DE10065314A1 - Method for condition monitoring of wind turbine rotor blades in which sound and vibration sensors are used to generate signals that can be compared with an existing database of signals so that rapid damage assessment can be made - Google Patents
Method for condition monitoring of wind turbine rotor blades in which sound and vibration sensors are used to generate signals that can be compared with an existing database of signals so that rapid damage assessment can be madeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Wind kraftanlagen mit Hilfe von an und/oder in den Rotorblättern befindlichen Sensoren, wobei die windkraftgetriebenen Rotor blätter über eine Welle mit einem in der Windkraftanlage be findlichen Generator zur Stromerzeugung in Verbindung ste hen. The invention relates to a method and a device to monitor the condition of rotor blades on wind power plants with the help of on and / or in the rotor blades located sensors, the wind-powered rotor leaves over a wave with one in the wind turbine sensitive generator for power generation in connection hen.
Die Rotorblätter sind eine hochbelastete Komponente, deren Ausdehnung in Länge und Breite in den vergangenen Jahren ständig zugenommen hat. Zur Zeit beträgt ihre Länge bis zu 40 m und an den Spitzen treten hohe Geschwindigkeiten auf. Die Rotorblätter müssen Fliehkräften, Windströmungen, Turbu lenzen bei unterschiedlichsten Witterungsbedingungen im Dau erbetrieb standhalten.The rotor blades are a highly stressed component, the Expansion in length and width in recent years has steadily increased. Their length is currently up to 40 m and high speeds occur at the tips. The rotor blades need centrifugal forces, wind currents, turbu limit in a wide range of weather conditions withstand operation.
Für das wirtschaftliche Betreiben einer Windkraftanlage ist eine lange Lebensdauer der Rotorblätter entscheidend. Der zeit wird eine Lebensdauer von ca. 20 Jahren angegeben. Das Problem besteht darin, dass zur Erreichung dieser Lebensdau er häufige regelmäßige Kontrollen vor Ort durch visuelles Betrachten, z. B. von Krananlagen aus, notwendig ist. Repara turen fallen immer erst dann an, wenn der Schaden visuell zu erkennen ist. Zum Teil sind die Reparaturen sehr aufwendig. Damit fällt die Windkraftanlage in ihrer Stromerzeugung wäh rend des Stillstandes aus.For the economical operation of a wind turbine a long lifespan of the rotor blades is crucial. the a lifespan of approx. 20 years is specified. The Problem is that to achieve this lifespan he frequent regular on-site inspections by visual Consider e.g. B. from crane systems, is necessary. repara Do not appear until the damage visually increases is recognizable. Repairs are sometimes very time-consuming. As a result, the wind power plant falls short in its electricity generation at a standstill.
Ein Problem besteht darin, dass Mikrorisse und Materialver änderungen vorzugsweise innerhalb des Rotorblattmaterials, die die mechanischen Eigenschaften und Spannungsverhältnisse schon wesentlich verändern können, bei den visuellen Inspek tionen nicht erfasst werden.One problem is that micro cracks and material ver changes preferably within the rotor blade material, which the mechanical properties and stress relationships can already change significantly in the visual inspec ions are not recorded.
Eine Vorrichtung zur Erfassung von Belastungen der Rotor blätter einer Windkraftanlage ist aus der Druckschrift 198 47 982 A1 bekannt, in der im Wurzelbereich der Rotorblätter mindestens ein Linearelement angebracht ist, das Belastungs spitzen aufgrund von Schwingungen oder sonstigen Überlastun gen des Rotorblattes als ganzes am Rotorblattfuß erfasst, indem die relative Lage zweier Orte, z. B. die Lage eines Ro torblattes in Bezug zur Welle oder die Lage zweier Rotor blätter zueinander durch ein Linearelement und einen dessen Verlagerung erfassenden Positionssensor bestimmt wird. Das Linearelelement erfasst Dehnungen, so dass bestimmte Überlast-Zustände selektiv erfasst werden können.A device for detecting loads on the rotor leaves of a wind turbine is from the publication 198 47 982 A1 known in the root area of the rotor blades at least one linear element is attached, the load peaks due to vibrations or other overload of the rotor blade as a whole is recorded on the rotor blade base, by the relative location of two locations, e.g. B. the location of a ro door leaf in relation to the shaft or the position of two rotors scroll to each other through a linear element and one of its Displacement detecting position sensor is determined. The Linear element detects strains, so certain Overload conditions can be detected selectively.
Das Problem der bekannten Vorrichtung besteht darin, dass die Belastungen des als ganze Einheit betrachteten Rotor blattes mit einer mechanischen Vorrichtung - dem Linearele ment - im Bereich des Rotorblattfußes gemessen werden. Damit kann nur die Feststellung getroffen werden, ob das Rotor blatt im Bereich des Rotorblattfuß geschädigt wurde. Über den inneren Zustand des Rotorblattes kann aber keine Aussage getroffen werden. Es kann auch nicht der Bereich eines feh lerhaften Zustandes im gesamten Rotorblatt, insbesondere eine dort vorhandene Schadstelle eingegrenzt werden, um dort Reparatur-Maßnahmen im und/oder am Material oder im Bereich der Trage- oder Haltekonstruktion für die Erreichung einer längeren Lebensdauer durchführen zu können. Auch können ge nerell punktuelle Schäden am Rotorblatt nicht erkannt wer den, die eine Abschaltung der Anlage erforderlich machen würden.The problem with the known device is that the loads of the rotor considered as a whole unit sheet with a mechanical device - the Linearele ment - be measured in the area of the rotor blade base. In order to only the determination can be made whether the rotor blade in the area of the rotor blade base was damaged. about the inner condition of the rotor blade cannot be said to be hit. It also cannot be the area of a miss learning condition in the entire rotor blade, in particular an existing damage point can be narrowed down to there Repair measures in and / or on the material or in the area the support or support structure for achieving one to be able to carry out a longer service life. Also ge Individual damage to the rotor blade is not recognized those that make it necessary to switch off the system would.
Ein Verfahren zur Bestimmung des technischen Zustandes von Rotorblättern einer Windkraftanlage ist aus der Druckschrift DE 195 34 404 A1 bekannt, in der ein in einem Rechner arbei tendes Modell der Windkraftanlage die theoretischen Werte für Drehzahl und Drehbeschleunigung der Rotorblätter als Zeitfunktion ihres Umlaufes um die Drehachse liefert und dass diese mit den entsprechenden Messwerten der Windkraft anlage im Betrieb verglichen wird. Auch hier geht es um eine Überwachung der Rotorblätter als Ganzes, inwieweit die Bela stungen am Rotorblatt die Auslegungswerte erreicht oder überschreitet. Materialfehler, die während das Betriebs ent stehen, werden nicht berücksichtigt. Es wird von den Aus gangswerten ausgegangen. A procedure for determining the technical condition of Rotor blades of a wind turbine is from the document DE 195 34 404 A1 known, in which one works in a computer model of the wind turbine the theoretical values for speed and rotational acceleration of the rotor blades as Time function of their rotation around the axis of rotation delivers and that this with the corresponding measurements of wind power system in operation is compared. This is also about one Monitoring of the rotor blades as a whole to what extent the Bela the rotor blade reaches the design values or exceeds. Material defects that occur during operation are not taken into account. It is from the out current values.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift DE 42 40 600 C1 im Unterschied zum Verfahren an windkraftgetriebenen, bewegten Rotorblättern ein Verfahren zum Erkennen und Bewerten von Strukturschäden an motor- oder düsenstrahlgetriebenen Flug zeugen, für den Rumpf und den mit ihm verbundenen starren Tragflächen bekannt, bei dem ein Generator für Erregersigna le, nämlich Sinus- oder Rauschsignale, verwendet wird, bei dem Schwingungen messende Sensoren am Flugzeug angebracht sind, bei dem mit den genannten Erregersignalen Schwingungen in der Flugzeugstruktur angeregt und die resultierenden Schwingungen durch die Sensoren gemessen werden, bei dem die genannten Erregersignale und die von den Sensoren gemessenen Signale in digitalisierter Form an einen Prozessor übergeben werden, bei dem im Prozessor Transferfunktionen als Quotient aus Sensorsignalen und Erregersignalen gebildet werden, wo bei die gemessenen Transferfunktionen durch mathematische Funktionen approximiert werden und bei dem eine Modal- Analyse der Sensorsignale der Flugzeugstruktur vorgenommen wird.In addition, from DE 42 40 600 C1 Difference to the process on wind-powered, moving Rotor blades a method for recognizing and evaluating Structural damage to engine or jet-powered flight testify for the hull and the rigid associated with it Wings known in which a generator for excitation signals le, namely sine or noise signals, is used for the vibration measuring sensors attached to the aircraft are vibrations with the excitation signals mentioned excited in the aircraft structure and the resulting Vibrations are measured by the sensors, in which the excitation signals and those measured by the sensors Transfer signals in digitized form to a processor with the transfer functions in the processor as a quotient are formed from sensor signals and excitation signals where for the measured transfer functions by mathematical Functions are approximated and in which a modal Analysis of the sensor signals of the aircraft structure made becomes.
Zur Durchführung des bekannten Verfahrens sollen Gleitsinussignale konstanter Amplitude bzw. Rauschsignale verwendet werden, ein Finite-Elemente-Modell der Flug zeugstruktur aufgestellt werden, mit dem die Schwingungsfor men der Struktur berechnet werden und als Referenz- Schwingungsformen dienen, die aus der Modal-Analyse gewonne nen Schwingungsformen mit den zugehörigen Referenz- Schwingungen verglichen und Abweichungen ermittelt werden, beim neuen Flugzeug bei Abweichungen das Finite-Elemente- Modell angepasst, aber beim gebrauchten Flugzeug aus den Ab weichungen gegenüber dem Finite-Elemente-Modell des Aus gangszustands Strukturschäden lokalisiert werden, die loka lisierten Schäden ins Finite-Elemente-Modell übernommen wer den, die Festigkeit schadensbehafteter Teile mit dem Finite- Elemente-Modell berechnet und als Restfestigkeit des Flug zeugs angesetzt werden.To carry out the known method Sliding sinusoidal signals of constant amplitude or noise signals used a finite element model of flight be set up structure with which the vibration for of the structure can be calculated and used as a reference Serve waveforms that are obtained from the modal analysis waveforms with the associated reference Vibrations are compared and deviations are determined, in the case of deviations, the finite element Model adapted, but from the Ab deviations from the finite element model of Aus structural damage can be localized, the loca Damaged damage is included in the finite element model the, the strength of damaged parts with the finite Element model calculated and as the residual strength of the flight stuff.
Ein Problem besteht darin, dass bei georteten Strukturschä den dem Piloten Belastungskennwerte der Tragflächen bei Kur venflügen, beim Start und bei der Landung oder bei Flugmanö vern vorgegeben werden, bei deren Überschreitung oftmals nicht eine Korrektur oder sofortige Landung ausgeführt wer den kann. Auch werden die Veränderungen, die während das Fluges eintreten, nicht sofort signalisiert, sondern frühe stens erst nach der Landung. Das kann aber dann schon zu spät sein für eine Korrektur des Flugverhaltens.One problem is that when the structural damage is located the pilot load parameters of the wings during a cure flight, at takeoff and landing or during flight maneuvers vern are specified, when they are exceeded often not a correction or immediate landing who carried out that can. Also, the changes that take place during the Flight occur, not signaled immediately, but early only after landing. But that can be too be late for a correction of flight behavior.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Erregung mit den Gleitsinussignalen konstanter Amplitude bzw. Rauschsi gnalen mit flugzeugeigenen hydraulisch oder elektrisch ange triebenen Ruderstellmotoren von den Steuerflächen aus vorge nommen werden soll.Another problem is that the arousal with the sliding sinusoidal signals of constant amplitude or noise gnalen with hydraulically or electrically operated aircraft driven rudder servomotors from the control surfaces should be taken.
Als Sensoren für die Signalgewinnung werden Beschleunigungs messer oder Dehnungsmessstreifen verwendet. Die Sensoren können sowohl in die Tragflächen als auch in den Flugzeug rumpf eingebaut sein. Die den Strukturschäden zugehörigen Abweichungen werden beim Vergleich der Eigenschwingungsfor men mit den Referenzschwingungsformen aus unterschiedlichen Amplitudenhöhen ermittelt.Accelerators are used as sensors for signal acquisition knife or strain gauge. The sensors can be used both in the wings and on the plane be installed in the fuselage. The associated with the structural damage Deviations are compared when comparing the natural vibration with the reference waveforms from different Amplitude heights determined.
Ein Problem besteht auch darin, dass mit der verwendeten Mo dal-Analyse keine kontinuierliche Überwachung durchgeführt werden kann, da die Testverfahren nur am Boden und dort am stillstehenden Flugzeug vor und nach dem Flug durchgeführt werden.Another problem is that with the Mo dal analysis no continuous monitoring performed can be, since the test procedure only on the ground and there on stationary aircraft performed before and after the flight become.
In einer anderen Druckschrift DE 43 18 016 A1 ist ein Ver fahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen und Reduzieren von auf Rümpfen von Flugzeugen und Helicoptern während des Flu ges einwirkenden Erschütterungen bekannt, bei der an bestimmten Stellen krafterzeugende Betätigervorrichtungen an gebracht sind, um am Flugkörper auftretende Schäden verursa chenden Vibrationen derart entgegenzuwirken, dass die schä digenden Vibrationen abgeschwächt werden. Die Betätigervor richtung besteht aus einer Vielzahl von Betätigern eines ak tiven Vibrationssteuersystems.In another publication DE 43 18 016 A1 a Ver drive and a device for determining and reducing on fuselages of aircraft and helicopters during the flu known vibrations, in the case of certain Engage force generating actuators brought to cause damage to the missile counteracting vibrations in such a way that the vibrations are weakened. The actuators direction consists of a large number of actuators of an ak tive vibration control system.
Das Verfahren ist für die Windkraftanlagen nicht geeignet, da die Windkraftanlage auslegungsseitig schwingungs- und er schütterungsfrei laufen muss, sonst sind das Abfahren der Windkraftanlage und grundsätzliche Änderungen an der Anlage erforderlich, bis die Schwingungen und Erschütterungen abge stellt sind.The process is not suitable for wind turbines, because the wind turbine on the design side vibration and he must run without vibrations, otherwise the Wind turbine and fundamental changes to the system required until the vibrations and shocks abge represents are.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotor blättern an Windkraftanlagen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass auftretende Schadstellen an der Ober fläche und innerhalb des Körpermaterials von Rotorblättern bereits im Moment ihrer Entstehung während des durch äußere Einflüsse - insbesondere Wind - belasteten Bewe gens/Rotierens sowie durch Materialveränderungen und - alterungen signaltechnisch erkannt, bewertet und zumindest durch ergänzende Einheiten angezeigt werden und direkt Ein fluß auf den Anlagenbetrieb - bis hin zu Abschaltung ge nommen wird.The invention has for its object a method and a device for monitoring the condition of the rotor scroll to specify wind turbines that are suitable is formed that occurring damage on the upper area and within the body material of rotor blades already at the moment of their formation during the by external Influences - especially wind - affect movement gens / rotating as well as through material changes and - Aging signaling recognized, evaluated and at least indicated by additional units and directly on flow to the plant operation - up to ge shutdown is taken.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Das Verfahren zur Überwachung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 basiert auf der Anwendung von Eigen frequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- und - Reflexionsverhalten, wobei Resonanz- und Eigenfrequenzen, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren nach Sendung von Erregersignalen oder aus einer Eigenerregung bei Anlagenbe trieb sowie Betriebseigengeräusche gemessen werden, wobei die empfangenen und die daraus durch Transformation gewonne nen Signal-Spektren hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden aber auch hinsichtlich von Gesamt heiten bewertet werden, wobei auf der Grundlage von Modell rechnungen und durch akustische Messungen von unbeschädigten und von geschädigten Rotorblättern bestimmte Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden erhalten werden, die diesen Zuständen zugeordnet werden, wobei Spek trenbibliotheken auf Massendatenspeicher aus den Spektren mit der Zuordnung von Schadenszustand und Schadenslokalisa tion und weiteren Informationen aufgebaut werden, wobei die empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden mit den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren verglichen und die dazu korrespondieren den Zustände ermittelt werden, die bei Abweichungen vom Nor malzustand bestimmten Schadzuständen und bestimmten Schad stellen im Material der Rotorblätter zugeordnet werden.The object is achieved by the features of patent claim 1 solved. The method of monitoring according to the generic term of claim 1 is based on the application of Eigen frequencies and structure-borne noise as well as Reflection behavior, whereby resonance and natural frequencies, Pass-through and reflection signal spectra after transmission of Excitation signals or from self-excitation at system loading drive as well as company noise are measured, whereby the received ones and those gained through transformation NEN signal spectra with respect to their individual special Frequency and amplitudes also in terms of total units are assessed, based on model calculations and acoustic measurements of undamaged and frequency and determined by damaged rotor blades Amplitude spectra and / or spectral shapes / bands obtained which are assigned to these states, spec Center libraries on mass data storage from the spectra with the assignment of damage status and damage location tion and other information are built up, the received actual frequency and amplitude spectra and / or Actual spectra shapes / bands with those in the spectra library stored spectra compared and correspond to it the conditions are determined, which deviate from Nor painting state certain damage states and certain damage places in the material of the rotor blades.
Nach der Übertragung von der rotierenden Welle werden die Messsignale in einer Auswerte-Einheit analysiert, indem aus dem empfangenen Eigen-Signalspektrum oder aus den in Korre lation mit den über die Aktoren eingespeisten Signalen mit den Sensoren empfangenen Spektren die relevanten Frequenzen und Amplituden des Zeitspektrums oder eines transformierten, vorzugsweise fouriertransformierten, Spektrums herausgefil tert werden, die signifikant für die Zustandsbewertung sind.After the transmission from the rotating shaft, the Measuring signals in an evaluation unit analyzed by from the received own signal spectrum or from the corrected tion with the signals fed in via the actuators the relevant frequencies received by the sensors and amplitudes of the time spectrum or a transformed, preferably Fourier-transformed spectrum that are significant for the condition assessment.
Die Mess- und Erregersignale von und zu den Rotorblättern werden über eine Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit von der Welle zum Stator und umgekehrt geführt, und dabei eine Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) sowie eine Signalübertragungs- Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) verwendet werden. The measurement and excitation signals from and to the rotor blades are via a signal / auxiliary power transmission unit led from the shaft to the stator and vice versa, and thereby a signal transmission preprocessing unit (encoder and Transmitter) and a signal transmission Post-processing unit (receiver and decoder) used become.
Aus dem jeweiligen Vergleich zwischen den empfangenen Ist- Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Ist- Spektrenformen/-Banden und den in der Spektrenbibliothek ab gelegten Spektren können kurzfristige sowie mittel- und langfristige Maßnahmen zum Betrieb der Windkraftanlage und zur Reparatur und Wartung der Rotorblätter abgeleitet wer den.From the respective comparison between the received actual Frequency and amplitude spectra and / or actual Spectra shapes / bands and in the spectra library spectra can be short-term as well as medium and long-term measures for the operation of the wind turbine and for repair and maintenance of the rotor blades the.
An den Leitrechner können die Zustands-Informationen über eine Informationsschnittstelle, vorzugweise ein serielles Interface, übermittelt werden, in dem automatisch der Anla genbetrieb bis hin zur Schnellabschaltung beeinflusst wird und der Anlagenüberwachung Maßnahmen zur Reaktionsweise auf Schadzustände und Informationen zur Einleitung von dring lichkeitsabhängigen Maßnahmen mitgeteilt werden.The status information can be sent to the host computer an information interface, preferably a serial one Interface, in which automatically the Anla operation up to rapid shutdown is influenced and the plant monitoring measures to react Damages and information to initiate dring measures that are dependent on
Die Zustands-Überwachung der Rotorblätter kann auch während und nach der Produktion sowie nach dem Tansport und während der Montage im Bereich der Windkraftanlage durchgeführt wer den.The condition monitoring of the rotor blades can also be done during and after production and after transport and during assembly in the area of the wind turbine the.
Im Folgenden wird das Verfahren erläutert.The procedure is explained below.
Der Messzyklus wird in einem Modul zur Messprozesssteuerung ausgelöst und kann mit der Ausgabe eines Erregersignals an den Aktor über die Erregersignal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit beginnen, wobei gleichzeitig das Tor der programmierbaren Empfangseinheit für den vorgegebenen Mess zeitraum geöffnet und ein Messsignal vom Sensor empfangen sowie als zeitbezogenes Frequenz-Amplituden-Signal digital im Hauptspeicher der zentralen Recheneinheit in einer vorge gebenen Auflösung abgelegt wird.The measuring cycle is in a module for measuring process control triggered and can with the output of an excitation signal the actuator via the excitation signal / auxiliary energy Start transmission unit, at the same time the gate of the programmable receiver unit for the given measurement period open and a measurement signal received by the sensor and digitally as a time-related frequency-amplitude signal in the main memory of the central processing unit in a pre given resolution is filed.
Das Modul zur Messprozesssteuerung, das für die Bildung der Erregersignale und Empfangssignale zuständig ist, gehört zu einem umfassenden Softwareprogramm-Modul für die Abarbeitung eines Algorithmus, das sich vorzugsweise in der zentralen Recheneinheit befindet.The module for measuring process control, which is used for the formation of the Excitation signals and receive signals is responsible for a comprehensive software program module for processing an algorithm, which is preferably in the central Computing unit is located.
Das Softwareprogramm-Modul zur Abarbeitung eines Algorithmus
enthält vorzugsweise folgende Module:
The software program module for processing an algorithm preferably contains the following modules:
- - Ein Modul zur Messprozesssteuerung,- A module for measuring process control,
- - ein Modul zur Messsignalaufbereitung,- a module for measuring signal processing,
- - ein Vergleichsmodul,- a comparison module,
- - ein Modul zur Feststellung des Normalzustandes,- a module for determining the normal state,
- - ein Weiterbetriebsentscheidungs-Modul,- a continuation decision module,
- - ein Modul zur Feststellung eines gestörten Zustandes,- a module for determining a faulty condition,
- - ein Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenände rung, wobei das Modul zur Feststellung eines gestörten Zu standes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs- Modul in Verbindung stehen kann.- a signaling module for an operating mode tion, the module for determining a faulty access optional with the continuation decision Module can communicate.
In dem Softwareprogramm-Modul 49 wird aus dem in der Einheit gebildeten Messsignal-Vektor in einem Modul zur Messsignal aufbereitung, z. B. mittels anschließender schneller Fourier transformation, ein Frequenz-Amplituden-Spektrum erzeugt, wobei das Frequenz-Amplituden-Spektrum die für das Rotor blatt typischen gemessenen Eigenfrequenzen als ein Spektrum in einem typischen normierten Frequenzbereich besitzt, oder ein spezielles typisches Laufzeitspektrum entsteht, wobei dann durch einen Mustervergleich mit den auf Massendaten speicher abgelegten normierten Spektren aus Messungen und/oder Modellrechnungen in einem Vergleichsmodul ein kor respondierender Zustand ermittelt wird, wobei die Wetterda ten, z. B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Meterologie-Modul und die Anlagenbe triebsdaten, z. B. Drehzahl und Leistung, aus einem Anlagen betriebsdaten-Modul als Parameter berücksichtigt werden. In the software program module 49 , the measurement signal vector formed in the unit is used in a module for processing the measurement signal, e.g. B. by means of subsequent fast Fourier transformation, a frequency-amplitude spectrum is generated, the frequency-amplitude spectrum having the measured natural frequencies typical for the rotor blade as a spectrum in a typical normalized frequency range, or a special typical time-of-flight spectrum, in which case by means of a pattern comparison with the standardized spectra stored on mass data from measurements and / or model calculations in a comparison module, a cor responding state is determined, the weather data, e.g. B. wind speed, wind direction, air temperature, humidity, from a meterology module and the system operating data, z. B. speed and power from a plant operating data module are taken into account as parameters.
Nach einem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines Nor malzustands wird dem Windkraftanlagen-Leitrechner ein ent sprechendes Statussignal aus dem Weiterbetriebsentschei dungs-Modul übermittelt und der Weiterbetrieb der Windkraft anlage aufrecht erhalten bleiben.After a comparison with the result of receiving a Nor the wind turbine master computer is speaking status signal from the decision to continue operating transmission module and the continued operation of wind power system is maintained.
Nach dem Vergleich mit dem Ergebnis des Erhalts eines ge störten Zustands wird Einfluss auf den Maschinenbetrieb ge nommen, indem über das Interface zum Windkraftanlagen- Leitrechner ein entsprechendes Informationspaket in Form von Statussignalen des Rotorblattzustandes, von Signalen zur Schadstellenlokalisierung und zur Schadenzustandsbeschrei bung aus dem Statusdaten-Modul übertragen wird, der zu einer automatischen oder einer durch einen Dispatcher zu bestäti genden Änderung der Betriebsweise der Windkraftanlage gemäß einem Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung führt.After comparison with the result of obtaining a ge faulty state will affect machine operation by using the interface to the wind turbine Host computer a corresponding information package in the form of Status signals of the rotor blade condition, from signals to Localization of damage points and description of damage status exercise is transferred from the status data module to a automatic or one to be confirmed by a dispatcher changes in the operating mode of the wind turbine in accordance with a signaling module for a change in operating mode leads.
Aus einer Zuordnungstabelle zum Spektrum können aus dem Mas sespeicher die betreffenden Informationen als Signale zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwen digen Wartung und/oder Reparatur ausgelesen und ebenfalls an den Leitrechner zur Weitermeldung übermittelt werden.From an assignment table to the spectrum, Mas stores the relevant information as signals for Localization and damage description as well as necessary maintenance and / or repair read out and also on the host computer for further transmission.
Nach der Entscheidung, dass der Schaden beim Spektrenver gleich als nicht erheblich detektiert wird, kann aus der Zu ordnungstabelle zum Spektrum vom Massespeicher die Informa tionen zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und Reparatur aus dem Modul ausgele sen und an den Leitrechner übermittelt werden, um dort auch nach akustischer Signalisation in Form einer Tabelle und/oder in Form einer grafischen Darstellung eine Hand lungsanleitung zu geben. After deciding that the damage to the spectra ver is not immediately detected as significant, can from the Zu order table for the spectrum of mass storage the informa localization and damage description as well as for the necessary maintenance and repair from the module sen and transmitted to the host computer, there too after acoustic signaling in the form of a table and / or a hand in the form of a graphic representation to give instructions.
Die aus den Eigenfrequenzspektren, Durchlauf- und Refle xions-Signalspektren auf Sendesignale sowie Betriebseigenge räuschen empfangenen und die daraus durch Transformation er haltenen Signal-Spektren können sowohl hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden als auch hin sichtlich von Gesamtheiten wie Frequenzbanden und Frequenz- Amplitudengruppen bewertet werden.The from the natural frequency spectra, continuous and reflect xions signal spectra on transmit signals as well as operational inheritance received noise and the resulting from it held signal spectra can both in terms of their individual special frequency and amplitudes as well visually of totalities such as frequency bands and frequency Amplitude groups are evaluated.
Auf der Grundlage von vor der Montage durch Modellrechnungen und durch experimentellen Untersuchungen an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern bestimmten Frequenz- und Am plituden-Spektren bzw. Spektrenformen/-Banden, die eindeutig bestimmten Rotorblattzuständen, den schadfreien und den be stimmten Schäden zuzuordnenden Zuständen, zugeordnet werden können, können mit den empfangenen Ist-Frequenz- und Ist- Amplituden-Spektren sowie Ist-Spektrenformen/-Banden vergli chen werden.Based on pre-assembly through model calculations and through experimental studies on undamaged and damaged rotor blades certain frequency and Am plititude spectra or spectra shapes / bands that are unique certain rotor blade conditions, the damage-free and the be agreed damage-attributable states can, with the received actual frequency and actual Compare amplitude spectra and actual spectra shapes / bands will be.
Bei Abweichungen wird zumindest eine Anzeige erhalten, ob die Abweichung einem Schadzustand zugeordnet werden kann, der Anlass gibt, Einfluss auf den Betrieb der Windkraftanla ge, bis hin zur Schnellabschaltung, zu nehmen.In the event of deviations, at least an indication is given as to whether the deviation can be assigned to a damage condition, the reason gives an influence on the operation of the wind turbine ge, up to the rapid shutdown.
Eine dem Verfahren zugehörige Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von Rotorblättern an Windkraftanlagen kann mindestens einen Schall-/Schwingungsempfänger (Sensor) und wahlweise mindestens einen Erreger (Aktor) enthalten, die an relevanten, schallsignalgeeigneten Stellen eingebettet oder an der Oberfläche der Rotorblätter angebracht sind.A monitoring device belonging to the method the condition of rotor blades on wind turbines at least one sound / vibration receiver (sensor) and optionally contain at least one exciter (actuator), the relevant, sound signal suitable locations embedded or are attached to the surface of the rotor blades.
Die Sensoren und Aktoren können wahlweise vom Rotorblattfuß ausgehende festinstallierte Signalleitungen und wahlweise Betriebsenergieversorgungsleitungen aufweisen. The sensors and actuators can optionally be from the rotor blade base outgoing permanently installed signal lines and optionally Have operating power supply lines.
Bei fest im oder auf dem Rotorblatt eingebetteten Leitungen sind darin die Signale zu den Aktoren und von den Sensoren vom und zum Rotorblattfuß an jeweils einem Rotorblatt über tragbar, wobei die Signal-Übertragung von der rotierenden Welle zum Stator in der Gondel der Windkraftanlage insbeson dere mit einer analogen oder digitalen Messsignal- Übertragungseinrichtung vorzugsweise auf Basis von Magnet- Wechselfeldern, Funkwellen- oder Lichtsignal-Übertragungs strecken erfolgt.With cables permanently embedded in or on the rotor blade are the signals to the actuators and from the sensors from and to the rotor blade base on one rotor blade each portable, the signal transmission from the rotating Shaft to the stator in the wind turbine nacelle in particular with an analog or digital measurement signal Transmission device preferably based on magnetic Alternating fields, radio wave or light signal transmission stretch is done.
Der Übertragungseinheit sind Signalvor- bzw. Signalnachver arbeitungseinheiten, insbesondere Sender mit Encoder und Empfänger mit Decoder vorgeschaltet.The transmission unit are signal pre- or signal postver work units, especially transmitters with encoders and Upstream receiver with decoder.
Zu der Auswerte-Einheit gehört ein dafür konfiguriertes und programmiertes Computersystem, das mittels einer zugehörigen Betriebssystem- sowie Mess- und Auswertesoftware wahlweise Erregersignale erzeugt und zu den Aktoren sendet sowie Si gnale der Sensoren auswertet und durch Vergleich zwischen den gemessenen Spektren und den Spektren aus Spektrenbi bliotheken, die vorzugsweise auf Massespeicher abgelegt sind, zuzuordnenden Rotorblatt-Zustände sowie zugehörige Statussignale, Schadensinformationen und Betreiberhinweise ableitet, wobei Klima-Daten, die über die über eine Einheit zur Übernahme von Klimadaten abrufbar sind sowie Anlagenbe triebsdaten, wie Drehzahl und Leistung, die über die Schnittstelle zur Verfügung stehen, wahlweise berücksichtigt werden.A configured and belongs to the evaluation unit programmed computer system using an associated Operating system as well as measurement and evaluation software optionally Excitation signals generated and sent to the actuators and Si gnale of the sensors evaluated and by comparison between the measured spectra and the spectra from spectra bi libraries, which are preferably stored in mass storage are assigned rotor blade states and associated Status signals, damage information and operator information derives, taking climate data that over about a unit are available for the transfer of climate data as well as plant drive data, such as speed and power, over the Interface are available, optionally taken into account become.
Die gebildeten Statussignale der Rotorblätter und die zuge hörigen Informationen können über die Schnittstelle zum Leitrechner der Windkraftanlage übermittelt werden und dort der bestehenden Überwachung aufgeschaltet und zur Überwa chung abgerufen werden, wobei dort der Status der Rotorblät ter angezeigt und, falls Schadzustände auftreten, die Schadstellen am Rotorblatt und/oder innerhalb der Rotorblätter in Form von Text, Tabellen oder Grafiken angezeigt und wahlwei se zugeordnete sicherheitsbezogene Handlungsanweisungen und Regelungen automatisch eingeleitet oder der Bedienung zur Ausführung vorgeschlagen werden, sowie, mittel- oder langfri stige Wartungs- oder Reparatur-Maßnahmen angezeigt werden und deren Ausführung kontrolliert wird.The generated status signals of the rotor blades and the Information can be heard via the interface to Master computer of the wind turbine are transmitted and there the existing surveillance activated and for monitoring be retrieved, where the status of the rotor blade displayed and, if damage occurs, the damaged areas on the rotor blade and / or within the rotor blades in Form of text, tables or graphics displayed and optionally assigned safety-related instructions and Regulations initiated automatically or for operation Execution are proposed, as well as, medium or long term ongoing maintenance or repair measures are displayed and their execution is controlled.
Der erste Schall-/Impulssender und der erste Schall- /Schwingungsempfänger können ein erstes Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Längssignal-Zusammenspiel bilden, während der zweite Schall-/Impulssender und der zweite Schall- /Schwingunsempfänger ein zweites Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Quersignal-Zusammenspiel darstellen können.The first sound / pulse transmitter and the first sound / Vibration receivers can have a first pair of actuators / sensors form for a wing-longitudinal signal interaction, during the second sound / pulse transmitter and the second sound / Vibration receiver a second pair of actuators / sensors for one Wing-cross signal interaction can represent.
Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit ist mit der Auswerte-Einheit verbunden, die darüber an die rotierende Welle/Rotorblätter Aktorsignale ausgibt und Sensorsignale empfängt.The signal / auxiliary power transmission unit is with the Evaluation unit connected to the rotating one above it Shaft / rotor blades outputs actuator signals and sensor signals receives.
Die Auswerte-Einheit besteht im Wesentlichen aus der zentra len Recheneinheit, aus einem Speicher, vorzugsweise einem MOS-Speicher, aus einer Bedieneinheit mit einem angeschlos senen Videoterminal, mit einer angeschlossenen Tastatur und mit einem angeschlossenen Drucker, aus einer Wechselplatte, einer Floppy-Disk und einem CD-ROM-Laufwerk, aus einem 6- kanaligen programmierbaren Schall-/Impulsgenerator sowie aus einem 6-kanaligen programmierbaren Messignallempfänger be steht, die über einen Bus der zentralen Recheneinheit mit einander verbunden sind, wobei am Bus vorzugsweise eine Ein heit zur Übernahme von Klima-Daten, insbesondere von Wind stärke und Temperatur sowie vorzugsweise eine Schnittstelle (serielles Interface), mit der eine Kommunikations-Verbin dung zum übergeordneten Leitrechner der Windkraftanlage her stellbar ist, angeschlossen sind. The evaluation unit essentially consists of the zentra len computing unit, from a memory, preferably one MOS memory, from one control unit with one connected video terminal, with a connected keyboard and with a connected printer, from a removable disk, a floppy disk and a CD-ROM drive, consisting of a 6 channel programmable sound / pulse generator as well a 6-channel programmable measurement signal receiver stands with the central processing unit via a bus are connected to each other, preferably on the bus unit for the acquisition of climate data, especially wind strength and temperature and preferably an interface (serial interface) with which a communication link to the higher-level control computer of the wind turbine is adjustable, are connected.
Der programmierbare Schall-/Impulsgenerator steht über die Signalleitungen mit der Erregersignal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit und der programmierbare Messsignallemp fänger über die Messsignalleitungen mit der Messsignal- /Hilfsenergie-Übertragungseinheit in Verbindung.The programmable sound / pulse generator is above the Signal lines with the excitation signal / auxiliary energy Transmission unit and the programmable measuring signal temp catcher over the measurement signal lines with the measurement signal / Auxiliary power transmission unit in connection.
Auf einem Massendatenspeicher, wie es die Festplatte oder die CD-ROM sind, können digitalisierte Vergleichsspektren für die Rotorblätter für verschiedene normale Betriebszu stände sowie für Störungs- und Schadenszustände abgelegt sein, die aus Messungen an normalen und defekten Rotorblät tern sowie aus Modellrechnungen vorzugsweise mit der FEM- Methode erhalten werden.On a mass storage device like the hard drive or the CD-ROM can be digitized comparison spectra for the rotor blades for various normal operations as well as for malfunctions and damage be from measurements on normal and defective rotor blades ters and from model calculations, preferably with the FEM Method can be obtained.
Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Sende-/Empfangseinrichtung in Rich tung zu den Aktoren des Blattflügels sowie aus einer Emp fangs-/Sendeeinrichtung aus der Richtung der Sensoren des Blattflügels, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung und die Empfangs-/Sendeeinrichtung das signaltechnische Zusammen spiel im Bereich zwischen Rotor und Stator betreffen, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung eine Erregersignal- /Hilfsenergie-Übertragungseinheit und die Empfangs- /Sendeeinrichtung eine Messsignal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit darstellen, die vorzugsweise eine Zwei teilung bezüglich der Anordnung auf/am Rotor und Stator auf weisen.The signal / auxiliary power transmission device consists in Essentially from a transmission / reception facility in Rich to the actuators of the leaf wing and from an emp catching / transmitting device from the direction of the sensors of the Leaf wing, the transmitter / receiver and the Receiving / transmitting device the signaling together play in the area between the rotor and stator, where the transmitting / receiving device an excitation signal / Auxiliary energy transmission unit and the receiving / Sending device a measurement signal / auxiliary energy Represent transmission unit, which is preferably a two division with regard to the arrangement on / on the rotor and stator point.
Die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit steht mit einer Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (En coder und Sender) auf einem Statorteil und eine Signalüber tragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) auf einem Rotorteil mit den Aktorsignalleitungen des Rotorblatts und den Aktorsignalausgangs-Leitungen, die zur Aus werte-Einheit gehören, in Verbindung.The excitation signal / auxiliary power transmission unit is standing with a signal transmission preprocessing unit (En coder and transmitter) on a stator part and a signal post-processing unit (receiver and decoder) on a rotor part with the actuator signal lines of the rotor blade and the actuator signal output lines leading to the off unit values belong in connection.
Die Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit steht mit einer Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) auf einem Rotorteil und eine Signalübertragungs- Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) auf dem Statorteil mit den Sensor-Messsignalleitungen des Rotorblat tes und den Messsignaleingangs-Leitungen, die zur Auswerte- Einheit führen, in Verbindung.The measuring signal / auxiliary power transmission unit is included a signal transmission preprocessing unit (encoder and transmitter) on a rotor part and a signal transmission Postprocessing unit (receiver and decoder) on the Stator part with the sensor measuring signal lines of the rotor blade tes and the measurement signal input lines, which are used for evaluation Lead unit, in connection.
Das angegebene Verfahren beruht auf festkörpermechanischen Erkenntnissen, nach denen jeder Körper entsprechend seiner Ausformung und der spezifischen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich aller im betrachteten räumlich ausgedehnten Körper möglichen Eigenschwingungen mit ihren Oberwellen be sitzt. Diese Eigenschwingungen ergeben für einen solchen Körper ein ganzes Spektrum von Frequenzen, die typisch für den gesamten Körper sind. Verändert sich der Körper durch innere und/oder äußere Schäden und Risse, so verändert sich das Spektrum. Gewisse Schwingungsformen treten nicht mehr oder in veränderter Form auf.The specified method is based on solid mechanics Findings according to which every body according to its Forming and the specific mechanical properties with regard to all spatially extended Body possible natural vibrations with their harmonics sitting. These natural vibrations result for one Body a full spectrum of frequencies typical of the whole body. The body changes through internal and / or external damage and cracks, so changes the spectrum. Certain forms of vibration no longer occur or in a modified form.
Genauso ändern sich die Schwingungsformen, wenn die Mate rialeigenschaften, wie z. B. der Elastizitäts-Modul, sich in folge Alterung oder Verwitterung ändern. Hierbei kommt es zu einer Verschiebung der typischen Frequenzen.Similarly, the waveforms change when the mate riale properties such. B. the elasticity module, in change as a result of aging or weathering. This is what happens a shift in typical frequencies.
Schließlich werden akustische Signale, die nicht den Eigen frequenzen entsprechen, die durch den Körper geschickt wer den, im Körper beim Durchlaufen entsprechend der Materialei genschaften mehr oder weniger abgeschwächt und an im Körper vorhandenen Unstetigkeiten und an den Körperoberflächen re flektiert. Bilden sich neue Unstetigkeiten oder verändern sich die Materialeigenschaften, so ist das an den Refle xionssignal-Spektren erkennbar, indem neue Reflexions-Peaks auftreten oder sich die Amplituden der Reflexionssignale verändern.Eventually there will be acoustic signals that are not your own correspond to frequencies that are sent through the body that, in the body when passing through according to the material properties more or less weakened and on in the body existing discontinuities and right on the body surfaces inflected. Form new discontinuities or change the material properties, this is the Refle xion signal spectra recognizable by new reflection peaks occur or the amplitudes of the reflection signals change.
Diese beiden akustischen Verfahren sind nicht gleichbedeu tend mit dem Verfahren der Modalanalyse, wo es um die Fest stellung der zu den Eigenfrequenzen gehörenden Verformungen des Körpers geht.These two acoustic methods are not the same thing tends with the method of modal analysis, when it comes to the hard position of the deformations belonging to the natural frequencies of the body.
Die oben genannten akustischen Eigenschaften eines ausge dehnten Körpers können einmal durch geeignete akustische Messungen experimentell oder aber rechnerisch über eine Mo dellrechnung, z. B. mit dem Finite-Element-Modell (FEM), be stimmt werden.The above acoustic properties of a stretched body can once by appropriate acoustic Measurements experimentally or arithmetically over a mo dell invoice, e.g. B. with the finite element model (FEM), be be true.
Die Messungen können an unbeschädigten und beschädigten Ro torblättern durchgeführt werden, wobei eine Zuordnung des Schadenszustands zum Spektrum möglich wird. Bei den Berech nungen können Schadenszustände, wie mechanische Schäden und- Risse oder Materialveränderungen simuliert und die Spektren den Schadenszuständen zugeordnet werden. Auch können aus der FEM-Nachrechnung gemessener Spektren das Modell und die ver wendeten Modellparameter und Materialeigenschaften abgegli chen werden.The measurements can be taken on undamaged and damaged Ro door leaves are performed, an assignment of the Damage to the spectrum becomes possible. When calc Damage conditions, such as mechanical damage and Cracks or material changes are simulated and the spectra be assigned to the damage conditions. Also can from the FEM recalculation of measured spectra, the model and the ver applied model parameters and material properties will be.
Damit kann eine Datenbasis für die Bewertung von im Betrieb gemessenen Spektren und den zugehörigen Zuständen geschaffen werden.This enables a database for the evaluation of in operation measured spectra and the associated states created become.
In den Rotorblättern von Windkraftanlagen befinden sich min destens ein Schall-/Schwingungsempfänger und wahlweise min destens ein Schall-/Schwingungsgeber. Diese Sensoren/Aktoren sind an relevanten, schallsignalgeeigneten Stellen eingebet tet oder an der Oberfläche angebracht, die vorzugsweise vom Rotorblattfuß ausgehende festinstallierte Signalleitungen und ggf. Betriebsenergieversorgungsleitungen aufweisen. Bei fest im oder auf dem Rotorblatt eingebetteten Leitungen wer den darin die Signale zu und von den Sensoren vom und zum Rotorblattfuß übertragen. Die Signal-Übertragung vom rotierenden Rotorblatt/Welle zum feststehenden Teil der Wind kraftanlage erfolgt mit einer geeigneten analogen oder digi talen Messsignal-Übertragungseinrichtung vorzugsweise auf Basis von elektrischen oder magnetischen-Wechselfeldern, e lektromagnetischen Feldern im Bereich von Funkwellen oder Lichtsignal-Übertragungsstrecken.In the rotor blades of wind turbines there are min at least a sound / vibration receiver and optionally min at least a sound / vibration sensor. These sensors / actuators are embedded in relevant locations suitable for sound signals tet or attached to the surface, preferably from Rotor blade foot outgoing permanently installed signal lines and possibly have operating power supply lines. at Lines embedded in or on the rotor blade which the signals to and from the sensors from and to Transfer rotor blade base. The signal transmission from the rotating Rotor blade / shaft to the fixed part of the wind Power plant is made with a suitable analog or digi tal measurement signal transmission device preferably on Basis of alternating electrical or magnetic fields, e electromagnetic fields in the range of radio waves or Optical signal transmission paths.
Vorgeschaltet dieser Übertragungseinheit ist vorzugsweise eine Signalvorverarbeitungseinheit. Nach der Übertragung von der rotierenden Welle werden die Messsignale in einer Aus werte-Einheit analysiert, indem aus den empfangenen Messsi gnalen oder aus den in Korrelation mit den über die Erreger eingespeisten Signalen empfangenen Signalantworten seitens der Messignallempfänger die relevanten Frequenzen und Ampli tuden des Zeitspektrums oder eines transformierten - z. B. fouriertransformierten - Spektrums herausfiltert, die signi fikant für die Zustandsbewertung des Rotorblatts sind.This transmission unit is preferably connected upstream a signal preprocessing unit. After the transfer of of the rotating shaft, the measurement signals are switched off unit values analyzed by taking the received measurement si gnalen or from in correlation with those about the pathogen received signals received signal responses on the part of the measurement signal receiver the relevant frequencies and ampli tuden of the time spectrum or a transformed - z. B. fourier-transformed spectrum filtered out, the signi are fictional for the condition assessment of the rotor blade.
Im Unterschied zur Modalanalyse, die die Schwingungsformen z. B. auf den Tragflächen und am Rumpf eines Flugzeuges ana lysiert, und zur Methode der Transferfunktionen werden hier bei die akustischen Spektren des Systems sowie die Messung und die Auswertung der Eigenfrequenzen, Eigengeräusche, Laufsignal- oder Reflexionseffekte berücksichtigt.In contrast to the modal analysis, which the waveforms z. B. on the wings and fuselage of an aircraft lysed, and the method of transfer functions are here in the acoustic spectra of the system as well as the measurement and the evaluation of the natural frequencies, natural noises, Running signal or reflection effects are taken into account.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass nur mit selbst- und fremdangeregten Schwingungen und Impulsen für diagnostische Zwecke, deren Amplituden nicht in den Bereich allgemeiner Baulementeschwingungen reichen, der Rotorblatt zustand überwacht wird.The method according to the invention is based on the fact that only with self and externally excited vibrations and impulses for diagnostic purposes whose amplitudes are not in the range general component vibrations are sufficient, the rotor blade condition is monitored.
Zweckmäßig ist es, dass die Rotorblätter von Windkraftanla gen zumindest im Bereich der Rotorblattfüße ver dreht/verstellt werden können, bzw. bei den stallgeregelten aerodynamische Bremsen aktiviert werden, damit die Windkräf te nicht mehr einwirken können und somit die Rotation auf ein Umdrehungszahlminimum verringert oder sogar beendet wer den kann, was eigentlich die Abschaltung oder das Abfahren der Windkraftanlage bedeutet.It is useful that the rotor blades of wind turbines conditions at least in the area of the rotor blade feet rotates / can be adjusted, or with the stall-regulated aerodynamic brakes are activated so the wind force te can no longer act and thus the rotation on a minimum number of revolutions is reduced or even ended what can actually shutdown or shutdown the wind turbine means.
Weiterbildungen und zusätzliche Ausgestaltungen der Erfin dung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.Training and additional refinements by Erfin tion are described in further subclaims.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.The invention is based on an exemplary embodiment several drawings explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Wind kraftanlage mit drei Rotorblättern in Zentralsymme trie, Fig. 1 is a schematic representation of a known wind turbine with three rotor blades in Zentralsymme trie,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Rotorblattes mit Aktoren/Sensoren, die an elektrische Signal- und Hilfsenergie-Leitungen angeschlossen sind, Fig. 2 is a schematic representation of a rotor blade with actuators / sensors which are connected to electrical signal and power supply lines,
Fig. 3 eine Sicht in Hauptwellenachsenrichtung auf den Sta tor der Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit mit Querschnitt der Hauptwelle der Windkraftanlage, Fig. 3 is a view in the main shaft axis towards the Sta tor the signal / power supply transfer unit with a cross section of the main shaft of the wind turbine,
Fig. 4 ein schematisches Detail der Signal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit auf der Hauptwelle der Wind kraftanlage, Fig. 4 is a schematic detail of the signal / auxiliary power turbine transmission unit on the main shaft of the wind,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht mit einer Übertra ger-Wicklung auf dem Rotoraufsatz der Signal- /Hilfsenergie-Übertragungseinheit, Fig. 5 is a schematic side view with a Übertra ger-winding on the rotor attachment of signal / power supply transfer unit,
Fig. 6 ein Blockschaltbild der Signal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit für Messsignale, Fig. 6 is a block diagram of the signal / auxiliary power transmission unit for measuring signals,
Fig. 7 ein Blockschaltbild der Signal-/Hilfsenergie-Übertra gungseinheit für Aktorsignale, Fig. 7 is a block diagram of the signal / auxiliary power-supply unit for Übertra actuator signals,
Fig. 8 ein Blockschaltbild der Auswerte-Einheit zur Steue rung des Messprozesses, zur Auswertung, zur Überwa chung und zur Visualisierung des Zustands der Rotor blätter sowie der Beeinflussung des Betriebsregimes der Windkraftanlage und Fig. 8 is a block diagram of the evaluation unit for control of the measuring process, for evaluation, for monitoring and for visualizing the state of the rotor blades and influencing the operating regime of the wind turbine and
Fig. 9 einen schematischen Flussablaufplan zur Durchführung des Verfahrens zur Visualisierung und Überwachung des Zustands der Rotorblätter sowie der Beeinflus sung des Betriebsregimes der Windkraftanlage. Fig. 9 is a schematic flow chart for performing the method for visualizing and monitoring the state of the rotor blades and influencing the operating regime of the wind turbine.
In Fig. 1 ist die Gesamtansicht einer Windkraftanlage 40 mit den drei Rotorblättern 1, 2, 3, die an einer horizontal gela gerten Welle 6 befestigt sind, die sich im oberen Ende des Mastes 4 in einer vertikal drehbar angebrachten Gondel 5 be findet, dargestellt.In Fig. 1, the overall view of a wind turbine 40 is shown with the three rotor blades 1 , 2 , 3 , which are attached to a horizontally gela shaft 6 , which is located in the upper end of the mast 4 in a vertically rotatably mounted nacelle 5 ,
Die Fig. 2 zeigt stellvertretend das Rotorblatt 1 bezüglich der drei bauartgleichen Rotorblätter 1, 2, 3. Das Rotorblatt 1 besteht aus einem Blattflügel 7 und aus einem zugehörigen Rotorblattfuß 8.The Fig. 2 representatively shows the rotor blade 1 with respect to three of the same design rotor blades 1, 2, 3. The rotor blade 1 consists of a blade wing 7 and an associated rotor blade base 8 .
Im Material des Blattflügels 7 befinden sich zwei Schall- /Impuls-Sender (Aktoren) 9 und 10 sowie zwei Schall- /Schwingungsempfänger (Sensoren) 11 und 12. Jeder der Akto ren 9, 10 ist mit einer zugehörigen Aktorsignalleitung 13, 14 sowie Hilfsenergieleitungen (nicht eingezeichnet) und jeder der Sensoren ist mit einer Messsignalleitung 15, 16 sowie Hilfsenergieleitungen (nicht eingezeichnet) durchgehend bis zum Rotorblattfuß 8 verbunden. Als Übertragungsmedium im Blattflügel 7 wird Schall eingesetzt. Der erste Schall- /Impuls-Sender 9 und erste Schall-/Schwingungsempfänger 11 bilden ein erstes Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel- Längssignal-Zusammenspiel, während der zweite Schall- /Impuls-Sender 10 und der zweite Schall- /Schwingungsempfänger 12 ein zweites Aktor-/Sensorpaar für ein Flügel-Quersignal-Zusammenspiel darstellen.In the material of the leaf wing 7 there are two sound / pulse transmitters (actuators) 9 and 10 and two sound / vibration receivers (sensors) 11 and 12 . Each of the actuators 9 , 10 is connected to an associated actuator signal line 13 , 14 and auxiliary power lines (not shown) and each of the sensors is continuously connected to a measuring signal line 15 , 16 and auxiliary power lines (not shown) up to the rotor blade base 8 . Sound is used as the transmission medium in the leaf wing 7 . The first sound / pulse transmitter 9 and first sound / vibration receiver 11 form a first actuator / sensor pair for a wing longitudinal signal interaction, while the second sound / pulse transmitter 10 and the second sound / vibration receiver 12 Represent second pair of actuators / sensors for a wing-cross signal interaction.
In Fig. 3 ist eine Sicht in Hauptwellenachsrichtung auf den Stator 17 der Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 und der Querschnitt der durch den Stator führenden Welle 6 in der Gondel 5 auf dem Mast 4 dargestellt.In Fig. 3 is a view shown in Hauptwellenachsrichtung to the stator 17 of the signal / power supply transfer unit 20 and the cross section of the leading through the stator shaft 6 in the nacelle 5 of the mast 4.
Durch den in Fig. 4 dargestellten Stator 17 der Signal-/ Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 ist die Welle 6 geführt, auf der die Signalleitungen 13 bis 16 und ggf. Hilfsenergie leitung (nicht eingezeichnet) zum Rotorblatt 1 bis hin zur wellenseitigen Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Sender, nicht eingezeichnet) 22m der Signal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit 20 geführt sind, von der die gewandelten Signale mittels elektromagnetischer Felder auf den Teil der Einheit im Stator 17 übertragen werden, der die Signalüber tragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger, nicht darge stellt) 21m der Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 folgt, von der die erhaltenen Messsignale auf den Mess signalleitungen 15', 16' einer zentralen Recheneinheit 24 über einen programmierbaren Schallsignalempfänger 34 zuge führt werden.The shaft 6 is guided through the stator 17 of the signal / auxiliary power transmission unit 20 shown in FIG. 4, on which the signal lines 13 to 16 and possibly auxiliary power line (not shown) to the rotor blade 1 up to the signal transmission preprocessing unit ( Transmitter, not shown) 22 m of the signal / auxiliary power transmission unit 20 , from which the converted signals are transmitted by means of electromagnetic fields to the part of the unit in the stator 17 which represents the signal transmission post-processing unit (receiver, not shown) 21 m follows the signal / auxiliary power transmission unit 20 , from which the measurement signals obtained on the measurement signal lines 15 ', 16 ' are fed to a central processing unit 24 via a programmable sound signal receiver 34 .
Für die Aktorsignale ist eine entsprechende Einrichtung mit Umkehr der Sende- /Empfangsrichtung vorhanden, die in Fig. 7 dargestellt ist.For the actuator signals there is a corresponding device with reversal of the send / receive direction, which is shown in FIG. 7.
In Fig. 5 wird der auf der Welle 6 befestigte Wellenaufsatz 18 der Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 mit einer aufgebrachten zugehörigen Wicklung 19 gezeigt.In FIG. 5, mounted on the shaft 6 shaft attachment 18 / power supply transfer unit 20 shown the signal with an applied associated winding 19.
Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit 20 ist mit ei ner Auswerte-Einheit 23 verbunden. The signal / auxiliary power transmission unit 20 is connected to an evaluation unit 23 .
In Fig. 6 ist ein schematisches Blockschaltbild der Auswer te-Einheit 23 dargestellt. Die Auswerte-Einheit 23 besteht im wesentlichen aus der zentralen Recheneinheit (CPU) 24, aus einem Speicher 25, vorzugsweise einem MOS-Speicher, aus einer Bedieneinheit 26 mit einem angeschlossenen Videotermi nal 27, mit einer angeschlossenen Tastatur 28 und mit einem angeschlossenen Drucker 29, aus einer Wechselplatte (Hard disk) 30, einer Floppy-Disk 31 und einem CD-ROM-Laufwerk 32, aus einem 6-kanaligen programmierbaren Schall- /Impulsgenerator 33 sowie aus einem 6-kanaligen programmier baren Messignallempfänger 34, die über einen Bus 35 der zen tralen Recheneinheit 24 miteinander verbunden sind. Am Bus 35 sind noch eine Einheit 36 zur Übernahme von Klima-Daten, insbesondere von Windstärke und Temperatur sowie vorzugswei se eine Schnittstelle (serielles Interface) 37, mit der eine Kommunikations-Verbindung zum übergeordneten Leitrechner 38 der Windkraftanlage 40 hergestellt wird, angeschlossen.In Fig. 6 is a schematic block diagram of the Auswer te unit 23 is shown. The evaluation unit 23 consists essentially of the central processing unit (CPU) 24 , from a memory 25 , preferably a MOS memory, from an operating unit 26 with a connected video terminal 27 , with a connected keyboard 28 and with a connected printer 29 , From a removable disk (hard disk) 30 , a floppy disk 31 and a CD-ROM drive 32 , from a 6-channel programmable sound / pulse generator 33 and from a 6-channel programmable measurement signal receiver 34 , which via a bus 35 of the central processing unit 24 are connected to one another. On the bus 35 there is also a unit 36 for taking over climate data, in particular wind speed and temperature, and preferably an interface (serial interface) 37 with which a communication connection to the superordinate control computer 38 of the wind turbine 40 is established.
Der programmierbare Schall-/Impulsgenerator 33 ist über die Signalleitungen 13', 14' mit der Erregersignal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit 20a verbunden. Die Aktorerregersignale zu den Aktoren 9, 10 verlaufen in Richtung 51 (Pfeil). Der programmierbare Messignallempfänger 34 ist über die Mess signalleitungen 15',16' mit der Messsignal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit 20m verbunden. Die Messsignale von den Empfängern 11, 12 verlaufen in Richtung 50 (Pfeil). Die Steuerung der über den Bus 34 verbundenen Einheiten 33, 20a bzw. 34, 20m, den Datenaustausch zwischen ihnen und die Ver arbeitung von Daten übernimmt die zentrale Recheneinheit 24. Dazu ist auf der Festplatte 30 ein Multitask-Echtzeit- Betriebssystem abgelegt, dessen Kernkomponenten im Speicher 25, insbesondere in einem MOS-Speicher stehen.The programmable sound / pulse generator 33 is connected via the signal lines 13 ', 14 ' to the excitation signal / auxiliary power transmission unit 20 a. The actuator excitation signals to the actuators 9 , 10 run in the direction 51 (arrow). The programmable measurement signal receiver 34 is connected via the measurement signal lines 15 ', 16 ' to the measurement signal / auxiliary power transmission unit 20 m. The measurement signals from the receivers 11 , 12 run in the direction 50 (arrow). The central processing unit 24 controls the units 33 , 20 a or 34 , 20 m connected via the bus 34 , the data exchange between them and the processing of data. For this purpose, a multitask real-time operating system is stored on the hard disk 30 , the core components of which are in the memory 25 , in particular in a MOS memory.
Auf einem Massendatenspeicher, wie es die Festplatte 30 oder die CD-ROM 32 sind, sind weiterhin digitalisierte Vergleichsspektren für die Rotorblätter 1, 2, 3 für verschiedene normale Betriebszustände sowie für Störungs- und Schadenszu stände abgelegt, die aus Messungen an normalen und defekten Rotorblättern sowie aus Modellrechnungen vorzugsweise mit der FEM-Methode erhalten werden.On a mass data storage device, such as the hard disk 30 or the CD-ROM 32 , digitized comparison spectra for the rotor blades 1 , 2 , 3 for various normal operating states as well as for fault and damage states are also stored, which result from measurements on normal and defective rotor blades and obtained from model calculations, preferably using the FEM method.
Im Folgenden werden die Fig. 7, 8 gemeinsam betrachtet. Die Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinrichtung 20 besteht im Wesentlichen aus einer Sende-/Empfangseinrichtung 20a in Richtung zu den Aktoren 9, 10 des Blattflügels 7 sowie aus einer Empfangs-/Sendeeinrichtung 20m aus der Richtung der Sensoren 11, 12 des Blattflügels 7. Die Sende- /Empfangseinrichtung 20a und die Empfangs-/Sendeeinrichtung 20m betreffen das signaltechnische Zusammenspiel im Bereich zwischen Rotor und Stator 17, wobei die Sende- /Empfangseinrichtung 20a eine Erregersignal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit und die Empfangs-/Sendeeinrichtung 20m eine Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit darstellt, die jeweils eine Zweiteilung bezüglich Rotor und Stator 17 aufweisen, wobei auf dem Stator 17 die Statoreinheit 21 mit der Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit 21a und der Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit 21m angebracht sind und auf dem Rotor die Rotoreinheit 22 mit der Si gnalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit 22m und der Si gnalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit 22a angebracht sind.In the following, Figs. 7, 8 jointly considered. The signal / power supply transfer device 20 mainly consists of a transmitter / receiver device 20a in the direction to the actuators 9, 10 of the blade wing 7, and from a receiving / transmitting device 20 m from the direction of the sensors 11, 12 of the blade wing 7 , The transmitter / receiver device 20a and the receiving / transmitting device 20 m relate to the signal-based interaction in the region between the rotor and stator 17, wherein the transmitting / receiving device 20 a a Erregersignal- / auxiliary power transmission unit and the receiving / transmitting device 20 m a measured signal / power supply transfer unit represents, each having a dichotomy with respect to the rotor and stator 17, wherein on the stator 17, the stator unit 21 with the signal transmission preprocessing unit 21 a and the signal transmission post-processing unit 21 m are attached and on the rotor, the rotor unit 22 with the signal transmission preprocessing unit 22 m and the signal transmission post-processing unit 22 a are attached.
In Fig. 7 ist die Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungs einheit 20a mit der Signalübertragungs-Vorverarbeitungs einheit (Encoder und Sender) 21a auf einem Statorteil und die Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) 22a auf einem Rotorteil mit den Aktorsignallei tungen 13, 14 des Rotorblatts 1 und den Aktorsignalausgangs- Leitungen 13', 14', die zur Auswerte-Einheit 23 gehören, als schematisches Blockschaltbild dargestellt. In Fig. 7, the excitation signal / auxiliary power transmission unit 20 a with the signal transmission preprocessing unit (encoder and transmitter) 21 a on a stator part and the signal transmission post-processing unit (receiver and decoder) 22 a on a rotor part with the actuator signal lines 13 , 14 of the rotor blade 1 and the actuator signal output lines 13 ', 14 ', which belong to the evaluation unit 23, are shown as a schematic block diagram.
In Fig. 8 ist die Messsignal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit 20m mit der Signalübertragungs- Vorverarbeitungseinheit (Encoder und Sender) 22m auf einem Rotorteil und die Signalübertragungs- Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder) 21 m auf dem Statorteil mit den Sensor-Messsignalleitungen 15, 16 des Ro torblattes 1 und den Messsignaleingangs-Leitungen 15', 16' die zur Auswerte-Einheit 23 führen, als schematisches Block schaltbild dargestellt.In FIG. 8, the measurement signal / auxiliary power transmission unit is 20 m with the signal transmission preprocessing unit (encoder and transmitter) 22 m on a rotor part and the signal transmission post processing unit (receiver and decoder) is 21 m on the stator part with the sensor measurement signal lines 15 , 16 of the rotor blade 1 and the measurement signal input lines 15 ', 16 ' which lead to the evaluation unit 23 , shown as a schematic block diagram.
Zwischen den Vorverarbeitungseinheiten und den Nachverarbei tungseinheiten (21a-22a; 22m-21m) ist jeweils eine Übertra gungsstrecke 57 vorhanden, in der die Informationen und die Energie vorzugsweise auf der Basis von Magnet- Wechselfeldern, Funkwellen und/oder Lichtsignalen übermit telt werden.Between the preprocessing units and the post-processing units ( 21 a- 22 a; 22 m- 21 m) there is in each case a transmission path 57 in which the information and the energy are preferably transmitted on the basis of alternating magnetic fields, radio waves and / or light signals be communicated.
In Fig. 9 ist ein schematisches Blockschaltbild und ein Ab laufplan der Durchführung eines Überwachungs-Vorgangs mit der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt und erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit der erfindungsgemä ßen Einrichtung zur Überwachung im Folgenden für die Methode unter Nutzung der Eigenfrequenzen dargelegt. Insbesondere die Erläuterung der dem Verfahren zugrundeliegenden Messwert-Verarbeitungsschritte erfolgt anhand des Flussab laufplans in Fig. 9 sowie der Fig. 6.In Fig. 9, a schematic block diagram and a flow chart from the execution of a monitoring process with the device according to the invention is shown and explained. The method according to the invention is set out below with the monitoring device according to the invention for the method using the natural frequencies. In particular, the explanation of the measured value processing steps on which the method is based is based on the flow chart in FIG. 9 and FIG. 6.
Das Verfahren wird für Rotorblatt 1 dargestellt. In gleicher Weise läuft es für die anderen Rotorblätter 2, 3 ab.The procedure is shown for rotor blade 1 . It works in the same way for the other rotor blades 2 , 3 .
Das Verfahren basiert auf der Anwendung von Eigenfrequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- und -Reflexionsverhal ten, wobei die Resonanz- und Eigenfrequenzen, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren nach Sendung von Erregersignalen oder aus der Eigenerregung bei Anlagenbetrieb sowie die Be triebseigengeräusche gemessen werden, wobei die empfangenen und die daraus durch Transformation gewonnenen Signal- Spektren hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden aber auch hinsichtlich von Gesamtheiten be wertet werden, wobei auf der Grundlage von Modellrechnungen und durch akustische Messungen von unbeschädigten und von geschädigten Rotorblättern 1, 2, 3 bestimmte Frequenz- und Am plituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden erhalten werden, die diesen Zuständen zugeordnet werden, wobei Spek trenbibliotheken auf Massendatenspeicher 30, 32 aus den Spek tren mit der Zuordnung von Schadenszustand und Schadensloka lisation und weiteren Informationen, vorzugsweise zum Anla genbetrieb sowie zu Wartungs- und Reparatur, aufgebaut wer den, wobei die empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden- Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden mit den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren verglichen und die dazu korrespondierenden Zustände ermittelt werden, die bei Abweichungen vom Normalzustand bestimmten Schadzuständen und bestimmten Schadstellen 39 im Material der Rotorblätter 1, 2, 3 zugeordnet werden.The method is based on the application of natural frequencies and structure-borne noise, as well as sound running and reflection behavior, whereby the resonance and natural frequencies, pass-through and reflection signal spectra are measured after transmission of excitation signals or from self-excitation during plant operation, as well as the operating noise, the received and the signal spectra obtained therefrom by transformation being evaluated with regard to their individual special frequency and amplitudes but also with respect to the entirety, being determined on the basis of model calculations and by acoustic measurements of undamaged and damaged rotor blades 1 , 2 , 3 Frequency and amplitude spectra and / or spectral shapes / bands are obtained which are assigned to these states, with spectra libraries on mass data memories 30 , 32 from the spectra with the assignment of damage state and damage location and further information, preferably as to plant operation and maintenance and repair, who built the actual frequency and amplitude spectra and / or actual spectral shapes / bands compared with the spectra stored in the spectra library and the corresponding states are determined which, in the event of deviations from the normal state, are assigned to certain damage states and certain damage points 39 in the material of the rotor blades 1 , 2 , 3 .
Dem Verfahren ist ein Softwareprogramm-Modul 49 zur Abarbei tung eines Algorithmus zugeordnet, das vorzugsweise folgende Module enthält:A software program module 49 for processing an algorithm is assigned to the method and preferably contains the following modules:
Ein Modul 41 zur Messprozesssteuerung,
A module 41 for measuring process control,
- - ein Modul 42 zur Messsignalaufbereitung,a module 42 for measuring signal processing,
- - ein Vergleichsmodul 46,a comparison module 46 ,
- - ein Modul 47 zur Feststellung des Normalzustandes,a module 47 for determining the normal state,
- - ein Weiterbetriebsentscheidungs-Modul 56,a continuation decision module 56 ,
- - ein Modul 48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes,a module 48 for determining a faulty state,
- - ein Modul 52 zur Signalgebung für eine Betriebsweisenände rung, wobei das Modul 48 zur Feststellung eines gestörten Zustandes wahlweise mit dem Weiterbetriebsentscheidungs- Modul 56 in Verbindung stehen kann.- A module 52 for signaling an operating mode change, wherein the module 48 for determining a faulty state can optionally be connected to the further operation decision module 56 .
Der Messzyklus wird ausgelöst in dem Modul 41 zur Messpro zesssteuerung und beginnt mit der Ausgabe eines Erregersi gnals an den Aktor 9 über die Erregersignal-/Hilfsenergie- Übertragungseinheit 20a. Gleichzeitig wird das Tor der pro grammierbaren Signalempfangseinheit 34 für den vorgegebenen Messzeitraum geöffnet und das aus der Schallübertragung 55 im Rotorblatt gewonnene Messsignal vom Sensor 11 empfangen und als zeitbezogenes Frequenz-Amplituden-Signal digital im Hauptspeicher 25 der zentralen Recheneinheit 24 in einer vorgegebenen Auflösung abgelegt. Das Modul 41 zur Messpro zesssteuerung, die für die Bildung der Erregersignale und Empfangssignale zuständig ist, gehört zu dem umfassenden Softwareprogramm-Modul 49 zur Abarbeitung eines Algorithmus, das sich auch in der zentralen Recheneinheit 24 befindet. Aus dem zugehörigen Messsignal-Vektor wird mittels anschlie ßender Messignalaufbereitung, z. B. mit schneller Fourier transformation, ein Frequenz-Amplituden-Spektrum oder ein Laufzeitspektrum in dem Modul 42 zur Messsignalaufbereitung erzeugt. Es zeigt die für das Rotorblatt 1 typischen gemes senen Spektren in einem typischen normierten Frequenzbe reich. Durch einen Mustervergleich mit den auf Festplatte 30 oder CD-ROM 32 abgelegten normierten Eigenfrequenz-Spektren aus Messungen und/oder Modellrechnungen wird in dem Ver gleichsmodul 46 ein passender Zustand ermittelt. Dabei wer den die Wetterdaten, z. B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, aus einem Meterologle-Modul 43 und die Anlagenbetriebsdaten, z. B. Drehzahl und Leistung, aus einem Anlagenbetriebsdaten-Modul 44 über das Interface 37 vom Leitrechner abgegriffen als Parameter berücksichtigt.The measuring cycle is triggered in the module 41 for measuring process control and begins with the output of an excitation signal to the actuator 9 via the excitation signal / auxiliary energy transmission unit 20 a. At the same time, the gate of the programmable signal receiving unit 34 is opened for the predetermined measurement period and the measurement signal obtained from the sound transmission 55 in the rotor blade is received by the sensor 11 and stored digitally as a time-related frequency-amplitude signal in the main memory 25 of the central processing unit 24 in a predetermined resolution. The module 41 for measuring process control, which is responsible for the formation of the excitation signals and received signals, belongs to the comprehensive software program module 49 for processing an algorithm, which is also located in the central processing unit 24 . From the associated measurement signal vector is by means of subsequent measurement signal processing, z. B. with fast Fourier transformation, a frequency-amplitude spectrum or a transit time spectrum in the module 42 for measurement signal processing. It shows the typical measured spectra for the rotor blade 1 in a typical standardized frequency range. A suitable state is determined in the comparison module 46 by a pattern comparison with the normalized natural frequency spectra from measurements and / or model calculations stored on the hard disk 30 or CD-ROM 32 . The who the weather data, such. B. wind speed, wind direction, air temperature, humidity, from a Meterologle module 43 and the plant operating data, for. B. speed and power, tapped from a system operating data module 44 via the interface 37 from the host computer as parameters.
Handelt es sich nach dem Vergleich um einen Normalzustand 47, so wird dem Windkraftanlagen-Leitrechner 38 ein entspre chendes Statussignal aus dem Weiterbetriebsentscheidungs- Modul 56 über das Interface 37 übermittelt und der Weiterbe trieb wird aufrecht erhalten.If it is a normal state 47 after the comparison, the wind turbine master computer 38 is transmitted a corresponding status signal from the further operation decision module 56 via the interface 37 and the further operation is maintained.
Handelt es sich nach dem Vergleich um einen gestörten Zu stand, so wird im Fall eines sicher festgestellten erhebli chen Schadens Einfluss auf den Maschinenbetrieb genommen, indem über das Interface 37 ein entsprechendes Informati onspaket in Form von Statussignalen des Rotorblattzustandes, von Signalen zur Schadstellenlokalisierung und zur Schaden zustandsbeschreibung aus dem Informationsdaten-Modul 45 an den Leitrechner 38 übertragen wird, der zu einer automati schen oder einer durch einen Dispatcher zu bestätigenden Än derung der Betriebsweise der Windkraftanlage 40 gemäß einem Modul 52 zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung veranlasst wird. Diese Aktion wird auch akustisch in der Warte signalisiert und an übergeordnete Einrichtungen wei tergemeldet. Aus einer Zuordnungstabelle zum Spektrum aus dem Massespeicher 30, 32 werden die Informationen als Signale zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur not wendigen Reparatur ausgelesen und ebenfalls über das Inter face 37 an den Leitrechner 38 zur Weitermeldung übermittelt.If, after the comparison, the status is disturbed, in the event of significant damage that is ascertained, machine operation is influenced by a corresponding information package in the form of status signals of the rotor blade condition, signals for localizing the damage location and for, via the interface 37 Description of the damage condition is transmitted from the information data module 45 to the control computer 38 , which is prompted for an automatic change or a change in the operating mode of the wind power plant 40 to be confirmed by a dispatcher in accordance with a module 52 for signaling for a change in operating mode. This action is also signaled acoustically in the control room and reported to higher-level facilities. The information is read out as a signal for localization and description of the damage as well as for the necessary repair from an assignment table to the spectrum from the mass storage device 30 , 32 and also transmitted via the interface 37 to the master computer 38 for further transmission.
Wird der Schaden beim Spektrenvergleich als nicht erheblich detektiert, so werden aus der Zuordnungstabelle zum Spektrum vom Massespeicher 30, 32 die Informationen zur Lokalisation und zur Schadensbeschreibung sowie zur notwendigen Wartung und Reparatur aus dem Informationsdaten-Modul 45 ausgelesen und an den Leitrechner 38 übergeben, um dort auch nach aku stischer Signalisation in Form einer Tabelle und/oder in Form einer grafischen Darstellung eine Handlungsanleitung zu geben.If the damage is not detected to be significant when comparing the spectra, the information for localization and description of the damage as well as for the necessary maintenance and repair are read from the information data module 45 from the allocation table to the spectrum from the mass memory 30 , 32 and transferred to the master computer 38 in order to to give instructions for action there even after acoustic signaling in the form of a table and / or in the form of a graphic representation.
Gibt es für das gemessene Spektrum, das einer Störung zuzu ordnen ist, kein passendes Vergleichsspektrum, so wird dem Leitrechner 38 ein entsprechendes Statussignal übersandt mit der Aufforderung an die Überwachung, sich der Situation an zunehmen und eine Entscheidung zu treffen. Das gemessene Spektrum kann über eine Datenfernübertragung vom Leitrechner 38 an den Lieferer der Überwachungsanlage übermittelt werden, der ferndiagnostisch auf die Anfrage mit einer Ant wort an den Leitrechner 38 und den Dispatcher reagiert, wel cher Zustand diesem Spektrum zugeordnet wird und welche Handlungen erforderlich sind.If there is no suitable comparison spectrum for the measured spectrum that is to be assigned to a fault, a corresponding status signal is sent to the master computer 38 with the request to the monitoring to take up the situation and to make a decision. The measured spectrum can be transmitted via a remote data transmission from the master computer 38 to the supplier of the monitoring system, who reacts to the request by remote diagnostics with an answer to the master computer 38 and the dispatcher, which state is assigned to this spectrum and which actions are required.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Nutzung von Eigenfrequenzen und Körperschall sowie Schall-Lauf- und -Re flexionsverhalten, da diese akustischen Eigenschaften eng mit dem Zustand eines Rotorblatts 1, 2, 3 verknüpft sind. Me chanische Schäden und Risse und Materialveränderungen im In neren und auf der Oberfläche haben eine deutlichen Einfluss auf die akustischen Eigenschaften, da bestimmte Eigenfre quenzen, bestimmte Reflexionssignale, Laufsignalabschwächun gen und die Betriebseigengeräusche eng mit den mechanischen Eigenschaften verknüpft sind. Die Abhängigkeiten können experimentell mit Messungen an Rotorblättern verschiedener Zustände und durch Simulation der Auswirkungen von Fehlstel len und Materialveränderungen im Rotorblatt 1, 2, 3 z. B. mit FEM-Modellen berechnet werden.The method according to the invention is based on the use of natural frequencies and structure-borne noise as well as sound-running and re-reflection behavior, since these acoustic properties are closely linked to the condition of a rotor blade 1 , 2 , 3 . Mechanical damage and cracks and material changes in the interior and on the surface have a significant influence on the acoustic properties, since certain natural frequencies, certain reflection signals, running signal attenuations and the operating noise are closely linked to the mechanical properties. The dependencies can be experimentally measured with rotor blades of various states and by simulating the effects of defects and material changes in the rotor blades 1 , 2 , 3 z. B. can be calculated with FEM models.
Gemessen und ausgewertet werden die Eigenfrequenzspektren, Durchlauf- und Reflexions-Signalspektren auf Sende-Schall- oder Impuls-Signale sowie Betriebseigengeräusche. Die emp fangenen und die daraus durch Transformation gewonnenen Si gnal-Spektren werden hinsichtlich ihrer einzelnen speziellen Frequenz und Amplituden, aber auch hinsichtlich von Gesamt heiten wie Frequenzbanden und Frequenz-Amplitudengruppen be wertet.The natural frequency spectra are measured and evaluated, Pass-through and reflection signal spectra on transmit sound or impulse signals as well as company noise. The emp catch and the Si obtained from it by transformation gnal spectra are in terms of their individual special Frequency and amplitudes, but also in terms of total units such as frequency bands and frequency amplitude groups evaluates.
Auf der Grundlage von vorher durch Modellrechnungen und durch experimentellen Untersuchungen an unbeschädigten und beschädigten Rotorblättern bestimmten Frequenz- und Amplitu den-Spektren bzw. Spektrenformen/-Banden, die eindeutig be stimmten Rotorblattzuständen, den schadfreien und den bestimmten Schäden zuzuordnenden Zuständen, zugeordnet werden können, werden mit den empfangenen Ist-Frequenz- und Ist- Amplituden-Spektren sowie Ist-Spektrenformen/-Banden vergli chen.Based on previously through model calculations and through experimental investigations on undamaged and damaged rotor blades certain frequency and amplitude the spectra or spectral shapes / bands that clearly be agreed rotor blade conditions, the damage-free and the certain Damage-assignable states with the received actual frequency and actual Compare amplitude spectra and actual spectra shapes / bands chen.
Bei Abweichungen wird zunächst zumindest eine Anzeige erhal ten, ob die Abweichung einem Schadzustand zugeordnet werden kann, der Anlass gibt, Einfluss auf den Betrieb der Wind kraftanlage 40, bis hin zur Schnellabschaltung, zu nehmen. Des Weiteren wird grundsätzlich die Lokalisierung der dem Zustand zuzuordnenden Schadstelle 39 an dem zu überwachenden Rotorblatt 1 ausgewiesen, wenn der Zustand in der Spektren bibliothek enthalten ist. Davon ausgehend werden Maßnahmen vorgeschlagen für den weiteren Betrieb der Windkraftanlage 40 sowie für Wartungs- und Reparaturarbeiten zur Schadensbe hebung. Nicht zuzuordnende Spektren werden registriert und zur weiteren Bewertung an die für den Algorithmus zuständige Auswerte-Einheit 23 oder in deren Erweiterung wahlweise über Datenfernübertragung übermittelt. Wahlweise kann dort mit einer Fuzzy-Logik im Zusammenspiel mit den sonst einlaufen den Erkenntnissen anderer Anlagen eine Anzeige zum Zustand erhalten und die Information an die betroffene Windkraftan lage 40 zurückgesendet werden. Für die anderen Rotorblätter 2, 3 gilt Gleiches.In the event of deviations, at least one display is first received as to whether the deviation can be assigned to a defective state which gives rise to influence the operation of the wind power plant 40 , including rapid shutdown. Furthermore, the localization of the damage location 39 to be assigned to the condition is shown on the rotor blade 1 to be monitored if the condition is contained in the spectra library. Based on this, measures are proposed for the further operation of the wind power plant 40 and for maintenance and repair work to repair the damage. Spectra that are not to be assigned are registered and, for further evaluation, transmitted to the evaluation unit 23 responsible for the algorithm or, optionally, in extension thereof via remote data transmission. Optionally, an indication of the status can be received there using fuzzy logic in conjunction with the other incoming knowledge of other plants, and the information can be sent back to the wind power plant 40 concerned. The same applies to the other rotor blades 2 , 3 .
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Gewinnung von objektiven Bewertungsdaten, was mit den der zeit durchgeführten Visuellen Betrachtungen nur einge schränkt gegeben ist.An advantage of the method according to the invention is that Obtaining objective evaluation data, what with the Visual observations currently carried out only is limited.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass die Schadstel len 39 mit integrierten technischen Mitteln durch die stän dige Überwachung während des Betriebes kontinuierlich und rechtzeitig erkannt werden können, so dass die aufwendigen manuellen periodischen Inspektionen mit notwendigen Be triebsunterbrechungen wegfallen können. Das führt einerseits zu einer beträchtlichen Kosteneinsparung. Anderseits würden sich die der Laufzeiten der Windkraftanlagen 40 pro Jahr verlängern und der Ertrag sich verbessern.The invention opens up the possibility that the damaged spots 39 with integrated technical means can be recognized continuously and in good time by the constant monitoring during operation, so that the time-consuming manual periodic inspections with necessary operational interruptions can be eliminated. On the one hand, this leads to considerable cost savings. On the other hand, the running times of the wind turbines 40 would increase each year and the yield would improve.
Aufgrund der Erkennung von Schäden in den Rotorblättern 1, 2, 3 schon zum Zeitpunkt der Entstehung können - wenn er forderlich und möglich - sofort zielgerichtet Reparaturen veranlasst werden.Due to the detection of damage in the rotor blades 1 , 2 , 3, at the time of their occurrence, repairs can be initiated immediately if necessary and possible.
Insbesondere bei den Schichtwerkstoffen der Rotorblätter 1, 2, 3 lassen sich damit Schadensvergrößerungen bis hin zu Zerstörungen vermeiden, womit eine erhebliche Verringerung der Reparaturkosten erreicht wird. Mit der Erfindung wird somit im Fall einer Zerstörung ein langdauernder Stillstand der Windkraftanlagen vermieden, der zu einem erhebliche Aus fall von Erträgen führt.In particular in the case of the layer materials of the rotor blades 1 , 2 , 3 , damage increases up to destruction can be avoided, which results in a considerable reduction in repair costs. With the invention, a long standstill of the wind turbines is avoided in the event of destruction, which leads to a significant drop in yields.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit der Materialprüfung des Rotorblattes bereits vor dem Einbau an der Windkraftanlage, indem das jeweilige Rotorblatt zunächst im Werk, dann vor Ort nach dem Transport und während der Montage akustischen Untersuchungen unterzogen wird und die Signale mit standardisierten Sollwerten verglichen werden. Liegen die Signalwerte innerhalb einer vorgegebenen Tale ranzbreite, kann ein qualitätssicherer Zustand der Rotorblä tter definiert werden.Another advantage of the invention is the possibility of Check the material of the rotor blade before installation the wind turbine by first turning the respective rotor blade at the factory, then on site after transport and during the Montage is subjected to acoustic tests and the Signals are compared with standardized target values. Are the signal values within a predetermined tale ranzbreite, a quality-assured condition of the rotor blades be defined.
11
erstes Rotorblatt
first rotor blade
22
zweites Rotorblatt
second rotor blade
33
drittes Rotorblatt
third rotor blade
44
Mast
mast
55
Gondel
gondola
66
Welle
wave
77
Blattflügel
Flat paddle
88th
Rotorblattfuß
Rotorblattfuß
99
erster Schall-/Impulssender (Aktor)
first sound / pulse transmitter (actuator)
1010
zweiter Aktor
second actuator
1111
erster Schall-/Schwingungsempfänger (Sensor)
first sound / vibration receiver (sensor)
1212
zweiter Sensor
second sensor
1313
erste Aktorsignalleitung
first actuator signal line
1313
' erste Aktorsignalausgangs-Leitung
'' first actuator signal output line
1414
zweite Aktorsignalleitung
second actuator signal line
1414
' zweite Aktorsignalausgangs-Leitung
'' second actuator signal output line
1515
erste Sensorsignalleitung
first sensor signal line
1515
' erste Sensorsignaleingangs-Leitung
'' first sensor signal input line
1616
zweite Sensorsignalleitung
second sensor signal line
1616
' zweite Sensorsignaleingangs-Leitung
'' second sensor signal input line
1717
Stator
stator
1818
Rotoraufsatz
rotor attachment
1919
Wicklung
winding
2020
Signal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit mit Si
gnalüberträgungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder und
Sender) sowie Signalübertragungs-Nachverarbeitungs
einheit (Empfänger und Decoder)
Signal / auxiliary power transmission unit with signal transmission preprocessing unit (encoder and transmitter) and signal transmission post-processing unit (receiver and decoder)
2020
a Erregersignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit
a Excitation signal / auxiliary power transmission unit
2020
m Messsignal-/Hilfsenergie-Übertragungseinheit
m Measurement signal / auxiliary power transmission unit
2121
Statoreinheit mit Signalübertragungs-Vorverarbeitungs
einheit (Encoder und Sender) und Signalübertragungs-
Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder)
Stator unit with signal transmission preprocessing unit (encoder and transmitter) and signal transmission postprocessing unit (receiver and decoder)
2121
a Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder
und Sender)
a signal transmission preprocessing unit (encoder and transmitter)
2121
m Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger
und Decoder)
m signal transmission post-processing unit (receiver and decoder)
2222
Rotoreinheit mit Signalübertragungs-Vorverarbeitungs
einheit (Encoder und Sender) und Signalübertragungs-
Nachverarbeitungseinheit (Empfänger und Decoder)
Rotor unit with signal transmission preprocessing unit (encoder and transmitter) and signal transmission postprocessing unit (receiver and decoder)
2222
a Signalübertragungs-Nachverarbeitungseinheit (Empfänger
und Decoder)
a signal transmission post-processing unit (receiver and decoder)
2222
m Signalübertragungs-Vorverarbeitungseinheit (Encoder
und Sender)
m signal transmission preprocessing unit (encoder and transmitter)
2323
Auswerte-Einheit
Evaluation unit
2424
Zentrale Rechnereinheit
Central computer unit
2525
Speicher
Storage
2626
Bedieneinheit
operating unit
2727
Videoterminal
video terminal
2828
Tastatur
keyboard
2929
Drucker
printer
3030
Festplattenspeicher
Disk Space
3131
Wechselplattenspeicher
Removable storage
3232
CD-ROM-Laufwerk
CD-ROM drive
3333
Mehrkanaliger programmierbarer Schall-/Impulsgenerator
Multi-channel programmable sound / pulse generator
3434
Mehrkanaliger programmierbarer Messignallempfänger
Multi-channel programmable measurement signal receiver
3535
Bus
bus
3636
Einheit zur Übernahme von Klima-Daten
Unit for taking over climate data
3737
Schnittstelle
interface
3838
Leitrechner
master computer
3939
Schadstelle
damaged area
4040
Windkraftanlage
Wind turbine
4141
Modul zur Messprozesssteuerung
Measuring process control module
4242
Modul zur Messsignalaufbereitung
Module for measuring signal processing
4343
Meterologle-Modul
Meterologle module
4444
Anlagenbetriebsdaten-Modul
Plant operating data module
4545
Informationsdaten-Modul
Information data module
4646
Vergleichsmodul
comparison module
4747
Modul zur Feststellung eines Normalzustands
Module for determining a normal state
4848
Modul zur Feststellung eines gestörten Zustands
Module for determining a faulty state
4949
Softwareprogramm-Modul zur Abarbeitung eines Algo
rithmus
Software program module for processing an algorithm
5050
Messsignal-Eingangsrichtung
Measuring signal input direction
5151
Aktorsignal-Ausgangsrichtung
Actuator signal output direction
5252
Modul zur Signalgebung für eine Betriebsweisenänderung
Signaling module for a change in operating mode
5353
erste Betriebsenergieversorgungsleitung
first operating power supply line
5454
zweite Betriebsenergieversorgungsleitung
second operating power supply line
5555
Schallübertragung im Rotorblatt
Sound transmission in the rotor blade
5656
Weiterbetriebsentscheidungs-Modul
Wide operating decision module
5757
Übertragungsstrecke
transmission path
Claims (36)
dass es auf der Anwendung von Eigenfrequenzen und Kör perschall sowie Schall-Lauf- und -Reflexionsverhalten basiert,
wobei Resonanz- und Eigenfrequenzen, Durchlauf- und Re flexions-Signalspektren nach Sendung von Erregersigna len oder aus einer Eigenerregung bei Anlagenbetrieb so wie Betriebseigengeräusche gemessen werden,
wobei die empfangenen und die daraus durch Transforma tion gewonnenen Signal-Spektren hinsichtlich ihrer ein zelnen speziellen Frequenz und Amplituden aber auch hinsichtlich von Gesamtheiten bewertet werden,
wobei auf der Grundlage von Modellrechnungen und durch akustische Messungen von unbeschädigten und von geschä digten Rotorblättern (1, 2, 3) bestimmte Frequenz- und Amplituden-Spektren und/oder Spektrenformen/-Banden er halten werden, die passenden Zuständen zugeordnet wer den,
wobei Spektrenbibliotheken auf Massendatenspeicher (30, 32) aus den Spektren mit der Zuordnung von Scha denszustand und Schadenslokalisation und weiteren Informationen, vorzugsweise zum Anlagenbetrieb sowie zu Wartungs- und Reparatur, aufgebaut werden,
wobei die empfangenen Ist-Frequenz- und Amplituden- Spektren und/oder Ist-Spektrenformen/-Banden mit den in der Spektrenbibliothek abgelegten Spektren verglichen und die dazu korrespondierenden Zustände ermittelt wer den, die bei Abweichungen vom Normalzustand bestimmten Schadzuständen und bestimmten Schadstellen (39) im Ma terial der Rotorblätter (1, 2, 3) zugeordnet werden.1. A method for monitoring the state of rotor blades ( 1 , 2 , 3 ) on wind turbines ( 40 ) with the aid of actuators located on and / or in the rotor blades ( 1 , 2 , 3 ) ( 9 , 10 ) and sensors ( 11 , 12 ), the rotor blades ( 1 , 2 , 3 ) driven by wind power being connected via a shaft ( 6 ) to a generator for power generation located in the wind power plant ( 40 ), characterized in that
that it is based on the use of natural frequencies and structure-borne noise as well as sound-running and reflection behavior,
whereby resonance and natural frequencies, pass-through and reflection signal spectra are measured after transmission of excitation signals or from self-excitation during plant operation as well as operational noises,
the received and the signal spectra obtained therefrom by transformation are evaluated with regard to their individual special frequency and amplitudes but also with regard to the entirety,
on the basis of model calculations and acoustic measurements of undamaged and damaged rotor blades ( 1 , 2 , 3 ) certain frequency and amplitude spectra and / or spectra shapes / bands are obtained, the appropriate states are assigned,
wherein spectra libraries are built on mass data storage ( 30 , 32 ) from the spectra with the assignment of damage condition and damage localization and further information, preferably for plant operation as well as for maintenance and repair,
whereby the received actual frequency and amplitude spectra and / or actual spectra shapes / bands are compared with the spectra stored in the spectra library and the corresponding states are determined, the damage states and certain damage points ( 39 ) which deviate from the normal state. in the material of the rotor blades ( 1 , 2 , 3 ).
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Owner name: IGUS - INNOVATIVE TECHNISCHE SYSTEME GMBH, 01099 D |
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Inventor name: VOLKMER, PETER, 01109 DRESDEN, DE |
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8364 | No opposition during term of opposition | ||
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Owner name: WEIDMUELLER MONITORING SYSTEMS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: IGUS - INNOVATIVE TECHNISCHE SYSTEME GMBH, 01099 DRESDEN, DE |
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