DE10252126A1

DE10252126A1 - Damage detection arrangement for hollow rotor blades of wind power station increases pressure in hollow rotor blade and outputs damage signal if inner pressure falls below given value

Info

Publication number: DE10252126A1
Application number: DE10252126A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Holstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2004-06-09

Abstract

The arrangement increases the pressure in at least one hollow rotor blade. The inner pressure is compared with a given value. A damage signal is output if the inner pressure falls below the given value.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Schäden an hohlen Rotorblättern von Windkraftanlagen.The invention relates to a device to determine damage on hollow rotor blades of wind turbines.

Rotorblätter von Windkraftanlagen sind wie Fluggeräte aerodymamisch geformt und stehen unter großer klimatischer und mechanischer Belastung. Auftretende Schäden sollten möglichst frühzeitig erkannt werden, da eine Beseitigung erfolgen sollte, bevor weitreichende Folgeschäden eintreten können.There are rotor blades of wind turbines like aircraft aerodymamically shaped and are under great climatic and mechanical Burden. Damage occurring should if possible early be recognized since removal should be done before extensive consequential damages can occur.

Nun erfordern die bekannten Untersuchungsmethoden von in Betrieb befindlichen Windkraftanlagen in der Regel bereits einen so hohen Aufwand, dass der Betreiber geneigt ist, derartige Handlungen möglichst hinauszuschieben. Die Anlage muss dazu stillgesetzt und durch alpinistisch bewandertes Personal mittels Seilen bestiegen und untersucht werden. Dabei hat es sich gezeigt, dass die Erfahrungen im Bergsteigen und die Erfahrungen bei der technischen Untersuchung von Rotorblättern meist nicht in einer Person vereinigt sind, so dass die höhentaugliche Person, die sich am Blatt befindet, versuchen muss, der technisch erfahrenen Fachperson einen Eindruck vom Schadensbild verbal zu vermitteln. Dies gelingt trotz verschiedener Nachfragen meist nur unvollständig.Now the known investigation methods require of wind turbines in operation, as a rule so much effort that the operator is inclined to do so Actions if possible postpone. To do this, the facility must be shut down and through alpinism skilled personnel can be climbed and examined using ropes. It has been shown that the experience in mountaineering and the experience in the technical examination of rotor blades mostly are not united in one person, so the height-appropriate Person who is on the sheet has to try that technically experienced experts verbally convey. Despite various inquiries, this is usually only possible incomplete.

Insbesondere Schäden an den Rotorblättern können aber zu großen materiellen Verlusten führen, weil Teile des Blattes – oder das gesamte Blatt abbrechen – und herunterfallen können. Damit ist nicht nur die Umgebung gefährdet, sondern auch die betroffene Windkraftanlage selbst, weil ein unausgewuchteter Rotor die Aufhängungen belastet, so dass letzt lich auch die Gesamtstruktur der Windkraftanlage gefährdet ist.In particular, damage to the rotor blades can too big cause material losses because Parts of the sheet - or break off the entire sheet - and can fall down. This not only endangers the environment, but also the person affected Wind turbine itself because of an unbalanced rotor the suspensions loaded, so that ultimately the overall structure of the wind turbine endangered is.

Es besteht daher ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren zur vereinfachten Untersuchung von Windkraftanlagen.There is therefore a need for devices and method for the simplified investigation of wind turbines.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren anzugeben, welches eine Untersuchung der Rotorblätter einer Windkraftanlage auch im laufenden Betrieb ohne größeren Aufwand ermöglicht.The invention is therefore the object based on specifying a device or a method which an examination of the rotor blades a wind turbine even during ongoing operation with little effort allows.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.This task is characterized by the Features of claim 1 or by a corresponding method according to claim 8 solved.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, eine sichere Schadensanalyse, welche auch aus größerer Entfernung und im laufenden Betrieb erfolgen kann, dadurch zu ermöglichen, dass Mittel vorgesehen sind, welche auftretende Schäden bereits im Ansatz deutlich erkennen.The invention excludes the technical Teach a safe damage analysis, which can also be done from a distance and can take place during operation, thereby enabling that means are provided which damage already occurring in the Clearly recognize the approach.

Dies erfolgt durch Maßnahmen zur Erhöhung des Innendrucks der Rotorblätter gegenüber dem statischen Aussendrucks dessen messtechnischer Auswertung. Die meisten Schäden in der Struktur eines Blattes gehen nämlich mit Rissen einher, welche den Innendruck absinken lassen.This is done through measures to increase the internal pressure of the rotor blades compared to the static external pressure and its metrological evaluation. Most damage in the structure of a leaf there are cracks, which let the internal pressure drop.

Der fortlaufende Vergleich des Innendrucks mit einem vorgegebenen Wert ermöglicht die Ausgabe eines Schadensignals, wenn der Innendruck den vorgegebenen Wert unterschreitet.The continuous comparison of the internal pressure with allows a predetermined value the output of a damage signal if the internal pressure the specified Falls below value.

Die Mittel zur Erhöhung des Druckes im Inneren des Rotorblattes bestehen bevorzugt aus einem Gebläse oder dergleichen. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn hierzu keine Fremdenergie notwendig ist, so dass die Überwachung ohne besondere Energiekosten im laufenden Betrieb nebenher mit erfolgen kann.The means to increase the Pressure inside the rotor blade preferably consist of a fan or similar. However, it is particularly advantageous if this is done No external energy is necessary, so monitoring without special energy costs can also be done during ongoing operation.

So sind bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung Mittel vorgesehen, welche aus einer in Richtung der Blattbewegung gerichtete Staudrucköffnung bestehen, um einen Überdruck im hohlen Blattinneren zu erzeugen.So are advantageous at another Further development of the invention means are provided which consist of a back pressure opening directed in the direction of the blade movement, overpressure to produce in the hollow leaf interior.

Die Staudrucköffnung ist insbesondere in Bereich des äußeren Endes des Rotorblattes vorgesehen, um durch eine möglichst große Relativgeschwindigkeit eine große Druckerhöhung zu erzeugen. Die Staudrucköffnung kann dabei gleichzeitig eine (notwendige) Öffnung zur Entwässerung des Blattinneren bilden.The back pressure opening is particularly in the area of the outer end of the rotor blade is provided in order to achieve a maximum possible relative speed size pressure increase to create. The back pressure opening can also have a (necessary) opening for drainage form the inside of the leaf.

Bevorzugterweise erweitert sich die Staudrucköffnung in Bewegungsrichtung des Blattes trompetenförmig und weist insbesondere die Form eines strömungsgünstigen NACA-Einlaufs aufweist, wie er bei Flugzeugen an Tragflügeln Verwendung findet.Preferably, the Back-pressure port trumpet-shaped in the direction of movement of the sheet and has in particular the shape of a streamlined NACA inlet has, as it is used in aircraft on wings.

Ein NACR-Einlauf ist eine sehr wirksame und widerstandsarme Methode, Luft der Anströmung zu entnehmen. Er liegt innerhalb der Flügelkontur und ist daher vor Beschädigung geschützt.An NACR enema is a very effective one and low-resistance method of extracting air from the inflow. He is lying within the wing contour and is therefore protected from damage protected.

Bei der nachfolgenden Auswertevorrichtung, zur Ermittlung eines möglichen Druckabfalls gegenüber einem Sollwert werden bei der Auswertung des Innendrucks die Drehzahl des Rotors und der statische Druck berücksichtigt, so dass die Unterschreitung eines vorgegebenen Differenzdrucks zur Ausgabe einer Schadensanzeige führt.In the following evaluation device, for Identify a possible Pressure drop versus The speed is a setpoint when evaluating the internal pressure of the rotor and the static pressure are taken into account, so that the shortfall a predetermined differential pressure to output a damage report leads.

Die Auswertung wird für eine differenzierte Schadensanalyse bevorzugt für mehrere innere Abteilungen (Kompartments) des Rotorblattes getrennt ausgeführt.The evaluation is used for a differentiated damage analysis preferred for several inner departments (compartments) of the rotor blade executed separately.

Das erfindungsgemäße auf der dargestellten Vorrichtung basierende Verfahren ermöglicht eine permanente Überwachung und frühzeitige Schadensfeststellung, so dass kostspielige Folgeschäden weitgehend vermieden werden können.The invention on the device shown based method enables permanent surveillance and early Damage determination, so that costly consequential damage largely can be avoided.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Other advantageous developments the invention are characterized in the dependent claims below together with the description of the preferred embodiment of the Invention with reference to the figures shown. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung; 1 is a schematic representation of a wind turbine according to the invention;

2 ein Blattende der in 1 dargestellten Windkraftanlage mit Strömungseinlauf; 2 a leaf end of in 1 illustrated wind turbine with flow inlet;

3 der Strömungseinlauf am in 2 dargestellten Blattende in einer Schnittdarstellung sowie 3 the flow inlet at in 2 illustrated leaf end in a sectional view as well

4 ein Rotorblatt der in 1 dargestellten Windkraftanlage im Querschnitt. 4 a rotor blade of the in 1 shown wind turbine in cross section.

Bei der in 1 dargestellten schematischen Darstellung einer Windkraftanlage 1 gemäß der Erfindung sind drei Rotorblätter 2, 3 und 4 an einer Nabe 5 befestigt, die ihrerseits mittels einer horizontalen Welle im Maschinenhaus 6 drehbar gelagert ist, welches seinerseits um eine vertikale Achse entsprechend der Windrichtung drehbar angeordnet ist.At the in 1 illustrated schematic representation of a wind turbine 1 according to the invention are three rotor blades 2 . 3 and 4 on a hub 5 attached, which in turn by means of a horizontal shaft in the nacelle 6 is rotatably mounted, which in turn is arranged rotatable about a vertical axis in accordance with the wind direction.

Das in 2 dargestellte Ende eines Rotorblattes der in 1 dargestellten Windkraftanlage weist einen Strömungseinlauf nach Art eines NACA-Einlaufs 8 an der Blattspitze. Diesem ist die weiter unten zu beschreibende Sensorik für das erfindungsgemäße Verfahren (Rotorblade Condition Monitoring) nachgeschaltet. Ein herkömmliches Pitotrohr dient zur Messung des statischen Drucks als Vergleichswert für den im Blattinneren bei unbeschädigtem Blatt aufrechtzuhaltendensThis in 2 shown end of a rotor blade in 1 The wind turbine shown has a flow inlet in the manner of a NACA inlet 8th at the tip of the leaf. This is followed by the sensor system to be described below for the method according to the invention (rotor blade condition monitoring). A conventional pitot tube is used to measure the static pressure as a comparison value for what is to be maintained in the inside of the sheet if the sheet is undamaged

In 3 ist ein widerstandsarmer NACA-Strömungseinlauf 10 im Schnitt dargestellt. Die Seite mit der größeren Öffnung 11 befindet sich in strömungsgünstiger Einformung im Bereich des äußeren Endes der vorangeführten Kante des Rotorblattes, während der kleine Querschnitt 12 zu hohlen Inneren des Rotorblattes weist und bei Rotation des Blattes eine Druckerhöhung im Inneren des im übrigen geschlossenen Hohlkörpers bewirkt, das mit einem ersten Drucksensor P(stau) ausgewertet wird. Das in der Nachbarschaft des NACA-Strömungseinlaufs 10 angeordnete Pitotrohr 9 führt hingegen zu einem zweiten Drucksensor P(stat).In 3 A low-resistance NACA flow inlet 10 is shown in section. The side with the larger opening 11 is in a streamlined indentation in the area of the outer end of the leading edge of the rotor blade, while the small cross section 12 points to the hollow interior of the rotor blade and, when the blade rotates, causes an increase in pressure inside the otherwise closed hollow body, which is evaluated with a first pressure sensor P (jam). That in the neighborhood of the NACA flow inlet 10 arranged pitot tube 9 leads to a second pressure sensor P (stat).

Die Bauweise der Rotorblätter ermöglicht die Messung differenzierter Kammerdrücke, so kann ein Druckausgleich zwischen verschiedenen Kammern auf eine defekte Holmverklebung hinweisen. Bei dem in 4 dargestellten Querschnitt Des Propellerblattes 4 ist die Unterteilung in drei Kammerbe– reiche (Kompartments) 13, 14 und 15 erkennbar, wobei in den einzelnen Kammern nach Speisung vom gleichen Lufteinlauf her je nach Beschädigungszustand unterschiedliche Drücke A1, P2 oder P3 festgestellt werden können.The design of the rotor blades enables the measurement of different chamber pressures, so a pressure compensation between different chambers can indicate a defective spar gluing. At the in 4 illustrated cross section of the propeller blade 4 is divided into three chamber areas (compartments) 13 . 14 and 15 recognizable, different pressures A1, P2 or P3 can be determined in the individual chambers after feeding from the same air inlet, depending on the damage condition.

In der in 5 dargestellten Auswertungsvorrichtung werden die digitalisierten Ausgangssignale verschiedener Sensoren einem Mikroprozessor zugeführt, der das Condition Monitoring Signal aus der über einen Drehzahlmesser ermittelten Rotordrehzahl n, dem Blattinnendruck P(n), erzeugt durch den NACA-Einlauf, dem Staudruck P(stau) als korrektive Größe sowie dem statischen Druck P(stat) errechnet. Luftfeuchte und Außentemperatur fließen als Kompensationsgrößen ein. Desgleichen kann eine Korrektur mit dem Luftfeuchte und der Außentemperatur erfolgen.In the in 5 The evaluation device shown, the digitized output signals of various sensors are fed to a microprocessor, which generates the condition monitoring signal from the rotor speed n determined by a tachometer, the internal blade pressure P (n), generated by the NACA inlet, the dynamic pressure P (traffic jam) as a corrective variable and the static pressure P (stat) is calculated. Air humidity and outside temperature are included as compensation variables. Likewise, a correction can be made with the air humidity and the outside temperature.

Die Auswertung erfolgt nach Art einer „Nachschlagetabelle" bei der unterschiedlichen Kombinationen von Eingangsgrößen in einer in Abhängigkeit vom Wert der Eingangsgrößen adressierten Tabelle unterschiedliche Werte von Lambda abgelegt sind, die entsprechend ausgelesen werden.The evaluation takes place in the manner of a "look-up table" for the different Combinations of input variables in one depending on Value of the input variables addressed Different values of lambda are stored in the table, which correspond accordingly be read out.

Bei mehreren Rotorblattkompartments erfolgt die Auswertung sequentiell für die einzelnen Bereiche, wobei die Sensoren für die Innendrücke P1 bis P3 entsprechend mehrfach vorgesehen sind.With several rotor blade compartments The evaluation takes place sequentially for the individual areas, whereby the sensors for the internal pressures P1 to P3 are accordingly provided several times.

Die Ausgangsgröße Lambda bildet ein Anzeigemaß für eine eventuelle im Bereich des Rotorblattes aufgetretene Beschädigung und löst ein entsprechendes Alarmsignal aus. Die Beziehungen sind dabei so ausgewählt, dass das Alarmsignal dann ausgegeben wird, wenn der sich im Rotorblatt bzw. einem der Rotorblattkompartments einstellende Innendruck um einen vorgegebenen (durch die weiteren Messgrößen relativierten Wert) von einem vorgegebenen Wert unterscheidet. Dabei werden die Korrekturwerte so eingesetzt, dass für eine Schadensanzeige ein bestimmtes Mass an „Druckverlust" als – entsprechend einer vorgegebenen Öffnung nach außen – als Bedingung herangezogen wird. Zur Eichung der Anordnung wird man also eine bestimmte Bohrung oder sonstige Öffnung eines Mindestdurchmessers als kleinsten anzuzeigenden Schaden anbringen und die übrigen Parameter der Anordnung (einschließlich Kompensationsgrößen) so einstellen, dass die Anordnung auf diese Schädigung unter allen wechselnden Bedingungen (Rotordrehzahl, Rotorposition, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit) gerade anspricht.The output variable lambda forms a display measure for a possible Damage occurred in the area of the rotor blade and triggers a corresponding one Alarm signal off. The relationships are selected so that the alarm signal is issued when it is in the rotor blade or one of the internal pressure of the rotor blade compartments a predetermined value (relativized by the other measured variables) of a predetermined value. The correction values used so that for a damage report a certain amount of "pressure loss" as - corresponding a given opening to the outside - as a condition is used. So to calibrate the arrangement one becomes one certain hole or other opening of a minimum diameter as the smallest damage to be displayed and the rest Arrangement parameters (including compensation sizes) see above adjust the arrangement to this damage among all changing Conditions (rotor speed, rotor position, air temperature, humidity) just speaks.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is limited in their execution not to the preferred embodiments given above. Rather, a number of variants are conceivable, which of the shown solution also in principle different types Makes use of.

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung von Schäden an hohlen Rotorblättern von Windkraftanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erhöhung des Druckes mindestens eines Hohlraums im Inneren des Rotorblattes vorgesehen sind sowie Mittel zum Vergleich des Innendrucks mit einem vorgegebenen Wert, wobei Mittel zur Ausgabe eines Schadenssignals vorgesehen sind, wenn der Innendruck den vorgegebenen Wert unterschreitet.Device for determining damage to hollow rotor blades of wind turbines, characterized in that means are provided for increasing the pressure of at least one cavity in the interior of the rotor blade and means for comparing the internal pressure with a predetermined value, means being provided for outputting a damage signal if the internal pressure falls below the specified value.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel aus einer in Richtung der Blattbewegung gerichtete Staudrucköffnung bestehen.Device according to claim 1, characterized in that the means from a directed towards the leaf movement Back-pressure port consist.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucköffnung in Bereich des äußeren Endes des Rotorblattes vorgesehen ist.Device according to claim 2, characterized in that the back pressure opening in the area of the outer end of the rotor blade is provided.

Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucköffnung gleichzeitig eine Öffnung zur Entwässerung des Blattinneren bildet.Device according to claim 3, characterized in that the back pressure opening at the same time an opening for drainage of the leaf interior.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudrucköffnung sich in Bewegungsrichtung des Blattes trompetenförmig erweitert und insbesondere die Form eines NACA-Einlaufs aufweist.Device according to claim 2, characterized in that the back pressure opening widens in a trumpet shape in the direction of movement of the leaf and in particular has the shape of a NACA enema.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung des Innendrucks die Drehzahl des Rotors und der statische Druck berücksichtigt werden.Device according to claim 2, characterized in that when evaluating the internal pressure, the speed of the rotor and the static pressure is taken into account become.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckes mindestens eines Hohlraums im Inneren des Rotorblattes erfasst wird und ein Schadenssignals ausgegeben wird, wenn der Innendruck einen vorgegebenen Wert unterschreitet.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the pressure of at least one cavity inside of the rotor blade is detected and a damage signal is output when the internal pressure falls below a predetermined value.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert durch mindestens einen der nachfolgende Werte: statischer Druck, Staudruck, Rotordrehzahl, Außentemperatur oder Luftfeuchte korrigiert wird.A method according to claim 7, characterized in that the given value by at least one of the following Values: static pressure, dynamic pressure, rotor speed, outside temperature or air humidity is corrected.