DE102005016524B4

DE102005016524B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Rotorblatteis

Info

Publication number: DE102005016524B4
Application number: DE102005016524.9A
Authority: DE
Inventors: David Lawrence LeMieux
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL Es
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2025-04-09
Also published as: DE102005016524A1; CN1707262A; DK177769B1; DK201300235A; DK200500492A; CN1707262B; US7086834B2; US20050276696A1; DK177717B1

Abstract

Verfahren zum Erkennen von Eis (112) auf einer Windturbine (100), die einen Rotor (106) und ein oder mehrere Rotorblätter (108) enthält, die jeweils Blattwurzeln (114) aufweisen, wobei das Verfahren enthält:Überwachen (402) von meteorologischen Bedingungen im Zusammenhang mit Vereisungsbedingungen,Überwachen (404, 406, 408) einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine im Betrieb, die im Zusammenhang mit der Masse des einen oder der mehreren Rotorblätter und/oder einem Massenungleichgewicht zwischen den Rotorblättern variieren,Verwenden der einen oder der mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen Größen, um festzustellen (418, 426), ob eine Blattmassenanomalie vorliegt,Feststellen (420, 428), ob die überwachten meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind, undSignalisieren (422, 430) einer eisbedingten Blattmassenanomalie, wenn das Vorliegen eine Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und die überwachten meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden,wobei die physikalischen, charakteristischen Größen eine Auslenkung einer Hauptwelle (118) der Windturbine und/oder Blattwurzelbiegemomente einschließen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Windturbinen oder Windräder und spezieller auf die Erkennung von Eis auf den Rotorblättern der Windturbinen.
In der letzten Zeit ist den Windturbinen als einer im Hinblick auf die Umwelt sicheren und relativ kostengünstigen alternativen Energiequelle eine erhöhte Aufmerksamkeit zuteil geworden. Mit diesem wachsenden Interesse sind erhebliche Anstrengungen unternommen worden, um Windturbinen zu entwickeln, die zuverlässig und effizient sind.
Allgemein enthält eine Windturbine einen Rotor, der mehrere Blätter aufweist. Der Rotor ist innerhalb eines Gehäuses oder einer Gondel angebracht, die oben an der Spitze einer Stütze oder eines rohrförmigen Turmes angeordnet ist. Energieversorgungs-Windturbinen (d.h. Windturbinen, die zur Einspeisung von elektrischer Energie in ein Elektrizitätsversorgungsnetz vorgesehen sind) können große Rotoren aufweisen (z.B. 30 oder mehr Meter im Durchmesser). Die Blätter an diesen Rotoren wandeln Windenergie in ein Drehmoment oder eine rotatorische Kraft um, die einen oder mehrere Generatoren antreibt, die über ein Getriebe mit dem Rotor drehbar gekoppelt sind. Das Getriebe übersetzt die naturgemäß niedrige Drehzahl des Turbinenrotors für den Generator herauf, um die mechanische Energie effizient in elektrische Energie umzuwandeln, die in ein Elektrizitätsversorgungsnetz eingespeist wird.
Unter bestimmten Atmosphärenbedingungen werden die Rotorblätter von Eis bedeckt. Eisbildung tritt typischerweise an der vorderen Kante des Flügels auf und verursacht eine verringerte Auftriebsfähigkeit. Wenn die Eisschicht dicker wird, wird dem Flügel Gewicht hinzugefügt, so dass die Auftrieb erzeugende Flügeloberfläche verändert wird. Bei Windturbinen kann diese Veränderung zu einer verringerten aerodynamischen Leistungsfähigkeit des Rotorblattes führen. Diese verringerte Leistungsfähigkeit kann direkt zu einer erhöhten Systembeanspruchung und/oder Einbußen bei der Energieabgabe führen.
Aus der EP 0 842 360 B1 ist ein Verfahren zum Enteisen eines Rotorblattes einer Windenergieanlage bekannt, bei dem die Windgeschwindigkeit und die Außentemperatur daraufhin überwacht werden, ob bei diesen Bedingungen eine Eisbildung an den Rotorblättern möglich ist. Ist dies der Fall, werden Heizelemente und Gebläse umfassende Einheiten in jedem Rotorblatt durch eine Automatik eingeschaltet. Sollte durch ungleichmäßige Enteisung der Rotorblätter eine Unwucht im Rotor gegeben sein, so wird die daraus resultierende Vibration bei drehendem Rotor durch Messung der Turmschwingungen erkannt. Die Außentemperatur, die Temperatur des Wärmeträgermediums zum Beheizen der Rotorblätter, die Rotordrehzahl, die Windgeschwindigkeit und Vibrationen aufgrund von Unwuchten, die durch Eisbildungen an Rotorblättern entstehen, werden durch entsprechende Sensoren erfasst und in einer programmgesteuerten Automatik zur entsprechenden, eine Enteisung einleitenden oder steuernden Schaltsignalen verarbeitet.
EP 1 075 600 B1 offenbart eine Windkraftanlage mit einem Beschleunigungssensor an einem Rotorblatt zum Messen von Beschleunigungen des Rotorblattes. Eine Datenverarbeitungseinheit berechnet eine Eigenfrequenz des Rotorblattes.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Erkennen und Anzeigen von vereisungsbedingten Rotorblattanomalien zu verbessern, so dass rechtzeitig Korrekturmaßnahmen ergriffen und Fehlabschaltungen der Anlage vermieden werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Verfahren die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf, während eine erfindungsgemäß ausgestattete Windturbine Gegenstand des Patentanspruchs 6 ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung schafft daher ein Verfahren zur Erkennung von Eis auf einer Windturbine, die einen Rotor und ein oder mehrere Rotorblätter enthält, die jeweils Blattwurzeln aufweisen. Das Verfahren enthält das Überwachen von meteorologischen Bedingungen, die mit Vereisungszuständen in Verbindung stehen, und das Überwachen einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine im Betrieb, die im Zusammenhang mit der Masse des einen oder der mehreren Rotorblätter und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern variieren. Das Verfahren enthält auch die Verwendung der einen oder mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen Größen zur Bestimmung, ob eine Blattmassenanomalie besteht, die Feststellung, ob die überwachten meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind, und das Anzeigen oder Signalisieren einer eisbedingten Blattmassenanomalie, wenn das Vorliegen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und die überwachten meteorologischen Bedingungen bestimmt worden sind und mit einer Vereisung vereinbar erscheinen.
Die überwachten physikalischen, charakteristischen Größen enthalten wenigstens Biegemomente an den Blattwurzeln und/oder Auslenkungen einer Hauptwelle der Windturbine.
Die Erfindung schafft eine Windturbine, die einen ein oder mehrere Rotorblätter enthaltenden Rotor, einen oder mehrere zum Überwachen von meteorologischen Bedingungen im Zusammenhang mit Vereisung eingerichtete meteorologische Sensoren und einen oder mehrere Sensoren für physikalische, charakteristische Größen aufweist, um eine oder mehrere physikalische, charakteristische Größen der Windturbine im Betrieb zu überwachen, die im Zusammenhang mit einer Masse des einen oder der mehreren Rotorblätter und/oder einem Massenungleichgewicht zwischen den Rotorblättern variieren. Die Windturbine enthält weiterhin einen Prozessor, der mit dem einen oder den mehreren meteorologischen Sensoren und dem einen oder den mehreren Sensoren für physikalische, charakteristische Größen betrieblich gekoppelt ist. Der Prozessor ist dazu eingerichtet, festzustellen, ob die überwachten meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind, die eine oder die mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen Größen zu benutzen, um zu bestimmen, ob eine Blattmassenanomalie besteht, und ein Signal zu erzeugen, das eine eisbedingte Blattmassenanomalie anzeigt, wenn das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und die überwachten meteorologischen Bedingungen bestimmt worden sind und mit einer Vereisung vereinbar erscheinen.
Die Sensoren für die überwachten physikalischen, charakteristischen Größen enthalten jeweils wenigstens einen Sensor, der die Biegemomente an den Blattwurzeln bzw. die Auslenkungen einer Hauptwelle der Windturbine überwacht.
In weiteren Ausführungsformen wird eine Windturbine geschaffen, die einen wenigstens ein Blatt aufweisenden Rotor, eine Gondel und ein Windnachführsteuerungssystem (Yaw Control System) enthält. Die Windturbine ist dazu eingerichtet, die Gondel nachzuführen oder zu gieren und ein Blattmassenungleichgewicht anzuzeigen, wenn eine variable, gyroskopische Belastung festgestellt wird, während die Gondel nachgeführt oder gegiert wird.
In noch weiteren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Erkennen eines Blattmassenungleichgewichtes geschaffen. Das Verfahren enthält das Nachführen oder Gieren einer Gondel einer Windturbine und das Anzeigen eines Blattmassenungleichgewichtes, wenn eine variable, gyroskopische Belastung festgestellt wird, während die Gondel gegiert wird.
In noch anderen Ausführungsformen wird eine Windturbine geschaffen, die einen Rotor enthält, der wenigstens ein Blatt, ein Verstell- oder Pitch-System, eine Turbinensteuerung und meteorologische Instrumente aufweist, die zum Messen der Windgeschwindigkeit eingerichtet sind. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, eine Blattmassenanomalie anzuzeigen, wenn die Blätter außerhalb eines vorbestimmten Nennbereichs für eine gemessene Windgeschwindigkeit angestellt sind.
In noch weiteren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Erkennen einer Blattmassenanomalie auf einer Windturbine geschaffen. Die Windturbine enthält wenigstens ein Blatt, ein Verstell- oder Pitch-System sowie meteorologische Instrumente, die zum Messen der Windgeschwindigkeit eingerichtet sind. Das Verfahren beinhaltet das Messen einer Windgeschwindigkeit unter Verwendung der meteorologischen Instrumente, das Vergleichen einer Anstellung der Blätter mit einem vorherbestimmten Nennbereich für die gemessene Windgeschwindigkeit und das Signalisieren einer Blattmassenanomalie, wenn die Blätter außerhalb des vorbestimmten Nennbereiches für die gemessene Windgeschwindigkeit angestellt sind.
Es wird daher erkannt, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Erkennung und die Anzeige von vereisungsbedingten Blattmassenanomalien ermöglichen, die die Leistungsfähigkeit von Windturbinenkraftwerken verringern können, wobei das Ergreifen von Korrekturmaßnahmen ermöglicht wird, falls es erforderlich ist.
Figurenliste

1 ist eine Zeichnung einer beispielhaften Ausführung einer Windturbine.
2 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte, perspektivische Zeichnung eines Rotorblattes und einer Nabe einer Windturbine, die verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen .
3 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte, perspektivische Zeichnung der Nabe und der Gondel der in 1 gezeigten Windturbine.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Hauptrotorwelle und eines Sensors, die in einigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
5 ist eine Endansicht einer Hauptwelle, die vier Sensoren aufweist, gemäß einer ersten Ausführungsform.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Hauptquelle, die vier Sensoren aufweist, gemäß einer zweiten Ausführungsform.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer Hauptwelle, die vier Sensoren aufweist, gemäß einer dritten Ausführungsform.
8 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Turbinensteuerung.
9 zeigt ein Flussdiagramm, das einige Ausführungsformen eines Verfahrens zum Erkennen eines Blattmassenungleichgewichts und/oder einer Blattmassenänderung darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der Ausdruck, dass ein physikalischer oder meteorologischer Parameter 'überwachtA wird, wird hierin verwendet, wenn ein Sensor benutzt wird, um seinen augenblicklichen Wert zu bestimmen. Der allgemeinere Ausdruck 'überwachtA wird anstelle des engeren Begriffes 'gemessenA verwendet, um hervorzuheben, dass der Sensor eine direkte Messung des überwachten Wertes durchführen kann, aber nicht notwendigerweise durchführen muss. Zum Beispiel kann ein Anemometer, das als ein meteorologischer Sensor verwendet wird, ein analoges Signal im Zusammenhang mit der augenblicklichen Windgeschwindigkeit erzeugen, aber das analoge Signal ist kein tatsächlicher Messwert der Windgeschwindigkeit. Nichtsdestoweniger kann dieses Signal oder eine digitale Wiedergabe dieses Signals zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit verwendet werden, oder es kann eine Auslegungsentscheidung vorgenommen werden, um das Signal, seine digitale Wiedergabe oder ihre Darstellung bei der weiteren Verarbeitung als einen Stellvertreter für die Windgeschwindigkeit zu verwenden.
Der hierin ebenfalls verwendete Ausdruck 'meteorologischer SensorA bezieht sich auf einen Sensor für eine meteorologische Zustandsgröße. Eine nicht erschöpfende Liste von meteorologischen Zustandsgrößen enthält z.B. den Luftdruck, die Windgeschwindigkeit und -richtung, die Luftfeuchtigkeit, die Temperatur und den Niederschlag sowie die Niederschlagsart. Alle Beispiele für die meteorologischen Zustandsgrößen sind meteorologische Zustandsgrößen im Zusammenhang mit Vereisung. Eine nicht erschöpfende Liste von einigen der am häufigsten verwendeten meteorologischen Sensoren, die die meteorologischen Bedingungen oder Zustandsgrößen im Zusammenhang mit Vereisung überwachen, enthält Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren.
Wenn hierin weiterhin der Ausdruck 'Sensor für physikalische, charakteristische Größen, der zum Überwachen einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine im Betrieb eingerichtet ist, die im Zusammenhang mit einer Masse eines oder mehrerer Rotorblätter und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern variierenA verwendet wird, bezieht er sich auf einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das sich in Übereinstimmung mit der festgestellten Massenänderung und/oder des Massenungleichgewichtes verändert. Eine nicht erschöpfende Liste solcher physikalischer, charakteristischer Größen beinhaltet Blattwurzelbiegemomente, axiale oder Biegeauslenkungen einer Wellen-, Naben- oder Flanschoberfläche, die Rotationsgeschwindigkeit oder Azimutalposition eines Blattes, einen Blattauftrieb, Ausgangsleistungsschwankungen, die aerodynamische Effizienz und Systembeanspruchungen.
Zusätzlich bezieht sich der Ausdruck 'BlattwurzelA oder 'BlattwurzelabschnittA, wenn er hierin verwendet wird, auf den inneren Abschnitt eines Rotorblattes.
Wie hierin weiterhin erläutert wird, überwachen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung meteorologische Bedingungen oder Zustandsgrößen im Zusammenhang mit Vereisungszuständen und eine oder mehrere physikalische, charakteristische Größen einer Windturbine im Betrieb, die sich im Zusammenhang mit einer Masse eines oder mehrerer Rotorblätter und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern verändern. Die einen oder die mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen Größen werden verwendet, um festzustellen, ob eine Blattmassenanomalie besteht, und die überwachten meteorologischen Zustandsgrößen werden verwendet, um festzustellen, ob die meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind. Eine eisbedingte Blattmassenanomalie wird angezeigt, wenn das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist, und die überwachten meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden.
Spezieller enthält eine Windturbine 100 in einigen Ausführungsformen und mit Bezug auf 1 eine Gondel 102, die einen Generator (nicht gezeigt in 1) beherbergt. Die Gondel 102 ist oben an der Spitze eines hohen, schlanken Turmes 104 angebracht, von dem nur ein Teilabschnitt in 1 gezeigt ist. Die Windturbine 100 enthält auch einen Rotor 106, der ein oder mehrere, an einer rotierenden Nabe 110 befestigte Rotorblätter 108 aufweist. Obwohl die in 1 dargestellte Windturbine 100 drei Rotorblätter 108 enthält, bestehen keine speziellen Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Rotorblätter 108, die von der vorliegenden Erfindung benötigt werden. Unter manchen atmosphärischen Bedingungen kann es zu einer Blattvereisung kommen, und Eis 112 kann sich auf den Blättern 108 bilden.
Die Bedingungen, unter denen sich dieses Eis bildet, können dazu führen, dass sich das Eis 112 z.B. in auf allen Blättern 108 identischen Schichten bildet, aber es gibt keine Garantie dafür, dass die Vereisung notwendigerweise auf jedem Blatt gleichförmig oder von Blatt zu Blatt identisch verläuft. Daher kann die Blattvereisung 112 das Auftreten von entweder einem Massenungleichgewicht oder einer Massenänderung (oder beidem) an dem Rotor 106 hervorrufen. Ein Blattmassenungleichgewicht kann als Ergebnis davon auftreten, dass ein oder mehrere Blätter 108 mehr Eis 112 als andere Blätter 108 ansammeln. Eine Blattmassenänderung als Ergebnis davon auftreten, dass alle Blätter 108 eine gleichwertige Last durch die Eismasse auf den Blättern ansammeln. Blattmassenungleichgewichte und Blattmassenänderungen werden hierin generisch als 'BlattmassenanomalienA bezeichnet. Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erkennen das Vorhandensein eisbedingter Blattmassenanomalien durch eine Überwachung der Systembelastungen und/oder Einbußen bei der Leistungsabgabe, die beide auf eine im Zusammenhang mit der Blattvereisung verringerte aerodynamische Leistungsfähigkeit zurück zu führen sind.
In einigen Ausführungsformen und in Bezug auf 2 wird ein Blattmassenungleichgewicht in dem Rotor 106 unter Verwendung von überwachten Biegemomenten der Blattwurzel 114 unter Bedingungen mit einem Windnachführfehler oder Yaw Error nahe Null entdeckt. Die Biegemomente der Blattwurzel 114 können unter Anwendung einer Vielzahl von Vorgehensweisen und Sensoren in vielfältigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung überwacht werden, und einige Ausführungen verwenden eine Kombination der Vorgehensweisen und/oder Sensoren. Zum Beispiel sind in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen 116 (wie z.B. von Aerpac B.V., Oberijssel, Niederlande erhältliche Feststoffsensoren) in ein Rotorblatt 108 eingebettet und/oder mit diesem verbunden. Die Dehnungsmessstreifen 116 erzeugen ein Signal oder Signale, die an einen Computer oder Prozessor (nicht gezeigt in 2) gesendet werden, der aus diesen Signalen die Biegemomente der Blattwurzel 114 bestimmt. In einigen Ausführungsformen ist der Computer oder Prozessor eine Turbinensteuerung, die auch zusätzliche Funktionen für die Windturbine 100 bereitstellt.
In einigen Ausführungsformen und mit Bezug auf die 3, 4 und 5 enthalten weitere Vorgehensweisen und Sensoren zum Messen der Biegemomente an der Blattwurzel 114 das Messen von Biegungs- und/oder Spannungsniveaus der Rotornabe 110 entweder an der Hauptwelle 118 oder an einem Wellenflansch 145 an oder nahe bei seiner Verbindung zu der Nabe 110. Wenn eine Nabenbiegung gemessen wird, wird im Falle eines Blattmassenungleichgewichtes ein rotatorischer Verlauf oder eine Bahn beobachtet. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden drei oder mehr Sensoren verwendet, um axiale und/oder radiale und/oder Biegeauslenkungen der Flanschoberfläche oder Biegungen der Welle 118 zu erkennen und Signale zu erzeugen, die zur Auswertung an den Computer oder Signalprozessor gesendet werden. Abweichungen von den erwarteten Spannungswerten (oder einem beliebigen anderen überwachten Parameter), die für eine Blattmassenanomalie kennzeichnend sind (, die entweder ein Blattmassenungleichgewicht oder eine Blattmassenänderung sein kann,) werden festgestellt.
Zum Beispiel und in Bezug auf 5 überwachen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die radiale Auslenkung der Hauptwelle 118 unter Verwendung von wenigstens zwei orthogonal angeordneten Näherungssensoren 120. Diese radiale Auslenkung wird verwendet, um festzustellen, ob eine für ein Blattmassenungleichgewicht kennzeichnende Abweichung vorliegt. Zum Beispiel können die Sensoren oder Sonden 120, die die Auslenkung der Welle 118 messen, eine oder mehrere Technologien, wie z.B. akustische, optische, magnetische, Wirbelstrom-, kapazitive, induktive oder andere Technologien anwenden. Obwohl aus Gründen der Redundanz, zu Zwecken der Sensordiagnose oder aus anderen Gründen wenigstens zwei Sensoren zum Überwachen der radialen Auslenkung verwendet werden, werden in einigen Ausführungsbeispielen mehr als zwei Sensoren verwendet. Zum Beispiel stellt 6 eine Anordnung mit vier Sensoren 120 dar, die um den Umfang der Hauptrotorwelle 118 in einem Abstand von 90° angeordnet sind. In einer anderen Anordnung und im Bezug auf 7 sind vier Sensoren 120 in Paaren im Abstand von 90° voneinander um die Hauptwelle 118 herum angeordnet. In einigen Ausführungsformen und im Bezug auf 3 sind die Sensoren 120 (nicht gezeigt in 3) so weit wie möglich von dem Getriebe 122 entfernt angeordnet. In anderen Ausführungsformen sind die Sensoren 120 etwa in der Mitte zwischen dem Getriebe 122 und dem Hauptlager 124 angeordnet.
In einigen Ausführungsformen und im Bezug auf 4 wird in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die axiale Auslenkung überwacht. Die Sensoren 143, wie z.B. Näherungssensoren, werden verwendet, um die Auslenkung des Wellenflansches 145 zu überwachen. In einigen Ausführungsformen ist jeder Sensor 143 auf einer Sensorklammer 147 angebracht, die an dem Hauptlager 124 oder einer Grundplatte (nicht gezeigt) befestigt ist. Signale von den Sensoren 143 zeigen die überwachten Auslenkungen oder Momente an. In einigen Ausführungsformen werden wenigstens drei Sensoren 143 verwendet, um die Auslenkungen des Hauptwellenflansches 145 der Windturbine 100 zu messen, die auf asymmetrische Belastungen, wie z.B. ein Blattmassenungleichgewicht infolge von Vereisung zurückzuführen sind. Die Sensoren 143 können Näherungssensoren sein, die die Auslenkung des Hauptwellenflansches 145 relativ zu einem sich nicht biegenden oder deformierenden Bezugssystem, z.B. dem Hauptlager 124, messen. Einige Ausführungsformen verwenden vier Sensoren mit Abständen von etwa 90, um die Auslenkungen des Wellenflansches 145 zu messen.
In einigen Ausführungsformen und wieder mit Bezug auf 2 wird wenigstens eine eingebettete Lichtleitfaser 126, die ein oder mehrere Bragg-Gitter 128 aufweist, verwendet, um die Spannung in jeder Rotorblattwurzel 114 zu überwachen, um festzustellen, ob eine für ein Blattmassenungleichgewicht kennzeichnende Spannungsabweichung vorliegt. Ein oder mehrere Laser (nicht gezeigt in den Figuren) , die in der Nabe 110 angeordnet sein können, werden zur Einspeisung von Licht in die Lichtleitfasern 126 verwendet. Eine elektronische Schnittstelle (ebenfalls nicht gezeigt in den Figuren) wird in einigen Ausführungsformen zur Umwandlung von Signalen, die aus der Überwachung der Rotorblattwurzelspannung resultieren, in digitale Signale verwendet, die von einem Computer oder Prozessor erkannt und verwendet werden können. Wieder mit Bezug auf 3: In einigen Ausführungsformen befestigt eine Vielzahl von eingesetzten T-Bolzen die Rotorblätter 108 an der Nabe 110. Diese T-Bolzen sind mit Dehnungsmessstreifen ausgerüstet, die zum Liefern von Spannungsinformationen an den Computer oder Signalprozessor verwendet werden. Zum Beispiel sind die eingesetzten T-Bolzen bei einigen Ausführungsformen in dem Rotorblatt installiert und sind dementsprechend, wie durch einen repräsentativen Befestigungspunkt 132 in 3 schematisch gezeigt, an den Anstell- oder Pitch-Lagern befestigt. In einigen Ausführungsformen ist auch ein Dehnungsmessstreifen 134 direkt an das Rotornabengehäuse 110 geschweißt. Einige Ausführungsformen überwachen die Bewegung des Getriebes 122 in einer vertikalen und horizontalen Ebene unter Verwendung eines Zahnkranz-Näherungssensors 136 mit in den vier Quadranten (z.B. bei 45°, 135°, 225° und 315°) angeordneten Näherungssensoren 136, von denen nur einer gezeigt ist. Die Bewegung des Getriebes 122 wird in einen Vektor umgewandelt, um festzustellen, ob ein Rotorblattmassenungleichgewicht besteht. (Wenn hierin die Ausdrücke 'SensorA und 'SondeA verwendet werden, sind sie synonym.)
In verschiedenen Ausführungsformen werden die Azimutalposition und die Drehzahl des Blattes unter Verwendung von Näherungssensoren und/oder Wellendrehgebern überwacht. Ein auf die Hauptwelle 118 gerichteter Näherungssensor 137 liefert einen digitalen Impuls, wenn sich eine Markierung, die einer speziellen Azimutalposition des Rotorblattes entspricht, unterhalb des Sensors bewegt. Als eine Alternative kann ein Drehgeber 139 verwendet werden, der über eine Kupplung (nicht gezeigt) an der langsam drehenden Welle 141 befestigt ist. Die Verwendung beider Alternativen und/oder zusätzlicher Sensoren oder Drehgeber in einer einzigen Ausführungsform ist möglich und kann benutzt werden, um für eine erhöhte Zuverlässigkeit Redundanz zu schaffen. Die Signale von dem/den Sensor(en) 137 und/oder dem/den Drehgeber(n) 139 werden an den Computer oder Signalprozessor gesendet und zum Bestimmen der Azimutalposition und der Drehzahl des Blattes verwendet.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden eine oder mehrere der oben beschriebenen Sensorkonfigurationen, und der Computer oder Signalprozessor wird verwendet, um aus den überwachten Parametern Änderungen des Rotationsvektors der Nabe 110 entweder dem Betrag oder der Richtung nach (oder beidem) und/oder Spannungsdifferenzen in den Rotorblattwurzeln 114 festzustellen. Diese Vektoränderungen und/oder Spannungsdiffenrenzen sind Abweichungen, die, wenn sie festgestellt werden, für Blattmassenungleichgewichte kennzeichnend sind. Die bekannten physikalischen Gesetze von Masse, Bewegung und Moment können von dem Computer oder Signalprozessor angewandt werden, um vor solchen Ungleichgewichten zu warnen. Einige Abweichungen (z.B. Umlaufbewegungen) erfordern auch die Kenntnis der Positionen der einzelnen Blätter. Diese Positionen können unter Verwendung der Signale bestimmt werden, die von den Näherungssensoren und/oder Wellendrehgebern geliefert werden.
In einigen Ausführungsformen werden auch die Luftbedingungen (z.B. Temperaturschwankungen, Druckschwankungen, Feuchtigkeit) unter Verwendung eines oder mehrerer meteorologischer Standardsensoren überwacht, um festzustellen, ob die meteorologischen Bedingungen zur Bildung von Eis führen. Der (oder die) meteorologische(n) Sensor(en) 140 kann nahe bei den Blättern 108 der Windturbine 100, z.B. auf dem Turm 104 oder der Gondel 102 (wie in 3 gezeigt) angeordnet sein, um die Bedingungen in der Höhe der Rotorblätter 108 genauer wiedergeben zu können. Um falsche Vereisungsalarme zu vermeiden, ist in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Eiserkennungslogik und/oder die Eiswarnungslogik deaktiviert, wenn die überwachten meteorologischen Parametersignale von den meteorologischen Sensoren 140 anzeigen, dass eine Vereisung unwahrscheinlich ist (Z.B. ist die Luftfeuchtigkeit zu niedrig oder die Temperatur zu hoch.). Das Blattmassenungleichgewicht kann jedoch auf andere unbekannte Zustände zurückzuführen sein. Folglich ist es bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, aber nicht erforderlich, einen nicht vereisungsbedingten Anomaliealarm auszugeben, wenn die meteorologischen Sensoren 140 anzeigen, dass eine Vereisung unwahrscheinlich ist, aber eine Blattmassenanomalie angezeigt wird.
Ein Blattungleichgewicht kann auch von der Windnachfüh- rung (Yaw) hervorgerufen werden. Um falsche Vereisungszustandsalarme in Folge von Blattungleichgewichten aufgrund der Nachführung zu vermeiden, überwachen daher einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Nachführfehlerzustände unter Verwendung beliebiger bekannter Verfahren, um dies auszuführen. In diesen Ausführungsformen wird der Computer oder Signalprozessor daran gehindert, eine Vereisungswarnung wegen eines Blattungleichgewichtes auszugeben, außer wenn Zustände mit einem Nachführfehler nahe Null festgestellt werden. Eine Nachführung 'nahe NullA liegt vor, wenn der Rotor 106 in den Wind hinein gerichtet ist, so dass die Blattwurzelspannungen und andere auf die Nachführung zurückzuführende Ungleichgewichte im Vergleich zu denjenigen Spannungen und Ungleichgewichten wesentlich reduziert sind, die von einem Ausmaß der Vereisung hervorgerufen werden, das von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in angemessener Weise erkannt werden könnte. Ein Zielkonflikt oder Trade-Off besteht zwischen den erkennbaren Ausmaßen der Vereisung und dem Betrag der Nachführung, der toleriert werden kann, so dass der Maximalbetrag der Nachführung in dem Zustand mit einer Nachführung 'nahe NullA eine Auslegungsentscheidung ist, die einem Fachmann nach dem Erlangen eines Verständnisses der Prinzipien des Betriebs der vorliegenden Erfindung überlassen werden kann.
In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein Blattmassenungleichgewicht durch Messung von Biegemomenten an der Blattwurzel 114 unter Bedingungen mit einem Nachführfehler nahe Null erkennen, wird ein kurzzeitgemitteltes Signal, das in Folge der Windscherung vorhanden ist, aus dem überwachten Biegemomentsignal der Blattwurzel herausgefiltert. In Ausführungsformen, in denen die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Blattes verwendet wird, um ein Blattmassenungleichgewicht zu bestimmen, wird die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Blattes in einigen Ausführungsformen unter Verwendung der überwachten Blattdrehzahl und der mittleren freien Windgeschwindigkeit bestimmt, die unter Verwendung der meteorologischen Instrumente 140 überwacht wird. Ein bekannter Windzustand (Erregerfunktion) erzeugt innerhalb eines Genauigkeitsfensters eine bekannte dynamische Antwort. Diese dynamische Antwort wird durch einen Belastungssensor direkt oder indirekt durch Messung der Wurzelbiegemomente überwacht. In dem Fall eines Ungleichgewichtes wird eine Anomalie in der dynamischen Antwort im Vergleich zu einem Grundlinien-Betriebszustand beobachtet, wenn die Umgebungsbedingungen Vereisungszustände nicht fördern (z.B. die Temperatur ist zu hoch). Spezieller wird eine Parks-DQ-Transformation verwendet, um das rotierende System (Flanschoberfläche und Azimutal-Resetmarkierung des Blattes) an das feststehende System (Näherungssensoren) anzupassen, was als ein horizontaler oder vertikaler Vektor oder ein rotierender Vektor dargestellt werden kann. Dieser Vektor stellt die Biegung der überwachten Komponente dar. Diese Biegung kann mit den Biegemomenten der Blattwurzel korreliert werden. Eine Verringerung des Blattauftriebs kann auch Vereisungszuständen zuzurechnen sein. Der Blattauftrieb verursacht ein Biegemoment in der Flügelebene und wird in einigen Ausführungsformen durch das Überwachen eines sinusförmigen Blattbiegesignals und das Vergleichen dieser Signale mit den zuvor aufgenommenen und gespeicherten Signalen eines Blattes überwacht, das in einem bekannten Fall ohne Eislast bei ähnlichen Windbedingungen betrieben wird.
In vielen Ausführungsformen werden die Biegemomente der Blattwurzel entlang einer näherungsweise in Flügelrichtung (flapwise) gerichteten Wurzelbiegeachse (d.h. rechtwinklig zu der Sehnenlinie, einer geraden Linie von der vorderen Kante zu der hinteren Kante) überwacht. Die Biegemomente der Blattwurzel können jedoch auch in der näherungsweise seitlich (edgewise) verlaufenden Wurzelbiegeachse überwacht werden.
Weil die Vereisung eine verringerte aerodynamische Leistungsfähigkeit und/oder eine erhöhte Blattmasse verursacht, verwenden einige Ausführungsformen Signale von Sensoren, die die zum Einstellen der Blattanstellung oder Pitch verwendeten Anstellmotoren überwachen. (Die Blattanstellungen werden unter Verwendung der Pitch- oder Anstellsteuerung 149 eingestellt, die in 3 gezeigt ist) . Blattmassenanomalien können von Sensoren angezeigt werden, die die Antwort der Anstellmotorbetätigung überwachen, weil die Antwort langsamer werden kann, wenn Vereisung auftritt.
Eis auf einem Rotorblatt kann mit Hilfe von Schall erkannt werden. Daher können zusätzliche Sensoren, wie z.B. Schwingungssensoren oder Mikrofone (nicht gezeigt) verwendet werden, um die akustischen Eigenschaften der Blätter 108 oder des Turmes 104 zur Erkennung einer Vereisung zu überwachen. Eine Blattmassenveränderung kann durch eine Verringerung der Eigenfrequenz oder eine Veränderung der akustischen Charakteristik von entweder einem Blatt 108 oder dem Turm 104 angezeigt werden. Ein Blattmassenungleichgewicht kann von einer unterschiedlichen Verringerung der Eigenfrequenzen der verschiedenen Blätter 108 angezeigt werden. Jede beliebige Analyse der Signale von den Schwingungssensoren oder Mikrofonen, die eine Verringerung der Eigenfrequenz oder eine Veränderung der akustischen Charakteristik erkennen kann, kann zum Erkennen des Bestehens einer Blattmassenanomalie verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen wird ein Blattmassenungleichgewicht durch einen Sensor für physikalische Parameter erkannt, der die Ausgangsleistung der Windturbine 100 überwacht. In einigen Ausführungsformen wird dieser Parameter unter Verwendung eines aufzeichnenden Stromwandlers oder Wattmeters oder einem beliebigen anderen Instrument überwacht, von dem die Ausgangsleistung der Windturbine 100 über einen Zeitraum abgeleitet werden kann. Ein Rotor 108 im Ungleichgewicht wird in vielen Fällen eine Schwingung erzeugen (z.B. bei der Frequenz oder bei den Harmonischen der gegenwärtigen Drehzahl der Rotornabe 110), die durch eine solche Analyse erkannt werden kann. In einigen Ausführungsformen werden Sensoren für die Azimutalposition und die Drehzahl des Blattes verwendet, um die gegenwärtige Rotationsfrequenz für die Analyse zu bestimmen. Wenn eine Schwingung erkannt wird, die auf ein Blattmassenungleichgewicht hindeutet (in einigen Ausführungsformen unter der Bedingung, dass die überwachten, meteorologischen Zustandsgrößen eine Vereisung fördern), wird eine Vereisungswarnung ausgegeben. In einigen Ausführungsformen kann auch gleichermaßen eine verringerte aerodynamische Effizienz erkannt und unter Verwendung der überwachten Leistungssignale quantifiziert werden.
In einigen Ausführungsformen werden Blattmassenveränderungen unter Verwendung von überwachten Systembelastungen erkannt, die mit den vorher überwachten Systembelastungen einer ansonsten identischen Windturbine verglichen werden, bei der jedem Rotorblatt 108 bekannte Mengen zusätzlicher Masse in gleicher Menge hinzugefügt worden sind. (Der hierin verwendete Ausdruck 'ansonsten identischA bedeutet, dass die Windturbinen aerodynamische und Energie erzeugende Komponenten aufweisen, die im Wesentlichen die gleichen sind. Es ist nicht erforderlich, dass alle Merkmale der verglichenen Windturbinen identisch sind, wenn die unterschiedlichen Merkmale nicht mit der aerodynamischen oder der die Energieerzeugung betreffenden Leistungsfähigkeit Zusammenhängen. Zum Beispiel sollten nur die Größe, die Form, das Gewicht und die Anzahl der Rotorblätter 108 identisch sein, während es ihre Farbe nicht zu sein braucht.) Einige dieser Ausführungsformen überwachen die Blattwurzelbiegemomente, z.B. die Biegemomente in der seitlichen) Richtung (edgewise). Anstiege der Blattmasse führen wahrscheinlich zu einer Änderung des sinusförmigen seitlichen Biegesignals, das durch Vergleich mit einem vergleichbaren Blatt erkannt wird, das unter ähnlichen Windbedingungen betrieben wird und das bekanntermaßen eisfrei ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwachen entweder die Amplitude oder die RMS (quadratischer Mittelwert)-Amplitude des seitlichen Biegemomentsignals oder beide. Eine Änderung einer von beiden oder beider zeigt eine Veränderung der Blattmasse an.
Übergänge zwischen Zuständen mit Blattmassenungleichgewicht und einem Zustand mit Blattmassenänderung können schnell auftreten. Durch Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, beliebige Blattvereisungsfälle zu erkennen und einen Eisabwurf über transiente Kurzzeitsignale festzustellen. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird auch der Ort der Vereisung unter Verwendung der Beigemomentsignalen von Sensoren erkannt, die an vielen Orten entlang der Spannweite des Rotorblattes angeordnet sind. Zum Beispiel und nicht zum Zwecke der Beschränkung weisen einige Ausführungsformen Dehnungsmessstreifen, die auf den Rotorblättern, der Nabe, und der Hauptwelle angeordnet sind, über die Hauptwellenflanschsensoren und durch andere Verfahren auf.
In einigen Ausführungsformen und in Bezug auf 8 enthält eine Turbinensteuerung 300 einen Bus 302 oder andere Kommunikationseinrichtungen, um Informationen zu übertragen. Der oder die Prozessor (en) 304 sind zum Verarbeiten von Informationen, einschließlich der Informationen von den verschiedenen Sensoren (z.B. den Sensoren 116, 120, 128 und 140), mit dem Bus 302 gekoppelt, um zu bestimmen, ob ein Blattmassenungleichgewicht oder eine Blattmassenänderung infolge von Vereisung besteht. Die Turbinensteuerung 300 enthält weiterhin ein Random-Access-Memory (RAM) 306 und/oder weitere Speichereinrichtung (en) 308. Das RAM 306 und die Speichereinrichtung(en) 308 sind mit dem Bus 302 gekoppelt, um die Informationen und die von dem Prozessor (en) 304 auszuführenden Anweisungen zu speichern und zu übertragen. Das RAM 306 (und ebenfalls die Speichereinrichtung (en) 308, falls erforderlich) kann auch zum Speichern temporärer Variablen oder anderer Zwischeninformationen während der Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor(en) 304) verwendet werden. Die Turbinensteuerung 300 kann auch ein Read-Only-Memory (ROM) und/oder eine andere statische Speichereinrichtung 310 enthalten, die mit dem Bus 302 gekoppelt ist, um statische (d.h. sich nicht ändernde) Informationen und Anweisungen zu speichern und diese an den oder die Prozessor (en) 304 zu liefern. Die Eingabeeinrichtung (en) bei 312 kann beliebige der hierin beschriebenen oder in der Fachwelt bekannten Vorrichtungen zum Überwachen der physikalischen, charakteristischen Größen enthalten, um Eingangsdaten an die Turbinensteuerung 300 zu liefern. Die Ausgabeeinrichtungen bei 312 können Vorrichtungen enthalten, die sichtbare und/oder hörbare Hinweise an eine Bedienerkonsole (auch nicht gezeigt in 8) oder an eine automatische Vorrichtung liefern, die aufgrund solcher Informationen handelt oder diese anordnet. Die Informationen werden von einer Speichereinrichtung, wie z.B. einer Magnetplatte, einem Read-Only-Memory (ROM), einer integrierten Schaltung, einer CD-ROM oder einer DVD, über eine Fernverbindung, die entweder verdrahtet oder drahtlos ist und Zugang zu einem oder mehreren elektronisch zugänglichen Medien etc. gewährt, an den Speicher geliefert. In einigen Ausführungsformen können fest verdrahtete Schaltungen anstelle von oder in Kombination mit Softwareanweisungen verwendet werden. Folglich ist die Ausführung der Befehlssequenzen nicht auf irgendwelche speziellen Kombinationen von Hardwareschaltungen und Softwareanweisungen beschränkt.
Eine Sensorschnittstelle 314 ist eine Schnittstelle, die es der Turbinensteuerung 300 erlaubt, mit einem oder mehreren Sensoren innerhalb einer Windturbine, einschließlich den zur Bestimmung eines Blattmassenungleichgewichtes und einer Blattmassenänderung verwendeten Sensoren zu kommunizieren. Sie Sensorschnittstelle 314 kann z.B. ein oder mehrere Analog-Digital-Wandler sein oder enthalten, die analoge Signale in digitale Signale umwandeln, die von dem Prozessor(en) 304 verwendet werden können.
In einigen Ausführungsformen und mit Bezug auf das Flussdiagramm 400 in 9 werden in Schritt 402 unter Verwendung meteorologischer Sensoren 140 meteorologische Bedingungen überwacht. Verschiedene physikalische, charakteristische Größen der Windturbine im Betrieb, die im Zusammenhang mit der Masse von einem oder mehreren Rotorblättern 108 und/oder einem Massenungleichgewicht zwischen den Rotorblättern 108 variieren, werden auch überwacht. In den Ausführungsbeispielen, die durch das Flussdiagramm 400 dargestellt werden, findet die Überwachung solcher physikalischer Bedingungen in den Schritten 404, 406 und 408 statt. Folglich werden die Geschwindigkeit und die Beschleunigung (und in bestimmten Ausführungsformen die Änderungen der Beschleunigungen) des Rotors 106 in dem Schritt 404 in einigen Ausführungsformen überwacht, in denen ein Blattmassenungleichgewicht überwacht wird. In einigen Ausführungsformen, in denen eine Blattmassenänderung überwacht wird, wird in dem Schritt 406 ein mechanisches und/oder elektrisches Moment überwacht. Biegebewegungen der Blattwurzel werden in dem Schritt 408 überwacht. Einige Ausführungsformen überwachen keine Nachführfehler und schreiten direkt zu dem Schritt 414 fort. Viele Ausführungsformen überwachen jedoch in dem Schritt 410 den Nachführfehler. Wenn bei 412 ein Nachführfehler überwacht worden ist und nicht nahe bei Null liegt, enthalten einige Ausführungsformen eine Annahme, dass jegliche Spannungen und Rotordrehzahleffekte, die bei 404 und 408 festgestellt worden sind, nicht das Ergebnis einer Vereisung, sondern stattdessen das Ergebnis von den von einem Nachführzustand verursachten gyroskopischen Belastungen sind. Daher wird keine Handlung vorgenommen, um entweder ein Blattenmassenungleichgewicht oder eine Blattmassenänderung zu signalisieren. Nachführzustände können sich jedoch ändern oder durch die Windturbine 100 korrigiert werden, wenn die Windturbine 100 zur Vornahme einer solche Korrektur eingerichtet ist. Daher korrigieren verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entweder den Nachführfehler und wiederholen danach die Schritte 402, 404, 406, 408 und 410 (und vielleicht 412) oder sie wiederholen die Schritte 402, 404, 406, 408 und 410, bis eine Menge von Signalen mit einem Nachführfehler nahe bei Null gewonnen worden ist. (Zusätzlich zur Durchführung der in dem Flussdiagramm 400 gezeigten Schritte können der Computer, der Prozessor und/oder die Turbinensteuerung 300 in einigen Ausführungsformen auch dazu programmiert sein, beim Korrigieren des Nachführfehlers mitzuwirken).
Nicht alle der Schritte 402, 404, 406, 408 und 410 müssen in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Darüberhinaus ist die Reihenfolge, in der die Schritte 402, 404, 406, 408 und 410 ausgeführt werden, unbedeutend, obwohl diese Schritte in einigen Ausführungsformen innerhalb einer ausreichend kurzen Zeit ausgeführt werden, so dass ihre Beziehung zueinander zuverlässig hergestellt wird.
Eine oder mehrere der überwachten physikalischen, charakteristischen Größen werden zur Feststellung verwendet, ob eine Blattmassenanomalie besteht. Folglich wird, wenn der Nachführfehler in dem Schritt 412 nahe bei Null liegt, ein kurzzeitgemitteltes Signal in Abhängigkeit von der Windscherung in denjenigen Ausführungsformen, in denen die Biegemomente der Blattwurzel überwacht werden, bei 414 aus den Blattwurzelbiegemomenten herausgefiltert. Als Nächstes werden die gefilterten Signale (in den Ausführungsformen, in denen die Filterung bei 412 durchgeführt wird) und beliebige überwachte Signale in dem Schritt 416 verarbeitet, um die Abweichungen von den erwarteten Werten zu bestimmen, wenn die Massen der Rotorblätter 108 in den Ausführungsformen, in denen ein Blattmassenungleichgewicht überwacht wird, ausgeglichen sind. In den Ausführungsformen, in denen eine Blattmassenänderung überwacht wird, wird eine Prüfung auf plötzliche Änderungen der Beschleunigung, der Biegemomente und/oder des Momentes (mechanisch und/oder elektrisch) vorgenommen. Abweichungen eines beliebigen der gefilterten oder überwachten Signale können benutzt werden, um in dem Schritt 418 festzustellen, ob ein Blattmassenungleichgewicht BMI besteht und/oder in dem Schritt 426 festzustellen, ob eine Blattmassenänderung BMC vorliegt.
Zahlreiche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überprüfen auch, ob die überwachten meteorologischen Zustandsgrößen mit einer Blattvereisung vereinbar sind. Folglich werden in den Ausführungsformen, in denen auf ein Blattmassenungleichgewicht hin geprüft wird, die von den meteorologischen Sensoren angezeigten atmosphärischen Bedingungen in dem Schritt 420 untersucht, um festzustellen, ob diese Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind, wenn in dem Schritt 418 eine eine Blattmassenungleichgewichtsstörung anzeigende Abweichung festgestellt worden ist. (Eisbildung wird als möglich angesehen, wenn gegenwärtige meteorologische Bedingungen vorliegen, die eine Vereisung fördern, oder wenn solche Bedingungen kurz genug vorher Vorgelegen haben, so dass Eis, das sich gebildet haben kann, noch auf den Rotorblättern 108 vorhanden sein kann.) Wenn eine Vereisung möglich ist (was in einigen Ausführungsformen z.B. bedeuten kann, dass die Wahrscheinlichkeit für Eisbildung einen ausgewählten Schwellenwert überschreitet), wird in dem Schritt 422 ein Blattmassenungleichgewicht infolge von Vereisungsbedingungen signalisiert. Einige Ausführungsformen zeigen in dem Schritt 424 ein nicht eisbedingtes Blattmassenungleichgewicht an, wenn eine Eisbildung in dem Schritt 420 nicht für möglich gehalten wird, obwohl ein von anderen Ursachen als Vereisung hervorgerufenes Blattmassenungleichgewicht nicht in jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angezeigt wird. Ein in dem Schritt 422 erzeugtes Signal kann in einigen Ausführungsformen verwendet werden, um automatisch eine Korrekturmaßnahme einzuleiten (wie z.B. das Aktivieren eines Enteisers auf einem Blatt 108, dessen Vereisung festgestellt worden ist, oder Verstellen der Rotorblätter 108 in die Segelstellungen (Feathered Position) im Wind, um die Beanspruchung zu verringern). Bei einigen Ausführungsformen wird ein vereisungsbedingtes Blattmassenungleichgewichtsignal auf einer entfernten Konsole ausgegeben, um einen Bediener zu alarmieren, dass Maßnahmen zur Abhilfe geboten sind. In den Ausführungsformen, in denen ein nicht eisbedingtes Blattmassenungleichgewicht angezeigt wird, können unterschiedliche Korrekturmaßnahmen erforderlich sein. Ob und wie solche Korrekturmaßnahmen durchgeführt werden, wird nicht als ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung angesehen.
Wenn keine Abweichung festgestellt worden ist, die in dem Schritt 418 eine Blattmassenungleichgewichtstörung anzeigt, oder wenn in anderen Ausführungsformen, in denen auf eine Blattmassenänderung hin geprüft wird, eine überwachte Abweichung oder eine plötzliche Änderung der Beschleunigung, der Biegemomente und/oder des Momentes festgestellt wird, die in dem Schritt 426 eine Blattmassenänderungsstörung anzeigt, werden die von den meteorologischen Sensoren angezeigten atmosphärischen Bedingungen in dem Schritt 428 untersucht, um festzustellen, ob eine Vereisung möglich ist. Wenn eine Vereisung möglich ist, wird in dem Schritt 430 eine Blattmassenänderung in Folge von Vereisung angezeigt. Einige Ausführungsformen zeigen in dem Schritt 432 auch eine nicht eisbedingte Blattmassenänderung an, wenn eine Vereisung in dem Schritt 428 nicht für möglich gehalten wird, obwohl eine von anderen Ursachen als Vereisung hervorgerufene Blattmassenänderung nicht in jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung signalisiert wird. Ein in dem Schritt 430 erzeugtes Signal kann in einigen Ausführungsformen dazu verwendet werden, automatisch eine Korrekturmaßnahme einzuleiten (wie z.B. das Aktivieren eines Enteisers auf einem Blatt 108, das als vereist erkannt worden ist, oder das Anstellen der Rotorblätter 108 in den richtigen Winkeln zum Wind, um die Spannung zu verringern). In einigen Ausführungsformen wird ein eisbedingtes Blattmassenänderungssignal auf einer entfernten Konsole angezeigt, um einen Bediener zu alarmieren, dass Maßnahmen zur Abhilfe erforderlich sind. Bei Ausführungsformen, in denen eine nicht eisbedingte Blattmassenänderung signalisiert wird, können unterschiedliche Korrekturmaßnahme(n) geboten sein. Ob und wie solche Korrekturmaßnahmen durchgeführt werden, wird nicht als ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung angesehen .
Wenn das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und die überwachten meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden, erfordert das Anzeigen einer eisbedingten Blattmassenanomalie nicht notwendigerweise, dass ein binäres Signal ausgegeben werden muss, das 'VereisungA oder 'keine VereisungA angezeigt. In einigen Ausführungsformen kann das ausgegebene Signal eine abgeleitete Wahrscheinlichkeit für Vereisung anzeigen. In solchen Fällen kann 'Anzeigen einer eisbedingten Blattmassenanomalie, wenn das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden istA das Anzeigen einer geringen Wahrscheinlichkeit oder der Wahrscheinlichkeit Null für Vereisung bedeuten, wenn die überwachten meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung nicht vereinbar angesehen werden, und es kann eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine Vereisung bedeuten, wenn das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und die überwachten meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden.
Wenn in dem Schritt 426 keine eine Blattmassenänderung anzeigende Abweichung festgestellt wird (oder in den Ausführungsformen, in denen eine Blattmassenänderung nicht überprüft wird, und wenn in dem Schritt 418 keine für ein Blattmassenungleichgewicht kennzeichnende Abweichung festgestellt worden ist), können die Schritte 402, 404, 406, 408 und 410 wiederholt und der durch das Flussdiagramm 400 dargestellte Ablauf fortgesetzt werden.
Obwohl zahlreiche der hierin beschriebenen Ausführungsformen einen Nachführfehler ungleich Null erfordern, um die Wurzelbiegemomente zu der Überprüfung zu verwenden, ob die Wurzelbiegemomente für eine Blattmassenanomalie kennzeichnend sind, ist ein Nachführfehler ungleich Null nicht in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Erfordernis. Wenn der Nachführfehler z.B. überwacht wird oder auf andere Weise bekannt ist, können der Computer, der Prozessor und/oder die Turbinensteuerung 300 in einigen Ausführungsformen eine gyroskopische Belastung des Rotors 106 bestimmen. Der Computer, der Prozessor und/oder die Turbinensteuerung 300 können dann eine geeignete Korrektur für die ermittelte gyroskopische Belastung liefern und/oder diese anpassen oder berücksichtigen, wenn bestimmt wird, ob anzuzeigen ist, dass eine Störung hinsichtlich einer physikalischen, charakteristischen Größe der Windturbine 100 von einer Blattmassenanomalie hervorgerufen wird.
In einigen Ausführungsformen können Blattmassenanomalien erkannt werden, indem die Gondel 102 absichtlich um die senkrechte Achse gedreht oder gegiert wird. Wenn die Gondel 102 nachgeführt oder gegiert wird, sind die so erzeugten gyroskopischen Belastungen konstant, bis ein Blattmassenungleichgewicht vorhanden ist. Daher kann das Auftreten einer variablen gyroskopischen Belastung erkannt und verwendet werden, um ein Blattmassenungleichgewicht anzuzeigen.
Eine Blattmassenanomalie kann als ein Ergebnis von sich langsam bildendem Eis auftreten, das sehr gleichmäßig verteilt ist. In einigen Fällen kann die Auflösung der Sensoren nicht ausreichen, um solches Eis zu erkennen. Wenn das resultierende Eis jedoch ungleichmäßig abbricht, wie z.B. bei einem plötzlichen Abscheren von einem Blatt, besteht ein plötzliches Massenungleichgewicht, das erkannt werden kann.
Ein anderer physikalischer Parameter, der zum Erkennen von Blattmassenanomalien verwendet werden kann, ist der Anstellwinkel oder Angriffswinkel der Rotorblätter 108. Wenn dieser Anstellwinkel für eine gemessene Windgeschwindigkeit außerhalb der erwarteten Grenzen liegt, ist eine durch Vereisung verursachte, verringerte aerodynamische Leistungsfähigkeit wahrscheinlich. Daher sind der Computer, der Prozessor und/oder die Turbinensteuerung 300 in einigen Ausführungsformen so programmiert, dass sie eine Blattmassenanomalie signalisieren, wenn das Anstellsystem 149 die Rotorblätter 108 außerhalb eines vorbestimmten Nennbereiches für eine von den meteorologischen Sensoren 140 gemessene Windgeschwindigkeit anstellt.
Es wird daher verstanden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Erkennung und Anzeige von eisbedingten Blattmassenanomalien ermöglichen, die die Leistungsfähigkeit der Windturbinenkraftwerke verringern oder möglicherweise schädigende Systembelastungszustände verursachen, wobei die Vornahme von Korrekturmaßnahmen ermöglicht wird, wenn dies erforderlich ist.
Ein Verfahren zum Erkennen von Eis 112 an einer Windturbine 100, die einen Rotor 106 und ein oder mehrere Rotorblätter 108 enthält, die jeweils Blattwurzeln aufweisen, enthält das Überwachen 402 von meteorlogischen Bedingungen im Zusammenhang mit Vereisungs 112-Zuständen und das Überwachen 404, 406, 408 einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine im Betrieb, die im Zusammenhang mit der Masse des einen oder der mehreren Rotorblätter und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern variieren. Das Verfahren enthält auch die Verwendung der einen oder der mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen Größen zum Bestimmen 418, 426, ob eine Blattmassenanomalie vorliegt, das Bestimmen 420, 428, ob die überwachten meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind und das Anzeigen 422, 430 einer eisbedingten Blattmassenanomlie, wenn das Vorliegen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und die überwachten meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Geistes und des Bereiches der Ansprüche auch mit Abwandlungen in die Praxis umgesetzt werden kann.
Bezugszeichenliste

100: Windturbine
102: Gondel
104: Turm
106: Rotor
108: Rotorblatt
110: Rotornabe
112: Eis
114: Rotorblattwurzel
116: Sensor
118: Hauptrotorwelle
120: Sensor
122: Getriebe
124: Hauptlager
126: Lichtleitfaser
128: Sensor
132: Befestigungspunkt
134: Dehnungsmessstreifen
136: Näherungssensor
137: Näherungssensor
139: Drehgeber
140: Meteorologische Sensoren
141: Langsam drehende Welle
143: Sensor
145: Wellenflansch
147: Sensorklammer
149: Anstellsteuerungssystem
300: Turbinensteuerung
302: Bus
304: Prozessor
306: RAM
308: Speichereinrichtung
310: statische Speichereinrichtung, ROM
312: Eingabe/Ausgabe-Einrichtung
314: Sensorschnittstelle
400: Flussdiagramm
402: Überwachen meteorologischer Bedingungen
404: Überwachen von Rotordrehzahl und -beschleunigung
406: Überwachen des mechanischen und/oder elektrischen Momentes
408: Überwachen der Blattwurzelbiegebewegung
410: Überwachen des Nachführfehlers
412: Bestimmen, ob der Nachführfehler nahe bei Null liegt
414: Filtern eines kurzzeitgemittelten Signals gemäß der Windscherung aus den Blattwurzelbiegemomenten
416: Verarbeiten der gefilterten und überwachten Signale, um Abweichungen von den erwarteten Werten zu bestimmen
418: Bestimmen, ob ein Blattmassenungleichgewicht vorliegt
420: Analysieren der von den meteorologischen Sensoren angezeigten Atmosphärenbedingungen, um festzustellen, ob diese Bedingungen mit Blattvereisung vereinbar sind
422: Signalisieren eines vereisungsbedingten Blattmassenungleichgewichtes
424: Signalisieren eines nicht vereisungsbedingten Blattmassenungleichgewichtes
426: Bestimmen, ob eine Blattmassenänderung vorliegt
428: Analysieren der von den meteorologischen Sensoren angezeigten Atmosphärenbedingungen, um festzustellen, ob Vereisung möglich ist
430: Signalisieren einer vereisungsbedingten Blattmassenänderung
432: Signalisieren einer nicht vereisungsbedingten Blattmassenänderung

Claims

Verfahren zum Erkennen von Eis (112) auf einer Windturbine (100), die einen Rotor (106) und ein oder mehrere Rotorblätter (108) enthält, die jeweils Blattwurzeln (114) aufweisen, wobei das Verfahren enthält: Überwachen (402) von meteorologischen Bedingungen im Zusammenhang mit Vereisungsbedingungen, Überwachen (404, 406, 408) einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine im Betrieb, die im Zusammenhang mit der Masse des einen oder der mehreren Rotorblätter und/oder einem Massenungleichgewicht zwischen den Rotorblättern variieren, Verwenden der einen oder der mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen Größen, um festzustellen (418, 426), ob eine Blattmassenanomalie vorliegt, Feststellen (420, 428), ob die überwachten meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind, und Signalisieren (422, 430) einer eisbedingten Blattmassenanomalie, wenn das Vorliegen eine Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und die überwachten meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden, wobei die physikalischen, charakteristischen Größen eine Auslenkung einer Hauptwelle (118) der Windturbine und/oder Blattwurzelbiegemomente einschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem das Überwachen eines Nachführfehlers umfasst und bei dem das Signalisieren einer eisbedingten Blattmassenanomalie außerdem davon abhängig gemacht ist, dass der überwachte Nachführfehler nahe Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zu der wenigstens einen physikalischen, charakteristischen Größe der Windturbine die Rotorgeschwindigkeit und -beschleunigung oder Veränderungen der Rotorgeschwindigkeit und -beschleunigung gehören.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zu der wenigstens einen physikalischen, charakteristischen Größen der Windturbine Veränderungen im mechanischen Drehmoment, Veränderungen im elektrischen Strom oder Veränderungen in den Blattwurzelbiegemomenten gehören.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zu der wenigstens einen physikalischen, charakteristischen Größe der Windturbine oszillatorische Abweichungen der Ausgangsleistung der Windturbine, eine Systembelastung der Windturbine oder eine Beanspruchung von Teilen der Windturbine (100) gehören.
Windturbine, die aufweist: einen Rotor (106), der ein oder mehrere Rotorblätter (108) enthält, einen oder mehrere meteorologische Sensoren (140), die zum Überwachen (402) von meteorologischen Bedingungen im Zusammenhang mit Vereisung (112) eingerichtet sind, einen oder mehrere Sensoren für physikalische, charakteristische Größen, wobei die Sensoren zum Überwachen (404, 406, 408) einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine im Betrieb eingerichtet sind, die im Zusammenhang mit einer Masse des einen oder der mehreren Rotorblätter und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern variieren, und einen Prozessor, der betrieblich mit dem einen oder den mehreren meteorologischen Sensoren und dem einem oder den mehreren Sensoren für physikalische, charakteristische Größen gekoppelt ist, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist: festzustellen (420, 428), ob die überwachten meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind; die eine oder die mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen Größen zu verwenden, um festzustellen (418, 426), ob eine Blattmassenanomalie vorliegt, und ein Signal zu erzeugen (422, 430), das eine vereisungsbedingte Blattanomalie anzeigt, wenn das Vorliegen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und die überwachten meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden, wobei die eine oder mehreren physikalischen, charakteristischen Größen der Windturbine wenigstens eine Auslenkung einer Hauptwelle (118) der Windturbine und/oder Blattwurzelbiegemomente einschließen.
Windturbine nach Anspruch 6, bei der das Erzeugen eines eine eisbedingte Blattanomalie anzeigenden Signals davon abhängig ist, dass ein Windnachführfehler nahe Null ist.
Windturbine nach Anspruch 6, bei der zu der einen oder den mehreren physikalischen Größen der Windturbine die Rotordrehzahl und -beschleunigung oder Veränderungen der Rotordrehzahl und -beschleunigung gehören.
Windturbine nach Anspruch 6, bei der zu der einen oder den mehreren physikalischen Größen der Windturbine Veränderungen im mechanischen Drehmoment, Veränderungen im elektrischen Strom oder Veränderungen in den Blattwurzelbiegemomenten gehören.
Windturbine nach Anspruch 6, bei der zu der einen oder den mehreren physikalischen Größen der Windturbine oszillatorische Abweichungen der Ausgangsleistung der Windturbine, eine Systembelastung der Windturbine oder eine Beanspruchung eines Teiles der Windturbine gehören.