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Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die Anbringung und Ausbildung einer Referenzmarkierung zur Rotorblattwinkelmessung an Rotoren von Windenergieanlagen. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren für die Anbringung und Ausbildung einer Referenzmarkierung zur Rotorblattwinkelmessung unter Nutzung der vorgenannten Anordnung.
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Die Rotorblätter von Windenergieanlagen haben in Bezug auf die Rotordrehebene in Abhängigkeit der Betriebsparameter und unter strömungsmechanischen Gesichtspunkten eine optimale Position. Der Positionsbestimmung des Rotorblattes kommt somit eine wichtige Bedeutung zu, um einen strömungsmechanisch und energieeffizienten optimalen Betrieb der Windenergieanlage zu realisieren.
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Vor dem Hintergrund der großen Dimensionen moderner Windenergieanlagen und deren Rotorblätter ist es mit diversen praktischen Problemen verknüpft, die optimale Positionierung der Rotorblätter zur Rotordrehebene zu realisieren. Der Winkel zwischen der Profilsehne des Referenzprofilquerschnitts eines Rotorblattes zur Rotordrehebene wird auch als absoluter Blattwinkel bezeichnet. Um Korrekturen an der Rotorblattstellung vorzunehmen, muss zunächst eine exakte Rotorblattwinkelmessung erfolgen, welche die Abweichung von der optimalen Lage des Rotorblattes in Form und Höhe des absoluten Blattwinkels bestimmt.
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Weiterhin ist beispielsweise nach der
DE 103 007 33 B3 ein Betriebsführungssystem für eine Windenergieanlage bekannt, über das eine Leistungsabgabe der Anlage geregelt wird. Die Windenergieanlage weist einen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt auf, das in einem einstellbaren Rotorblattwinkel zu dem Rotor angeordnet ist. Das Betriebsführungssystem regelt innerhalb eines vorgegebenen Windgeschwindigkeitsbereichs die Rotordrehzahl unter Verstellung des Rotorblattwinkels zur Einstellung einer Nennleistung. Ab einem definierten windgeschwindigkeitsabhängigen Grenzwert wird die Leistung reduziert. Dabei ist der Grenzwert ein definierter Rotorblattgrenzwinkel. Um ein derartiges Regelungsverfahren erfolgreich anzuwenden, ist eine exakte Grundeinstellung des Rotorblattwinkels erforderlich.
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Die Blattwinkelmessung ermöglicht es, die Abweichungen des absoluten Blattwinkels der Rotorblätter zu erkennen. Somit können nachfolgend alle Blätter des Windrads exakt in der Nullstellung ausgerichtet werden, womit Vibrationen reduziert und der Ertrag der Anlage maximiert werden.
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Durch eine fehlerhafte Grundeinstellung können die Rotorblattwinkel innerhalb eines Blattsatzes voneinander abweichen. Nicht synchron eingestellte Rotorblätter regen eine Windenergieanlage, wie bei einer Massenunwucht, zu rotordrehfrequenten Schwingungen an. In diesem Fall liegt eine aerodynamische Rotorunwucht vor, die es zu erkennen und zu beseitigen gilt. Bereits eine Abweichung von 0,1° kann zu einer signifikanten aerodynamischen Unwucht des Rotors führen. Maximal zulässig ist eine Abweichung von 0,6°.
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Es existieren verschiedene Methoden zur Feststellung des Rotorblatteinstellwinkels.
Eine technisch relativ aufwändige Methode ist als dynamisches laseroptisches Verfahren bekannt, welches sich an der maximalen Blatttiefe und -spitze des Rotorblattes orientiert.
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Weiterhin sind statische laseroptische Verfahren bekannt, welche mit entsprechenden Spezialmessgeräten den absoluten Blattwinkel bestimmen.
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Die angegebenen Lasermethoden erfordern einen hohen Zeitaufwand und erhebliche Kosten bedingt durch das aufwändige Messequipment. Teilweise sind zudem die dabei genutzten Referenzradien mit systembedingten größerem Ungenauigkeitspotential behaftet.
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Eine sehr einfache Methode der Blatteinstellung mittels werkseitiger Referenzmarkierungen in Rotorblattflansch und -nabe führt erfahrungsgemäß jedoch zu Abweichungen, welche einen relativ großen Einfluss auf die Betriebsweise der Windenergieanlage haben.
Nachteilig an der vorgenannten Methode ist, dass die Einstellung des Blattwinkels nach Referenzmarkierungen mit Übertragungsfehlern sowie Ablesefehlern belastet ist, welche zu erheblichen Fehleinstellungen und damit verbundener ineffizienter Betriebsweise der Windenergieanlage führen.
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Eine praktikable, weil apparativ unaufwändige Bestimmung des absoluten Blattwinkels wird mit der photometrischen Messung realisiert. Dabei wird eine Fotografie einer Profilmanschette bzw. von Profilmarkierungen als Referenzmarkierungen entlang der Blattachse mit dem Rotor im Hintergrund vorgenommen und auf der Basis dieser photometrischen Messung der absolute Blattwinkel bestimmt.
Für die photometrische Messung ist eine Referenzmarkierung am Rotorblatt erforderlich, deren Anbringung am Rotorblatt durch Seilarbeit ein gewisses Gefahrenpotential in sich birgt und zudem mit Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.
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Insgesamt besteht somit die Aufgabe der Erfindung darin, die Einsetzbarkeit der relativ kostengünstigen und effizienten photometrischen Messung des absoluten Blattwinkels zu verbessern.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere mittels einer Anordnung für die Anbringung und Ausbildung einer Referenzmarkierung zur Rotorblattwinkelmessung an einem Rotorblatt einer Windenergieanlage dadurch gelöst, dass am Rotorblatt der Windenergieanlage eine Referenzmarkierung als Messseil ausgebildet ist. Das Messseil bildet somit die Referenzmarkierung, welche auch als Profilmanschette oder Profilmarkierung bezeichnet wird. Das Messseil wird in einer Messebene angeordnet, deren Lage im Vorhinein gezielt in einer bestimmten Lage des Profilquerschnitts des Rotorblattes gewählt wird. Das Messseil ist endseitig zwischen zwei spannbaren Spannseilen fixiert. Die Spannseile wiederum sind zwischen einer oberen Fixierebene und einer unteren Fixierebene spannbar angeordnet. Zur Ausbildung der Referenzmarkierung wird das Messseil mittels der Spannseile an den Profilquerschnitt des Rotorblattes mindestens teilweise zwischen einer Abströmkante und einer Anströmkante des Rotorblattes an das Rotorblatt angelegt. Das Messseil wird sodann in der Messebene über die Positionierung der Spannseile gespannt und kann als Referenzmarkierung für die photometrische Bestimmung des absoluten Blattwinkels α (Alpha) eingesetzt werden.
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Vorteilhaft weist das Messseil mindestens die Länge der Außenkontur des Profilquerschnitts zwischen der Abströmkante und der Anströmkante auf.
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Bevorzugt wird das Messseil jeweils endseitig mittels einer Seilklemme an einem Spannseil in einem Messabstand fixiert, wobei der Messabstand der Abstand von der oberen Fixierebene der Spannseile zur Messebene ist, in welcher das Messseil angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt sind die Seilklemmen für das Messseil am Spannseil für einen veränderbaren Messabstand von Fixierebene zu Messebene in verschiedenen Positionen am Spannseil fixierbar ausgebildet. Über die Verschiebung des Messseiles entlang der Spannseile kann somit eine Messung in verschiedenen Ebenen des Rotorblattes erfolgen.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mehrere Messseile in unterschiedlichen Messabständen zwischen den Spannseilen in mehreren Messebenen angeordnet sind. Diese Ausgestaltung beinhaltet den zusätzlichen Vorteil, dass auch mehrere Querschnitte innerhalb des axialen Verlaufs des Rotorblattes in einem Messzyklus abgebildet werden können, wodurch zusätzlich eine Messung des Twistverlaufs des Rotorblattes möglich ist.
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Vorteilhaft sind die Spannseile an oberen Fixierpunkten in der oberen Fixierebene fixiert, wobei die oberen Fixierpunkte beidseits an der Rotornabe in der oberen Fixierebene angeordnet sind.
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Alternativ zur separaten Fixierung der Spannseile an verschiedenen oberen Fixierpunkten können die Spannseile in einem gemeinsamen oberen Fixierpunkt in der oberen Fixierebene fixiert werden.
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Die Messebene ist bevorzugt exakt horizontal und senkrecht zur Blattachse angeordnet. Die obere Fixierebene ist aus praktischen Gründen bevorzugt parallel zur Messebene und damit gleichfalls horizontal angeordnet. Dabei entspricht der Messabstand der Seillänge der Spannseile von der oberen Fixierebene bis zur Messebene bei parallelen Spannseilen. Sind die Spannseile nicht parallel, ändert sich der Messabstand entsprechend der trigonometrischen Beziehungen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren für die Anbringung und Ausbildung einer Referenzmarkierung zur Rotorblattwinkelmessung an Windenergieanlagen gelöst, welches durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- • Fixieren der Spannseile an einem gemeinsamen oder zwei voneinander beabstandeten oberen Fixierpunkten in der oberen Fixierebene,
- • Fixieren des Messseiles mittels der Seilklemmen zwischen den Spannseilen im vorgegebenen Messabstand,
- • Herablassen der Spannseile mit dem Messseil entlang einer Vorderseite des Rotorblattes,
- • Aufspannen des Messseiles und Spannen der Spannseile in vertikaler und horizontaler Richtung vor der Rotordrehebene,
- • Anlegen des Messseiles an den Profilquerschnitt auf der Druckseite des Rotorblattes durch Positionieren der unteren Fixierpunkte der Spannseile hinter der Rotordrehebene und Fixieren der Spannseile an den unteren Fixierpunkten in der unteren Fixierebene.
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Das Verfahren wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Spannseile hinter der Rotordrehebene verschränkt werden und das Messseil um die Abströmkante und die Anströmkante herumgeführt und auf der Rückseite des Rotorblattes an den Profilquerschnitt des Rotorblattes mindestens partiell angelegt wird.
Die Vorderseite des Rotorblattes kann die Druckseite oder die Saugseite sein und entsprechend ist die Rückseite die jeweils gegenüberliegende Seite des Rotorblattes.
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Konzeptionsgemäß wird mit einfachen Mitteln eine Referenzmarkierung am Rotorblatt mittels des Messseiles erzeugt beziehungsweise sichtbar gemacht, wonach die Referenzmarkierung dann fotografisch aufgenommen und ausgewertet werden kann.
Der Aufbau der Referenzmarkierungsanordnung ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Seile entlang des nach unten gerichteten Rotorblattes beidseits herabhängen und dass zwischen diesen spannbaren Seilen ein Messseil als Verbindungsseil angeordnet ist. Das Messseil ist endseitig mittels Seilklemmen an den Spannseilen befestigt. Die Anordnung der Seile und insbesondere die horizontale Lage des Messseiles ist festgelegt und muss auf den jeweiligen Anlagentyp referenziert und geeicht werden. Der Abstand der Seilklemmen, auch als Stopper bezeichnet, zum oberen Ende der Seile definiert die Messposition.
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Das Verfahren zur Anbringung der Referenzmarkierung besteht dem Grunde nach darin, dass das Seilsystem von oben aus der Gondel installiert wird. Dabei sind oben entsprechende Markierungen für die Fixierung der Spannseile, die oberen Fixierpunkte, notwendig, um die Position oben reproduzierbar zu gestalten. Der fixierte Abstand durch die Stopper beziehungsweise die Seilklemmen definiert die Lage der Messebene und damit das Messprofil, welches den Profilquerschnitt des Rotorblattes darstellt. Die nach unten hängenden Spannseile werden in der entsprechenden Position auf Spannung gebracht und ebenfalls in der unteren Position, beispielsweise auf dem Boden, fixiert. Das Messseil liegt am Rotorblatt an der Druckseite oder an der Saugseite an und formt die Kontur des Profils des Rotorblattes, mithin die äußere Begrenzung des Profilquerschnitts des Rotorblattes. Das Profil muss nicht vollständig geschlossen sein, wobei eine Option für volle Profile denkbar ist. Die Seile werden überkreuz verspannt, was auch als verschränkte Verspannung bezeichnet wird, wodurch ein Anliegen des Messseiles auch über die Anströmkante und die Abströmkante hinaus gewährleistet ist. Es wird somit die volle Abbildung der druckseitigen oder der saugseitigen Kontur des Profilquerschnitts des Rotorblattes durch das Markierungsseil gewährleistet.
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Weiterhin kann eine Verifizierung der Position der Referenzmarkierung mit Entfernungsmessmethoden modular vorgesehen werden. Damit ist die Referenzposition zum Boden beziehungsweise zur Gondel bestimmbar.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass eine genaue Abbildung der Druckseite oder der Saugseite des Rotorblattes einer Windenergieanlage durch die Referenzmarkierung möglich wird. Somit kann der tatsächlich eingestellte Blattwinkel α (alpha) gemessen werden. Dies ist mit einer photometrischen Methode ohne großen technischen und finanziellen Aufwand im Vergleich zu Lasermessmethoden möglich.
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Auch besteht ein deutlich geringerer Aufwand gegenüber seilzugangsbasierten Methoden der Anbringung von Referenzmarkierungen.
Für die Anbringung der Referenzmarkierung ist kein Höhenarbeiter und kein damit zusammenhängender materieller, zeitlicher und somit kostenmäßiger Aufwand erforderlich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass keine teuren Zusatzgeräte benötigt werden. Als Haupteffekt der Anwendung der Erfindung ist die erhöhte Verfügbarkeit der Windenergieanlage hervorzuheben.
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Ein Vorteil des Systems besteht weiterhin darin, dass es variabel ist und auf verschiedene Anlagentypen eingestellt werden kann. Die Anordnung der Seile ist festgelegt, nur die Abstände und Dimensionen müssen auf den jeweiligen Anlagentyp referenziert beziehungsweise geeicht werden, was ohne großen Aufwand möglich ist.
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Auch kann das Seilsystem auf die Anbringung mehrerer Querschnitte aufgerüstet werden, wodurch zusätzlich eine Messung des Twistverlaufs des Rotors möglich ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Profilquerschnitt des Rotorblatts in Nullstellung,
- 2: Profilquerschnitt des Rotorblatts mit einer Abweichung von der Nullstellung zur Rotordrehebene,
- 3: schematische Darstellung der Windenergieanlage mit unverspannter Anordnung der Seile zur Ausbildung einer Referenzmarkierung,
- 4: Anordnung einer Referenzmarkierung in verspanntem und fixiertem Zustand und
- 5: Ausschnitt Messseil in unverspanntem und verspanntem Zustand.
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In 1 ist ein Profilquerschnitt 12 eines Rotorblattes 2 dargestellt, wobei der Profilquerschnitt 12 in Nullstellung in Bezug auf die Lage zur Rotordrehebene 11 positioniert ist. Der Profilquerschnitt 12 besitzt eine Profilsehne 13, an deren vorderem Schnittpunkt mit der Umfangslinie des Profilquerschnitts 12 die Anströmkante 4 und an deren hinterem Schnittpunkt mit dem Profilquerschnitt 12 die Abströmkante 3 kenntlich gemacht sind. Die Anströmkante 4 wird auch als Vorderkante und die Abströmkante 3 als Hinterkante eines Rotorblattes 2 bezeichnet. Die Profilsehne 13 liegt direkt in der Rotordrehebene 11 und damit optimal in Nullstellung ausgerichtet.
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In 2 ist ein Profilquerschnitt 12 eines Rotorblattes 2 dargestellt, welches von der Nullstellung abweicht. Das Rotorblatt 2 ist gegenüber der Rotordrehebene 11 verdreht und die Verdrehung wird messbar im absoluten Blattwinkel α (alpha), welcher sich zwischen der Profilsehne 13 und der Rotordrehebene 11 ausbildet. Die Anströmkante 4 und die Abströmkante 3 liegen somit außerhalb der Rotordrehebene, was strömungsmechanisch nicht optimal ist und zu Vibrationen und damit verbunden zu Geräuschen und unerwünschten zusätzlichen mechanischen Belastungen führen kann.
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In 3 sind stark schematisiert die Rotorblätter 2 einer Windenergieanlage 1 mit Mast 18 im Verhältnis zum Boden 16 dargestellt. Die Rotorblätter 2 sind an der Rotornabe 17 strahlförmig angeordnet und das zu vermessende Rotorblatt 2 zeigt nach unten und ist in dieser Stellung für die Messung fixiert. Die Rotorblätter 2 moderner Windenergieanlagen haben über ihre axiale Länge hinweg keinen einheitlichen Querschnitt beziehungsweise Profilquerschnitt 12, wie er in 1 und 2 dargestellt wurde. Somit ist zunächst erforderlich, die typbedingte Messebene 5 zu definieren, in welcher der absolute Blattwinkel α, dargestellt in 2, bestimmt werden soll. In einer oberen Fixierebene 7 sind zur Anbringung der Referenzmarkierung zwei Spannseile 6.1 und 6.2 an oberen Fixerpunkten 10 für die Spannseile 6.1 und 6.2 fixiert. Die beiden Spannseile 6.1 und 6.2 sind in einem Messabstand 14 verbunden über ein Messseil 8, welches endseitig jeweils mit einem der Spannseile 6.1 und 6.2 mittels Seilklemmen 9 jeweils verbunden ist. Dadurch bildet sich nach der Ausgestaltung gemäß 3 eine trapezartige Geometrie der Seile, wobei zunächst nur der Abstand der beiden oberen Fixierpunkte 10 für die Spannseile 6.1 und 6.2 festgelegt ist. Das Messseil 8 ist in der gewählten Ausgestaltung als Band ausgeführt. In der Darstellung gemäß 3 sind die Spannseile 6.1 und 6.2 beidseits der Rotornabe 17 in der oberen Fixierebene 7 mit den oberen Enden in den oberen Fixierpunkten 10 jeweils fixiert und zum Boden 16 herabhängend dargestellt. Das Messseil 8 ist über zwei Seilklemmen 9 mit den beiden Spannseilen 6.1 und 6.2 verbunden. In unverspanntem Zustand wird in der Regel das Messseil 8 nicht die Abströmkante 3 und Anströmkante 4 berühren, da der Profilquerschnitt 12 des Rotorblattes 2 konvex gewölbt ist. Der Abstand von der Messebene 5 zur oberen Fixierebene 7 wird auch als Messabstand 14 bezeichnet. Der Messabstand 14 ist ein anlagenspezifischer Abstand, welcher von Anlage zu Anlage je nach Bauart des Rotorblattes 2 variieren kann.
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In 4 ist die Anordnung gemäß 3 in Messposition dargestellt, bei welcher das Messseil 8 an das Rotorblatt 2 angelegt ist. Dazu ist das Spannseil 6.1 zunächst hinter die Rotordrehebene 11, dargestellt in den 1 und 2, und anschließend hinter dem Rotorblatt 2 entlang überkreuz mit dem Spannseil 6.2 in umgekehrter Weise zu verspannen. Durch die überkreuz-Verspannung, auch als verschränkte Verspannung bezeichnete Positionierung der Spannseile 6.1 und 6.2, wird das Messseil 8 an den Profilquerschnitt 12 des Rotorblattes 2 angelegt und um die Anströmkante 4 sowie die Abströmkante 3 herumgeführt. Das Messseil 8 liegt somit auf der Vorderseite des Rotorblattes 2 an und die Enden des Messseiles 8 befinden sich hinter der Rückseite des Rotorblattes 2. Nunmehr kann, nach Fixierung der Spannseile 6.1 und 6.2 am Boden 16 an den unteren Fixierpunkten 15 für die Spannseile 6.1 und 6.2, die photometrische Bestimmung des absoluten Blattwinkels basierend auf der Nutzung des am Profilquerschnitt 12 des Rotorblattes 2 anliegenden Messseiles 8 als Referenzmarkierung erfolgen. Die Referenzmarkierung liegt als gespanntes Messseil 8 auf der Vorderseite des Rotorblattes 2 in Blickrichtung an und umschlingt die Anströmkante 4 sowie die Abströmkante 3. Auf der Rückseite des Rotorblattes 2 werden die Enden des Messseiles 8 an das Rotorblatt 2 zumindest im Bereich der Anströmkante 4 und der Abströmkante 3 angelegt, um eine günstige Referenzmarkierung auszubilden.
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5 zeigt in einer Darstellung die Aufbauposition und die Messposition des Messseiles 8 der 3 und 4. Die Spannseile 6.1 und 6.2 in der Aufbauposition gemäß 3 sind in dickerer Strichstärke dargestellt. Das als breiteres Band ausgeführte Messseil 8 ist endseitig über jeweils eine Seilklemme 9 mit den Spannseilen 6.1 und 6.2 verbunden. In derselben Darstellung sind die Spannseile 6.1 und 6.2 in Messposition hinter dem Rotorblatt 2 über Kreuz verspannt und ziehen das Messseil 8 an die Abströmkante 3 und die Anströmkante 4 heran. Die Spannseile 6.1 und 6.2 sind in dieser Position als dünnere Linien dargestellt. In dem Bereich hinter dem Rotorblatt 2 sind die Spannseile 6.1 und 6.2 als Strichlinien ausgeführt, welche sich hinter dem Rotorblatt kreuzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windenergieanlage
- 2
- Rotorblatt
- 3
- Abströmkante, Hinterkante
- 4
- Anströmkante, Vorderkante
- 5
- Messebene
- 6.1
- Spannseil 1
- 6.2
- Spannseil 2
- 7
- obere Fixierebene
- 8
- Messseil
- 9
- Seilklemme
- 10
- oberer Fixierpunkt für Spannseil
- 11
- Rotordrehebene
- 12
- Profilquerschnitt des Rotorblattes
- 13
- Profilsehne
- 14
- Messabstand
- 15
- unterer Fixierpunkt für Spannseil
- 16
- untere Fixierebene, Boden
- 17
- Rotornabe
- 18
- Mast
- α
- absoluter Blattwinkel (alpha)
