded in previous measurements are each stored in a memory device and kept available for comparison.
  • a further advantageous embodiment of the invention can provide that it is adapted to compare the position, in particular the angle of rotation, of the screw in the figure with its position in the reference image at least one connection point having a screw connection.
  • connection point comprises position markings of one or more screws. If a screw loosens, it can, for example, be twisted in the thread, which can easily be determined by the marked position. The angle of rotation of the screw can be observed in the longer term even with small changes
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the position markings by form marks, color markings or attached to the illustrated screw marking element, in particular a screw cap is formed.
  • every screw in the attached state by attaching an added mark, such as a screw cap are easily marked with respect to their position, and the markers can be aligned, for example, together, so that a single dissolved screw is easily recognizable by changing their mark.
  • Markings can also be designed to be fluorescent so that they can be recognized in the dark.
  • the device is adapted to detect at least one connection point, which is formed by a clamping of a component in a potting material, in particular a cast foundation.
  • the imaging device images the parting line between the potting material and the cast-in component.
  • the clamping of the tower in the cast foundation can be imaged by an imaging device. After making this connection, no parting line is initially visible, but this can occur after load or load changes and become recognizable. It can also be recognizable in the no-load condition.
  • the width of the parting line can be measured and stored in the form of a parameter. Changes in the joint width can then be recognized as a trend.
  • the imaging device is set up to image the movement, in particular the amplitude of movement, of the clamped component with respect to the potting material during a vibration and / or a mechanical alternating load of the system, and that the comparison device is configured to exceed it to emit a signal at a reference velocity or reference amplitude.
  • a mark may be attached to the clamped component, and the imaging device may be fixedly mounted on the clamped portion.
  • a relative movement between the position marker and the clamping member which can be statically or dynamically mapped.
  • the tower may bear a mark, and an imaging device may be mounted on the foundation.
  • a parting line will appear between the casting material and the material of the tower, whereby the width of the parting line can be absorbed.
  • it is also possible to dynamically observe a mark on the tower ie, the amplitude of oscillation during load changes can be observed and characterized by a parameter which can be compared with corresponding parameters of previously taken pictures. From this it can be concluded to what extent the clamped part has relaxed in the clamping.
  • the imaging device has one or more cameras.
  • Such cameras are usually designed as digital cameras and can send digital recordings electronically via lines or a radio link to a central office. At the head office, the comparison with previous recordings or the parameter comparison can take place.
  • the control center can be provided on the wind turbine itself or even remotely, and in any case has a data processing device.
  • the imaging device comprises optical deflection devices for supplying one or more images to a camera, in particular in the form of optical waveguides and / or mirrors.
  • This measure can serve, for example, to record images of connection points in inaccessible places by means of an optical system and to forward them to a camera, for example, by means of one or more mirrors.
  • the forwarding by means of optical waveguides or optical fiber bundles is conceivable. As a result, the number of necessary cameras can be reduced, and / or these can be mounted in sheltered places.
  • a further advantageous embodiment may include the information technology connection with an electronic control device of the system.
  • the times of the acquisition of optical images with certain operating parameters of the system and / or with the occurrence of certain conditions can be coordinated.
  • a measurement is made in the case of a particularly high wind load (eg at a wind load maximum and / or a wind load minimum).
  • Ambient temperature can also be a parameter that can be considered for the selection of times to create optical images of the joints.
  • the invention can also provide that at least one element of the imaging device is permanently mounted on a fixed rotor blade bearing part in the case of use in a wind power plant.
  • the mechanical play of the rotor blades in storage by an imaging device can be optically monitored.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that a connection of the device is provided directly or indirectly with sensors of the system, as well as a trigger device, the detection of
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by an active cleaning device for one or more interfaces of the imaging device, pass through the imaging beams. Since such a device is intended to help extend the intervals between personal inspections for maintenance, it must be expected that the device itself will also rarely be maintained and the optical imaging devices, in particular cameras, are exposed to environmental influences and are only rarely cleaned can. Lenses and other optical interfaces can then rarely be cleaned by service personnel; Therefore, an active cleaning device, for example in the form of a wiper or an ultrasonic cleaning system for shaking off dust, makes sense.
  • the imaging device has at least one closure device that can be closed in order to protect at least one interface through which imaging rays pass, from environmental influences, and that can be opened to capture images. In this case, the sensitive surfaces of the imaging devices, such as camera lenses, mirrors or optical fiber ends, may be protected by the shutter device, which is only briefly open for actually making a picture.
  • Such closure devices can be formed, for example, by irises or flaps.
  • a connection of the device is provided directly or indirectly with sensors of the system.
  • the device within a data processing device which serves to control it and to evaluate data, has a device for trend analysis of acquired parameters.
  • a trend analysis device By means of such a trend analysis device, small changes in the images or parameters can be detected at an early stage, which later lead to failures. It can thus be given early signals for personal maintenance by service personnel.
  • a further advantageous embodiment may provide that the device has a device for self-monitoring, which monitors the detected parameters and / or images on expected deviations from previous parameters or figures.
  • the optical images are selectively manipulated at certain intervals at some or all connection points in order to ensure that changes due to the
  • Imaging devices are registered and detected by the monitoring device. For example, it may also be provided that, in the case of larger perceptible changes in the images or parameters, a measurement is immediately repeated to ensure that no incorrect measurement has been made.
  • FIG. 1 is a side view of a wind turbine
  • FIG. 4 is a perspective view of a plurality of successive lying, monitored by a camera screw heads
  • Fig. 7 shows schematically an illustration of the device with the data processing elements as well
  • FIG. 8 shows an imaging device with a closure device.
  • FIG. 1 shows, in a side view, the tower 1 of a wind energy plant with a dome 2 and rotor blades 3, 4, which are fastened to a hub 5.
  • the tower 1 of the wind turbine is cast in a foundation 6, for example made of concrete.
  • screw connections with anchors can be provided in the foundation.
  • the tower 1 can be divided lengthwise into a plurality of sections 1a, 1b, 1c, which can be screwed together by means of flanges ld, le, lf, lg.
  • the flanges ld, le, lf, lg are fixedly connected to one another by means of axially continuous screws distributed around the circumference of the flanges.
  • connecting points 7, 8, 9 in the area of the rotor blade bearings and 10, 11 in the region of the flange connections and 12 in the region of the clamping of the tower 1 in the foundation 6 are shown by way of example.
  • Optical imaging devices may be provided for monitoring the respective connection points.
  • the images of joints can also be routed via optical fibers or mirror optics to corresponding imaging devices.
  • the imaging devices may include, for example, digital cameras.
  • FIG. 2 shows an example of a rotor blade bearing, wherein the fixed bearing part is denoted by 13.
  • the rotor blade 3 is rotatable about the axis of rotation 14 with respect to the bearing part 13, which is perpendicular to the axis of rotation of the entire impeller.
  • the angle of attack of the rotor blades 3, 4 can be adjusted.
  • On the fixed bearing part 13 of the rotor bearing a camera 15 is mounted, which registers changes in the position of the rotor blade 3 relative to the bearing and thus determined, for example, bearing clearance or clearance in the attachment of the rotor blade 3 on its shaft.
  • FIG. 3 by way of example, three screw heads 16, 17, 18 are illustrated on a flange 1d, wherein an optical waveguide 19, 20, 21 terminates at each screw head 16, 17, 18, each of which forms an image of the screw head 16, 17, 18 or a position marking receives on the respective screw head and this passes to a receiving device 22.
  • This can for example be designed as a digital camera with or without an imaging optics.
  • Figure 4 shows in perspective a plurality of arranged in a row screw heads 16, 17, 18, each having markings 23 on the cylindrical outer surface of the screw head, wherein the position of the markers 23 for all three screws can be simultaneously captured by the camera 24 in an image. This will reduce the number of imaging devices / cameras needed. Rotation of a single one of the screws 16, 17, 18 immediately results in a change in symmetry in the image, as long as the position marks have been initially aligned. As a result, dissolved compounds are easily recognizable.
  • FIG. 5 shows in a perspective view a screw head 16 with a position marking 25 in the form of a recess or color marking on the front side of the screw head 16.
  • FIG. 6 shows, in a cutaway view, a screw 26 with a screw head 26a, over which a position marking cap 27 has been pulled.
  • a cap 27 carries a position marker and may be slipped over a screw head such that the position marker is at a desired location.
  • rows of screws can be similarly marked by such caps 27 after fastening / tightening such that the position marks are all aligned with each other. In this way, individual dissolved screws can be easily recognized by the fact that the corresponding position marker is no longer aligned with the other position marks of the other screws.
  • Figure 7 shows schematically parts of a device according to the invention with all the necessary elements for data processing.
  • imaging devices 15, 24, 28, 29, which can all be the same or different.
  • some of the imaging devices may be configured as cameras, others as sensor arrays, at which optical fibers terminate, or as sensor arrays or cameras that receive mirrored images.
  • the imaging devices direct the images to a processing device 30, which compares the images and / or parameters derived therefrom with reference images or reference parameters from a memory device 31 and evaluates any deviations ascertained if necessary.
  • Pre-determined reference parameters and reference images may be stored in the memory device 31, but there may also be stored reference data obtained with the imaging devices 13, 24, 28, 29.
  • a signal is output by the processing device 30 by means of a signal device 32.
  • This can for example contain a communication module, by means of which an operator of the system is notified.
  • the processing and comparison device 30 may be connected directly to the controller 33 of the system to exchange data therewith.
  • This data can be, for example, operating data, at one Wind turbine, for example, the instantaneous power or wind load and the time remaining until the next maintenance.
  • the processing device 30 can also be directly coupled to sensors 34, 35, 36 of the system, which are used to measure physical parameters such as wind load, wind speed, temperature or similar parameters.
  • sensors 34, 35, 36 of the system which are used to measure physical parameters such as wind load, wind speed, temperature or similar parameters.
  • Mapped images can be compared with previously acquired mappings to perform plausibility tests. It can also be provided that a position mark is specifically manipulated at a connection point in order to test whether the device according to the invention signals an error.
  • FIG. 8 schematically shows a camera 38 whose optic 39 is protected by an iris diaphragm 40. It can remain closed as long as no image is captured and opened only to take a picture. As a result, the optic 39 is protected from environmental influences and from contamination.
  • the camera 38 takes pictures of the screws 41, 42, wherein the screw 42 or a mark on its head by two mirrors 43, 44 is directed to the camera 38.
  • the mirror 44 is exemplarily provided with a dust removing device 45, which applies an ultrasonic pulse to the mirror 44 to vibrate it so as to deposit dirt and dust deposited on the surface. It may also be provided a wiper device which moves over one or both of the mirrors 43, 44 to remove dirt and to maintain the quality of the optical image even under adverse environmental conditions.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Überwachung von mechanischen Verbindungsstellen einer Anlage, insbesondere einer Windenergieanlage, mit wenigstens einer optischen Abbildungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, optische Abbildungen von einer oder mehreren Verbindungsstellen wiederholt, insbesondere regelmäßig oder kontinuierlich, digitalisiert zu erfassen, sowie mit einer Vergleichseinrichtung zum Vergleich von Abbildungen jeweils mit Referenzabbildungen oder von Parametern der Abbildungen jeweils mit Referenzparametern und zur Erzeugung eines Fehlersignals mit Bezug auf die in einer Abbildung abgebildete Verbindungsstelle, sobald die Abweichungen der Abbildung von einer Referenzabbildung oder eines Parameters von einem Referenzparameter bei der Abbildung eine festgelegte Schwelle überschreiten. Damit lässt sich die Überwachung von mechanischen Verbindungsstellen automatisieren und systematisieren, und Wartungskosten lassen sich senken. Zudem wird der Betrieb der überwachten Anlage sicherer.

Description

Einrichtung zur Überwachung von mechanischen Verbindungsstellen einer
Anlage
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Elektrotechnik und beschäftigt sich mit der Überwachung von mechanischen Verbindungsstellen von Anlagen, insbesondere Windenergieanlagen.
Derartige Anlagen sind im Betrieb hohen dynamischen Lasten und häufigen Lastwechseln ausgesetzt, so dass mechanische Verbindungsstellen besonders stark belastet werden. Die Verbindungsstellen müssen dabei jedoch mit höchster Zuverlässigkeit stabil sein, und Verbindungen dürfen sich nicht lösen, oder die Gefahr des Lösens muss zumindest sicher vorher erkannt werden können.
Bisher werden Anlagen in passenden Serviceintervallen einer Revision unterzogen, bei der beispielsweise Schraubverbindungen von Turmsegmenten und Rotorblättern zumindest visuell auf Anzeichen des Lösens von Verbindungen untersucht werden. Es können auch Vorspannkräfte von Schraubverbindungen gemessen werden. Dabei ist zu bedenken, dass viele Windenergieanlagen, insbesondere im Offshore-Bereich, nur schwierig und mit hohem Aufwand zugänglich sind. Der hohe Aufwand der Servicemaßnahmen spiegelt sich in einem hohen Instandhaltungskostenanteil beim Betrieb wieder. Bei einem Versagen ist es ebenfalls wegen der schlechten Zugänglichkeit schwierig, eine schnelle Reparatur durchzuführen.
Somit ist es sehr wichtig und lohnenswert, die Überwachung von Verbindungsstellen solcher Anlagen zu verbessern.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden zur Überwachung beispielsweise von Schraubverbindungen bekannt. Aus der DE 198 31 372 AI ist beispielsweise bekannt, eine Sensorik in die Unterlegscheibe bei einer Schraubverbindung zu integrieren, um die Vorspannkraft überwachen zu können.
Aus der DE 39 34 952 AI ist es bekannt, mittels eines Federelementes die Vorspannkraft einer Schraubverbindung zu überwachen. Auch eine Überwachung mittels eines elektrischen Prüfkreises ist dort offenbart.
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst effektive und effiziente Einrichtung zur Überwachung von mechanischen Verbindungsstellen einer Anlage zu schaffen, die den Service und die Überwachung wenigstens teilweise vereinfacht und gegebenenfalls teilweise ersetzt.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 18 stellen Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Überwachung von mechanischen Verbindungsstellen einer Anlage, insbesondere einer Windenergieanlage, mit wenigstens einer optischen Abbildungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, optische Abbildungen von einer oder mehreren Verbindungsstellen wiederholt, insbesondere regelmäßig oder kontinuierlich, digitalisiert zu erfassen, sowie mit einer Verarbeitungseinrichtung zum Vergleich von Abbildungen jeweils mit Referenzabbildungen oder von Parametern der Abbildungen jeweils mit Referenzparametern und zur Erzeugung eines Fehlersignals mit Bezug auf die in einer Abbildung abgebildete Verbindungsstelle, sobald die Abweichungen der Abbildung von einer Referenzabbildung oder eines Parameters von einem Referenzparameter bei der Abbildung eine festgelegte Schwelle überschreiten.
Dabei können die mechanischen Verbindungsstellen beispielsweise durch Schraubverbindungen, Klebeverbindungen, Schweiß- oder Lötverbindungen, Nieten oder Bolzen, Klammern oder andere Verbindungselemente gebildet sein, deren Zustand sich optisch erkennen lässt. Auch die Beobachtung von Einspannungen von Teilen der Anlage durch Klemmen oder durch Verguss oder eine andere Fügetechnik ist optisch kontrollierbar, so dass auch derartige Verbindungsstellen überwacht werden können.
Die entsprechenden optischen Abbildungseinrichtungen können beispielsweise durch Kameras gebildet sein, wobei eine einzelne Kamera auch mehrere Verbindungsstellen überwachen kann. Ebenso wie Veränderungen, die durch Lösen oder teilweises Lösen einer Verbindungsstelle sichtbar werden, von einem Experten in Gestalt einer Servicekraft durch persönliche Revision erkennbar sind, können derartige Veränderungen auch durch ein optisches Abbildungssystem kontrolliert werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist dazu eingerichtet, entsprechende Abbildungen regelmäßig zu erfassen und zu kontrollieren. In einer elektronischen Bildverarbeitung können dann Veränderungen gegenüber Referenzabbildungen oder, nachdem die Abbildungen parametrisiert sind, auch Veränderungen gegenüber Vergleichsparametern festgestellt und signalisiert werden.
Es kann dazu beispielsweise vorgesehen sein, dass die Referenzabbildungen und/oder Referenzparameter durch früher mittels der Einrichtung erfasste Abbildungen gebildet sind und/oder auf diesen beruhen.
Grundsätzlich können solche Referenzabbildungen auch idealisierte Normabbildungen sein, und Parameter, die aus solchen Abbildungen gewonnen werden können, können ebenfalls voreingestellt sein, so dass jeweils aktuelle Abbildungen mit solchen Normabbildungen und -parameterwerten verglichen werden können.
Besonders einfach ist die Überwachung jedoch, wenn zum Vergleich jeweils ältere Abbildungen und aus diesen gewonnene Parameter herangezogen werden. In diesem Fall kann nach der Montage der Anlage von jeder Verbindungsstelle ein erstes Abbild erfasst werden, das für spätere Messungen als Referenz dienen kann. Es kann jedoch auch alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die als
Referenz herangezogenen Abbildungen wechseln und dass beispielsweise jeweils eine Abbildung zur Referenz herangezogen wird, die eine bestimmte Zeitspanne vor der aktuellen Abbildung erzeugt worden ist, um Entwicklungstrends bei Veränderungen ermitteln zu können.
In vorangegangenen Messungen erfasste Abbildungen und Parameter werden jeweils in einer Speichereinrichtung hinterlegt und zum Vergleich bereitgehalten. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass sie dazu eingerichtet ist, bei wenigstens einer Verbindungsstelle, die eine Schraubenverbindung aufweist, die Position, insbesondere den Drehwinkel, der Schraube in der Abbildung mit ihrer Position in der Referenzabbildung zu vergleichen.
Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verbindungsstelle Positionsmarkierungen einer oder mehrerer Schrauben umfasst. Löst sich eine Schraube, so kann sie beispielsweise im Gewinde verdreht werden, was sich durch die markierte Position leicht feststellen lässt. Der Drehwinkel der Schraube kann auch bei kleinen Veränderungen längerfristig beobachtet werden, um
Trends zu erkennen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Positionsmarkierungen durch Formmarkierungen, Farbmarkierungen oder ein an der abgebildeten Schraube befestigtes Markierungselement, insbesondere eine Schraubenkappe, gebildet ist. In diesem Fall kann jede Schraube im befestigten Zustand durch Anbringen einer hinzugefügten Markierung, beispielsweise einer Schraubenkappe, bezüglich ihrer Position einfach markiert werden, und die Markierungen können beispielsweise gemeinsam ausgerichtet werden, so dass eine einzelne gelöste Schraube durch Änderung ihrer Markierung einfach erkennbar ist. Markierungen können dabei auch fluoreszierend gestaltet sein, um in der Dunkelheit erkannt werden zu können.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Verbindungsstelle zu erfassen, die durch eine Einspannung eines Bauteils in einem Vergussmaterial, insbesondere einem gegossenen Fundament, gebildet ist. Beispielsweise kann dazu vorgesehen sein, dass die Abbildungseinrichtung die Trennfuge zwischen dem Vergussmaterial und dem eingegossenen Bauteil abbildet.
Bei einer Windenergieanlage kann beispielsweise die Einspannung des Turms im gegossenen Fundament durch eine Abbildungseinrichtung abgebildet werden. Nach dem Herstellen dieser Verbindung ist zunächst keine Trennfuge sichtbar, diese kann jedoch nach Belastung oder Lastwechseln auftreten und erkennbar werden. Sie kann auch im lastfreien Zustand erkennbar sein. Die Breite der Trennfuge kann vermessen und in Form eines Parameters hinterlegt werden. Veränderungen der Fugenbreite können dann als Trend erkannt werden.
Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Abbildungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Bewegung, insbesondere die Bewegungsamplitude, des eingespannten Bauteils gegenüber dem Vergussmaterial bei einer Schwingung und/oder einer mechanischen Wechselbelastung der Anlage abzubilden, und dass die Vergleichseinrichtung dazu eingerichtet ist, bei Überschreiten einer Referenzgeschwindigkeit oder einer Referenzamplitude ein Signal abzugeben. In diesem Fall kann beispielsweise eine Markierung an dem eingespannten Bauteil angebracht sind, und die Abbildungseinrichtung kann fest an dem einspannenden Teil montiert sein.
Es findet dann bei einem Lastwechsel oder einer Belastung eine Relativbewegung zwischen der Positionsmarkierung und dem einspannenden Bauteil statt, die statisch oder dynamisch abgebildet werden kann. Beispielsweise kann bei einer Windenergieanlage der Turm eine Markierung tragen, und eine Abbildungseinrichtung kann auf dem Fundament montiert sein. Bei einer hohen Windlast wird sich eine Trennfuge zwischen dem Vergusswerkstoff und dem Material des Turms zeigen, wobei die Breite der Trennfuge aufgenom- men werden kann. Es kann jedoch auch eine Markierung an dem Turm dynamisch beobachtet werden, d. h., die Schwingungsamplitude bei Lastwechseln kann beobachtet und durch einen Parameter charakterisiert werden, der mit entsprechenden Parametern von früher angefertigten Aufnahmen verglichen werden kann. Daraus lässt sich schließen, inwieweit sich das eingespannte Teil in der Einspannung gelockert hat.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Abbildungseinrichtung eine oder mehrere Kameras aufweist. Derartige Kameras sind üblicherweise als Digitalkameras ausgebildet und können digitale Aufnahmen elektronisch über Leitungen oder eine Funkverbindung zu einer Zentrale senden. In der Zentrale kann dann der Vergleich mit früheren Aufnahmen oder der Parametervergleich stattfinden. Die Zentrale kann an der Windenergieanlage selbst oder auch entfernt von dieser vorgesehen sein und weist jedenfalls eine Datenverarbeitungseinrichtung auf.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Abbildungseinrichtung optische Umlenkeinrichtungen zur Zuleitung von einer oder mehreren Abbildungen zu einer Kamera, insbesondere in Form von Lichtwellenleitern und/oder von Spiegeln, aufweist. Diese Maßnahme kann beispielsweise dazu dienen, Ab- bildungen von Verbindungsstellen an unzugänglichen Stellen durch eine Optik aufzunehmen und an eine Kamera beispielsweise durch einen oder mehrere Spiegel weiterzuleiten. Auch die Weiterleitung mittels Lichtwellenleitern oder Lichtwellenleiterbündeln ist denkbar. Dadurch kann die Zahl der notwendigen Kameras reduziert werden, und/oder diese können an geschützten Stellen montiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann die informationstechnische Verbindung mit einer elektronischen Steuereinrichtung der Anlage umfassen. Dadurch können die Zeitpunkte der Erfassung von optischen Abbildungen mit bestimmten Betriebsparametern der Anlage und/oder mit dem Auftreten von bestimmten Rahmenbedingungen abgestimmt werden. Beispielsweise kann bei einer Windenergieanlage eine Messung bei besonders hoher Windlast (z. B. bei einem Windlastmaximum und/oder einem Windlastminimum) erfolgen. Auch die Umgebungstemperatur kann ein Parameter sein, der für die Auswahl von Zeitpunkten zur Erstellung von optischen Abbildungen der Verbindungsstellen berücksichtigt werden kann.
Die Erfindung kann zudem vorsehen, dass wenigstens ein Element der Ab- bildungseinrichtung im Falle der Verwendung bei einer Windenergieanlage fest auf einem feststehenden Rotorblattlagerteil montiert ist. Damit kann das mechanische Spiel der Rotorblätter in der Lagerung durch eine Abbildungs- einrichtung optisch überwacht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Verbindung der Einrichtung mittelbar oder unmittelbar mit Sensoren der Anlage vorgesehen ist, sowie eine Triggereinrichtung, die eine Erfassung von
Abbildungen initiiert, wenn bestimmte physikalische Zustände der Anlage vorliegen. Beispielsweise kann durch eine solche Abstimmung bei der Erfassung von Abbildungen erreicht werden, dass Abbildungen und Parameter, die aktuell erfasst werden, nur mit solchen Referenzdaten verglichen werden, die unter ähnlichen Rahmenbedingungen, d. h. auch bei ähnlichen physikalischen Parametern aufgenommen wurden, beispielsweise bei einer vergleichbaren mechanischen Last der Anlage oder einer vergleichbaren Temperatur.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine aktive Reinigungseinrichtung für eine oder mehrere Grenzflächen der Abbildungseinrichtung, durch die Abbildungsstrahlen hindurchtreten. Da eine derartige Einrichtung helfen soll, die Intervalle zwischen persönlichen Inspektionen zur Wartung zu verlängern, muss damit gerechnet werden, dass auch die Einrichtung selbst entsprechend selten gewartet wird und die Einrichtungen zur optischen Abbildung, insbesondere Kameras, den Umwelteinflüssen ausgesetzt sind und nur selten gereinigt werden können. Linsen und andere optische Grenzflächen können dann nur selten durch Servicepersonal gereinigt werden; daher ist eine aktive Reinigungseinrichtung, beispielsweise in Form eines Wischers oder einer Ultraschallreinigungsanlage zum Abschütteln von Staub, sinnvoll. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Abbildungseinrichtung wenigstens eine Verschlussvorrichtung aufweist, die verschließbar ist, um wenigstens eine Grenzfläche, durch die Abbildungsstrahlen hindurchtreten, vor Umwelteinflüssen zu schützen, und die zur Erfassung von Abbildungen geöffnet werden kann. In diesem Fall können die empfindlichen Flächen der Abbildungseinrich- tungen, beispielsweise Kameralinsen, Spiegel oder Lichtwellenleiterenden, durch die Verschlussvorrichtung geschützt sein, die nur für das tatsächliche Erstellen einer Abbildung kurzzeitig geöffnet ist. Solche Verschlusseinrichtungen können beispielsweise durch Irisblenden oder Klappen gebildet sein.
Es kann außerdem vorteilhaft vorgesehen sein, dass zur Synchronisation der Zeitpunkte der Erfassung von Abbildungen mit dem Vorliegen bestimmter physikalischer Zustände der Anlage eine Verbindung der Einrichtung mittelbar oder unmittelbar mit Sensoren der Anlage vorgesehen ist.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung innerhalb einer Datenverarbeitungseinrichtung, die ihrer Steuerung und der Auswertung von Daten dient, eine Einrichtung zur Trendanalyse von erfassten Parametern aufweist. Durch eine solche Einrichtung zur Trendanalyse lassen sich kleine Verände- rungen der Abbildungen oder Parameter frühzeitig erkennen, die erst später zu Ausfällen führen. Es können somit frühzeitig Signale für eine persönliche Wartung durch Servicepersonal gegeben werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Einrichtung eine Einrichtung zur Selbstüberwachung aufweist, die die erfassten Parameter und/oder Abbildungen auf zu erwartende Abweichungen von vorangegangenen Parametern oder Abbildungen überwacht. Zum Zweck der Selbstüberwachung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass an einigen oder allen Verbindungsstellen die optischen Abbildungen gezielt in bestimmten Abständen manipuliert werden, um sicherzustellen, dass Veränderungen durch die
Abbildungseinrichtungen registriert und durch die Überwachungseinrichtung erfasst werden. Es kann beispielsweise auch vorgesehen, dass bei größeren wahrnehmbaren Veränderungen der Abbildungen oder Parameter unmittelbar eine Messung wiederholt wird, um sicherzustellen, dass keine Fehlmes- sung vorgelegen hat. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Windenergieanlage,
Fig. 2 eine Detailansicht eines Rotorblattlagers,
Fig. 3 drei gekoppelte Lichtwellenleiteranordnungen zur Überwachung von drei Schraubenköpfen,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht mehrerer hintereinander- liegender, durch eine Kamera überwachter Schraubenköpfe,
Fig. 5 einen Schraubenkopf mit einer Markierung,
Fig. 6 einen Schraubenkopf mit einer aufgesteckten Kappe,
Fig. 7 schematisch eine Darstellung der Einrichtung mit den Datenverarbeitungselementen sowie
Fig. 8 eine Abbildungseinrichtung mit einer Verschlusseinrichtung.
Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht den Turm 1 einer Windenergieanlage mit einer Kuppel 2 und Rotorblättern 3, 4, die an einer Nabe 5 befestigt sind. Der Turm 1 der Windenergieanlage ist in ein Fundament 6, beispielsweise aus Beton, eingegossen. Zusätzlich können noch Verschraubungen mit Ankern im Fundament vorgesehen sein.
Der Turm 1 kann der Länge nach in mehrere Abschnitte la, lb, lc geteilt sein, die mittels Flanschen ld, le, lf, lg miteinander verschraubt sein können. Die Flansche ld, le, lf, lg sind mittels axial durchgehender, am Umfang der Flansche verteilter Schrauben miteinander fest verbunden.
In Figur 1 sind beispielhaft Verbindungsstellen 7, 8, 9 im Bereich der Rotorblattlager sowie 10, 11 im Bereich der Flanschverbindungen und 12 im Bereich der Einspannung des Turms 1 im Fundament 6 gezeigt. An diesen Stellen können optische Abbildungseinrichtungen zur Beobachtung der jeweiligen Verbindungsstellen vorgesehen sein. Die Bilder von Verbindungsstellen können auch über Lichtleiter oder über Spiegeloptiken zu entsprechenden Abbildungseinrichtungen geleitet werden. Die Abbildungseinrichtungen können beispielsweise Digitalkameras aufweisen.
Figur 2 zeigt beispielhaft ein Rotorblattlager, wobei der feststehende Lagerteil mit 13 bezeichnet ist. Das Rotorblatt 3 ist um die Rotationsachse 14 gegenüber dem Lagerteil 13 drehbar, die auf der Rotationsachse des gesamten Flügelrades senkrecht steht. Hierdurch kann der Anstellwinkel der Rotorblätter 3, 4 eingestellt werden. Auf dem feststehenden Lagerteil 13 des Rotorlagers ist eine Kamera 15 montiert, die Veränderungen in der Position des Rotorblattes 3 gegenüber dem Lager registriert und damit beispielsweise Lagerspiel oder Spiel in der Befestigung des Rotorblattes 3 an seiner Welle ermittelt.
In Figur 3 sind beispielhaft drei Schraubenköpfe 16, 17, 18 an einem Flansch ld dargestellt, wobei an jedem Schraubenkopf 16, 17, 18 ein Lichtwellenleiter 19, 20, 21 endet, der jeweils ein Bild des Schraubenkopfes 16, 17, 18 oder einer Positionsmarkierung auf dem jeweiligen Schraubenkopf aufnimmt und dies an eine Aufnahmeeinrichtung 22 leitet. Diese kann beispielsweise als digitale Kamera mit oder ohne eine Abbildungsoptik ausgeführt sein.
Figur 4 zeigt perspektivisch mehrere in einer Reihe angeordnete Schraubenköpfe 16, 17, 18, die jeweils Markierungen 23 an der zylindrischen Außenfläche des Schraubenkopfes aufweisen, wobei die Position der Markierungen 23 für alle drei Schrauben gleichzeitig durch die Kamera 24 in einem Bild festgehalten werden kann. Hierdurch wird die Zahl der benötigten Abbil- dungseinrichtungen/Kameras verringert. Eine Drehung einer einzelnen der Schrauben 16, 17, 18 führt unmittelbar zu einer Änderung der Symmetrie in der Abbildung, sofern die Positionsmarkierungen anfangs aneinander ausgerichtet worden sind. Dadurch werden gelöste Verbindungen leicht erkennbar.
Figur 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Schraubenkopf 16 mit einer Positionsmarkierung 25 in Form einer Ausnehmung oder Farbmarkierung auf der Stirnseite des Schraubenkopfes 16. Figur 6 zeigt in einer geschnittenen Darstellung eine Schraube 26 mit einem Schraubenkopf 26a, über den eine Positionsmarkierungskappe 27 gezogen ist. Eine derartige Kappe 27 trägt eine Positionsmarkierung und kann derart über einen Schraubenkopf gestülpt werden, dass die Positionsmarkierung an einer gewünschten Stelle liegt. Damit können Reihen von Schrauben durch solche Kappen 27 nach dem Befestigen/Festziehen derart gleichartig markiert werden, dass die Positionsmarkierungen alle zueinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise lassen sich einzelne gelöste Schrauben sehr einfach daran erkennen, dass die entsprechende Positionsmarkierung nicht mehr mit den übrigen Positionsmarkierungen der anderen Schrauben ausgerichtet ist.
Figur 7 zeigt schematisch Teile einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit allen notwendigen Elementen zur Datenverarbeitung. Es sind schematisch Abbildungseinrichtungen 15, 24, 28, 29 dargestellt, die alle gleich oder auch unterschiedlich gestaltet sein können. Beispielsweise können einige der Abbildungseinrichtungen als Kameras, andere als Sensorarrays ausgebildet sein, an denen Lichtwellenleiter enden, oder als Sensorarrays oder Kameras, die eingespiegelte Bilder aufnehmen. Die Abbildungseinrichtungen leiten die Abbildungen zu einer Verarbeitungseinrichtung 30, die die Abbildungen und/oder aus diesen gewonnene Parameter mit Referenzabbildungen oder Referenzparametern aus einer Speichereinrichtung 31 vergleicht und gegebenenfalls festgestellte Abweichungen bewertet. In der Speichereinrichtung 31 können vorher bestimmte Referenzparameter und Referenzabbildungen gespeichert sein, jedoch können dort auch Referenzdaten gespeichert sein, die mit den Abbildungseinrichtungen 13, 24, 28, 29 gewonnen wurden.
Übersteigt beim Vergleich der Unterschied der erfassten Daten zu den Referenzdaten eine festgelegte Schwelle, so wird ein Signal durch die Verar- beitungseinrichtung 30 mittels einer Signaleinrichtung 32 ausgegeben. Diese kann beispielsweise ein Kommunikationsmodul enthalten, mittels dessen ein Betreiber der Anlage benachrichtigt wird.
Die Verarbeitungs- und Vergleichseinrichtung 30 kann direkt mit der Steuereinrichtung 33 der Anlage verbunden sein, um mit dieser Daten auszutauschen. Diese Daten können beispielsweise Betriebsdaten sein, bei einer Windenergieanlage beispielsweise die augenblickliche Leistung oder Windlast und die verbleibende Zeit bis zur nächsten Wartung.
Die Verarbeitungseinrichtung 30 kann zudem auch mit Sensoren 34, 35, 36 der Anlage unmittelbar gekoppelt sein, die zur Messung von physikalischen Parametern, wie der Windlast, der Windgeschwindigkeit, der Temperatur oder ähnlicher Parameter, dienen. Damit kann die Erfassung von Abbildungen durch die erfindungsgemäße Einrichtung an bestimmte physikalische Parameter, denen die Anlage unterworfen ist, gekoppelt werden.
Mit 37 ist ein Modul bezeichnet, das regelmäßig einen Selbsttest der Anlage durchführt. Es können dazu erfasste Abbildungen mit früher erfassten Abbildungen verglichen werden, um Plausibilitätstests durchzuführen. Es kann auch vorgesehen sein, dass gezielt eine Positionsmarkierung an einer Verbindungstelle manipuliert wird, um zu testen, ob die erfindungsgemäße Einrichtung einen Fehler signalisiert.
Figur 8 zeigt schematisch eine Kamera 38, deren Optik 39 durch eine Irisblende 40 geschützt ist. Diese kann verschlossen bleiben, solange keine Abbildung erfasst wird, und nur zum Aufnehmen einer Abbildung geöffnet werden. Dadurch ist die Optik 39 vor Umwelteinflüssen und vor Verschmutzung geschützt.
Die Kamera 38 nimmt Bilder der Schrauben 41, 42 auf, wobei die Schraube 42 bzw. eine Markierung auf ihrem Kopf durch zwei Spiegel 43, 44 zu der Kamera 38 gelenkt wird. Der Spiegel 44 ist beispielhaft mit einer Staubentfernungsein- richtung 45 versehen, sie einen Ultraschallimpuls auf den Spiegel 44 leitet, um diesen vibrieren zu lassen, so dass auf der Oberfläche abgesetzter Schmutz und Staub abgeworfen wird. Es kann auch eine Wischvorrichtung vorgesehen sein, die über einen oder beide der Spiegel 43, 44 fährt, um Schmutz zu entfernen und die Qualität der optischen Abbildung auch unter widrigen Umwelteinflüssen zu erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Überwachung von mechanischen Verbindungsstellen (7, 8, 9, 10, 11, 12) einer Anlage, insbesondere einer Windenergieanlage,
mit wenigstens einer optischen Abbildungseinrichtung (15, 22, 24, 29, 38), die dazu eingerichtet ist, optische Abbildungen von einer oder mehreren Verbindungsstellen wiederholt, insbesondere regelmäßig oder kontinuierlich, digitalisiert zu erfassen, sowie mit einer Verarbeitungseinrichtung (30) zum Vergleich von Abbildungen jeweils mit Referenzabbildungen oder von Parametern der Abbildungen jeweils mit Referenzparametern und zur Erzeugung eines Fehlersignals mit Bezug auf die in einer Abbildung abgebildete Verbindungsstelle, sobald die Abweichungen der Abbildung von einer Referenzabbildung oder eines Parameters von einem Referenzparameter bei der Abbildung eine festgelegte Schwelle überschreiten.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzabbildungen und/oder Referenzparameter durch früher mittels der Einrichtung erfasste Abbildungen gebildet sind und/oder auf diesen beruhen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, bei wenigstens einer Verbindungsstelle (7, 8, 9, 10, 11, 12), die eine Schraubenverbindung aufweist, die Position, insbesondere den Drehwinkel, der Schraube (16, 17, 18, 26) in der Abbildung mit ihrer Position in der Referenzabbildung zu vergleichen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie Positionsmarkierungen einer oder mehrerer Schrauben (16, 17, 18, 26) um- fasst.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungen durch Formmarkierungen, Farbmarkierungen (23, 25) oder ein an der abgebildeten Schraube (16, 17, 18, 26) befestigtes Markierungselement (27), insbesondere eine Schraubenkappe, gebildet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Verbindungsstelle (12) zu erfassen, die durch eine Einspannung eines Bauteils (la) in einem Vergussmaterial (6), insbesondere einem gegossenen Fundament, gebildet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbil- dungseinrichtung (15, 22, 24, 29, 38) die Trennfuge zwischen dem Vergussmaterial (6) und dem eingegossenen Bauteil (la) abbildet.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinrichtung (15, 22, 24, 29, 38) dazu eingerichtet ist, die Bewegung, insbesondere die Bewegungsamplitude, des eingespannten Bauteils (la) gegenüber dem Vergussmaterial (6) bei einer Schwingung und/oder einer mechanischen Wechselbelastung der Anlage abzubilden und dass die Vergleichseinrichtung dazu eingerichtet ist, bei Überschreiten einer Referenzgeschwindigkeit oder einer Referenzamplitude ein Signal abzugeben.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abbildungseinrichtung (15, 22, 24, 29, 38) eine oder mehrere Kameras aufweist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abbildungseinrichtung (15, 22, 24, 29, 38) optische Umlenkungseinrichtungen (19, 20, 21, 43, 44) zur Zuleitung von einer oder mehreren Abbildungen zu einer Kamera oder einem Sensor, insbesondere in Form von Lichtwellenleitern (19, 20, 21) und/oder von Spiegeln (43, 44), aufweist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine informationstechnische Verbindung mit einer elektronischen Steuereinrichtung (33) der Anlage.
12. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens ein Element der Abbildungs- einrichtung (15) im Falle der Verwendung bei einer Windenergieanlage fest auf einem feststehenden Rotorblattlagerteil (13) montiert ist. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Element der Abbildungs- einrichtung im Falle der Verwendung bei einer Windenergieanlage unmittelbar auf dem Fundament (6) montiert ist und die Einspannstelle des Turms (la) im Fundament abbildet.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung der Einrichtung mittelbar oder unmittelbar mit Sensoren (34, 35, 36) der Anlage vorgesehen ist und dass eine Triggereinrichtung, die Erfassung von Abbildungen initiiert, wenn bestimmte physikalische Zustände der Anlage durch die Sensoren erfasst werden.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine aktive Reinigungseinrichtung (45) für eine oder mehrere Grenzflächen (43, 44) der Abbildungseinrichtung, durch die Abbildungsstrahlen hindurchtreten.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinrichtung (38, 39, 40) wenigstens eine Verschlussvorrichtung (40) aufweist, die verschließbar ist, um wenigstens eine Grenzfläche, durch die Abbildungsstrahlen hindurchtreten, vor Umwelteinflüssen zu schützen, und die zur Erfassung von Abbildungen geöffnet werden kann.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zur Trendanalyse von erfass- ten Parametern aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung (37) zur Selbstüberwachung aufweist, die die erfassten Parameter und/oder Abbildungen auf zu erwartende Abweichungen von vorangegangenen Parametern oder Abbildungen überwacht.
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