DE112018004704T5 - Sensoranordnung zur Erfassung von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil, längliches Bauteil, Sensorsystem und Windenergieanlage - Google Patents

Sensoranordnung zur Erfassung von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil, längliches Bauteil, Sensorsystem und Windenergieanlage Download PDF

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Abstract

Eine Sensoranordnung zum Erfassen von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil (z.B. einem Rotorblatt einer Windenergieanlage). Die Sensoranordnung umfasst eine Messstange, die sich zumindest in einem vorbestimmten Abstand parallel zur Dehnungsrichtung des länglichen Bauteils und quer zur Biegeachse erstreckt. Die Sensoranordnung umfasst ferner ein Fixierelement, das an einem distalen Ende des Messstabs angebracht ist, wobei das Fixierelement zum festen Anbringen des Messstabs an einer Oberfläche des länglichen Bauteils ausgebildet ist, und ein Stützelement, das an einem proximalen Ende des Messstabs gegenüber dem distalen Ende angebracht ist, wobei das Stützelement zur festen Befestigung an der Oberfläche und zum Ansaugen des Messstabs derart konfiguriert ist, dass es eine axiale Verschiebung desselben ermöglicht. Ferner umfasst die Sensoranordnung einen benachbart und beabstandet vom proximalen Ende der Messstange angeordneten Wegsensor (z. B. induktiver Sensor), der dazu eingerichtet ist, ein die axiale Verschiebung (z. B. eine Metallspitze) der Messstange anzeigendes Signal auszugeben. Die Messstäbe bestehen aus dem gleichen Material (z. B. Fiberglas) als langgestrecktes Bauteil. Vorzugsweise sind drei oder vier der Sensoranordnungen in Winkelabständen um eine Innenumfangsfläche der Rotorlattwurzel angeordnet. Ferner werden ein längliches Bauteil, ein Sensorsystem und eine Windenergieanlage offenbart.

Description

  • Die Erfindung betrifft Techniken zur Erfassung von Biegemomenten in Bauteilen und insbesondere eine verbesserte Sensoranordnung zur Erfassung von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil (wie einem Rotorblatt einer Windenergieanlage) sowie ein längliches Bauteil, Sensorsystem und Windenergieanlage.
  • Bei Anlagen wie Windenergieanlagen werden signifikante Biegemomente in länglichen Bauteilen, insbesondere bei Rotorblättern und beim Turm der Turbine, induziert. In anderen Industrien, z. B. mit Bauteilen aus Glasfaser, Metall usw. ergeben sich ähnliche Probleme; um einen sicheren und einwandfreien Betrieb zu gewährleisten, ist es wünschenswert, die in den Bauteilen entstehenden Biegemomente genau zu messen.
  • Insbesondere ist die Kenntnis der Rotorblattbiegemomente hinsichtlich der folgenden Konstruktionsaspekte einer Windenergieanlage von Bedeutung:
    1. (i) Bereitstellen einer wesentlichen Eingabe für intelligente Steuerungszwecke, Erleichterung der Ausrüstungsgewichtsreduktion;
    2. (ii) direkte Schätzung/Bewertung des Windfeldes vor dem Rotor (Windgeschwindigkeit, Windscherung vertikal & horizontal);
    3. (iii) Rotorblattsteigungsausrichtung; und
    4. (iv) Zählen von Zyklen für Lebensdauerzwecke für die Rotorblätter und die Rotorwelle.
  • Es ist bekannt, die in den Rotorblättern von Windkraftanlagen entstehenden Biegemomente mittels direkt auf die Rotorblätter aufgebrachter dynamischer mechanischer Spektroskopie (DMS) zu messen. Die Ausrüstung für solche Techniken hat jedoch eine begrenzte Lebensdauer und eine aufwendige Signalverstärkung ist erforderlich.
  • Es ist auch bekannt, die Biegemomente auf der Basis von indirekt aufgebrachten DMS zu messen. Bei solchen Techniken kann es jedoch einen starken Einfluss auf die Klebstoffschicht geben, was sich als Temperatureinfluss und Alterungserscheinungen manifestiert; und das selektive Anbringen macht den Sensor anfällig für Dehnungsgradienten/Ausbeulungseffekte in dem Rotorblatt.
  • Es sind auch Techniken bekannt, bei denen aktive oder passive faseroptische Sensoren verwendet werden und Verfahren, bei denen die Glasfasern auf oder in der Rotorblattwand verlegt werden. Derartige Techniken sind beispielsweise in EP2778602B1 offenbart. Diese Techniken erfordern jedoch sehr teure Analyseeinheiten zur Realisierung des optischen Signals, so dass sie eine geringe Zuverlässigkeit aufweisen können und ein temperaturgetriebener Expansionsanteil nur durch umfangreichendes Lernen kompensiert werden muss.
  • Eine andere bekannte Technik beinhaltet die Verwendung von Laser-oder Lichtstrahlen sowie Sender, Empfänger und gegebenenfalls Spiegel in dem Rotorblatt, um die Bewegung der Rotorblattspitze (eines Außenteils des Rotorblatts) relativ zur Rotorblattwurzel zu detektieren. Diese Techniken leiden jedoch unter ähnlichen Nachteilen bei den vorstehend erwähnten Verfahren auf faseroptischer Basis.
  • Eine weitere bekannte Technik umfasst das Integrieren der erfassten Beschleunigung eines Teils/Abschnitts des Rotorblatts, der außerhalb der Rotorblattwurzel liegt, zu der Rotorblatt-Drehzahl oder Rotorblattspitzen-Abweichung. WO2015/014366 offenbart eine Windenergieanlage mit mindestens einem Rotorblatt und einem an einem Wurzelende des Rotorblattes angeordneten Lastsensor. Ein optischer Beschleunigungsmesser ist innerhalb des Rotorblatts nahe einer Spitze davon angeordnet, und eine Steuerung ist mit dem Beschleunigungsmesser über eine oder mehrere optische Fasern verbunden, die sich entlang der Länge des Rotorblatts erstrecken und dazu konfiguriert sind, die Windenergieanlage basierend auf der gemessenen Last und der gemessenen Beschleunigung zu steuern, um die Last auf dem Rotorblatt unter einem vorbestimmten Schwellenpegel zu halten.
  • EP2898216B 1 offenbart ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, umfassend: Messen einer Beschleunigung des Rotorblatts mit einem ersten Signal mittels eines faseroptischen Beschleunigungssensors, wobei die Beschleunigung an einer ersten radialen Position in einem vorbestimmten Abstand von der Rotorblattwurzel in mindestens einer Richtung gemessen wird, umfassend eine erste Richtungskomponente orthogonal zur Achse des Rotorblatts, Messen einer Dehnung des Rotorblatts mit einem zweiten Signal mittels eines faseroptischen Dehnungssensors, wobei die Dehnung an einer zweiten radialen Position gemessen wird, die im Bereich der ersten radialen Position zur Rotorblattwurzel angeordnet ist, um Biegemomente in zwei, typischerweise orthogonalen Richtungen zu messen; Bestimmen einer ersten Positionsänderung durch zeitliche Integration der Beschleunigung; Bestimmen eines ersten Wertes, der der Rotorblattsteifigkeit entspricht, durch Berechnung auf der Grundlage der ersten Positionsänderung und der Dehnung; und Bestimmen des Rotorblattzustands von dem ersten Wert. Die erste radiale Position kann ungefähr bei der Hälfte des Blattradius oder zwischen der Hälfte des Blattradius und einer Rotorblattspitze angeordnet sein und/oder die zweite radiale Position kann in einem Abstand von 5 Metern oder weniger von der Blattwurzel angeordnet sein.
  • Weitere Techniken auf der Basis von Beschleunigungssignalen sind in DE102010032120A1 offenbart.
  • Bei Techniken mit Integration der erfassten Beschleunigung, aufgrund der Drehbewegung des Rotorblatts, der Azimutbewegung der Gondel um die Turmwelle/Achse (aktiv, passiv) der Windenergieanlage und der Turmbewegung sowie anderen aufgrund einer permanenten Integration auftretenden Fehlern ist die Genauigkeit insbesondere des Abweichungsergebnisses begrenzt. Außerdem besteht bei Verwendung herkömmlicher Beschleunigungssensoren eine hohe Gefahr einer Zerstörung/Beschädigung der elektrischen Leitungen und Sensoren im Rotorblatt aufgrund der Wirkung eines Blitzschlags.
  • Dementsprechend weisen bekannte Lösungen folgende Nachteile auf oder führen zu folgenden Problemen:
    • - Robustheit/Zuverlässigkeit ist nicht ausreichend;
    • - für elektrische Bauteile im Rotorblatt, die in einem Abstand von der Rotorblattwurzel positioniert sind, besteht die Gefahr einer Zerstörung durch Blitzeinschläge;
    • - für Expansion-oder Abweichungs-basierte Verfahren, gewöhnlich nicht-triviale Verfahren zum Kompensieren des Temperatureinflusses/ -effekts auf die Rotorblattleistung/ - reaktion, die in der Praxis verwendet oder gelernt werden müssen, was zum Teil separate Sensoren erfordert;
    • - bei Verfahren mit faseroptischen Sensoren, die bei der Herstellung in Rotorblattwände integriert sind, besteht keine Reparaturmöglichkeit, wenn die faseroptischen Kabel fehlerhaft, beschädigt oder nicht funktionieren; und
    • - die Kosten der bekannten Lösungen können extrem hoch sein.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Probleme zu überwinden und eine verbesserte Sensoranordnung zur Erfassung von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil, einem Sensorsystem und einer Windenergieanlage bereitzustellen.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Sensoranordnung zum Erfassen von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil, beispielsweise einem Rotorblatt einer Windenergieanlage, vorgesehen, wobei die Sensoranordnung umfasst: eine Messstange, die sich zumindest in einem vorbestimmten Abstand parallel zur Dehnungsrichtung des länglichen Bauteils und quer zur Biegeachse erstreckt; ein Fixierelement, das an einem von einem proximalen Ende und einem distalen Ende der Messstange, wobei das Fixierelement dazu eingerichtet ist, den Messstab fest an einer Oberfläche des länglichen Bauteils zu befestigen; ein Stützelement, das an dem anderen von dem proximalen Ende und dem distalen Ende des Messstabs angebracht ist, wobei das Stützelement dazu konfiguriert ist, fest an der Oberfläche angebracht zu werden und um den Messstab zu stützen, so dass eine axiale Verschiebung desselben ermöglicht wird; und einen Wegsensor, der benachbart und beabstandet von dem proximalen Ende der Messstange angeordnet ist, wobei der Sensor zur Ausgabe eines die axiale Verschiebung der Messstange anzeigenden Signals ausgebildet ist; wobei die Messstäbe aus dem gleichen Material wie das längliche Bauteil bestehen.
  • Vorzugsweise liegt der vorbestimmte Abstand im Bereich von 10-200 cm, bevorzugt 20-100 cm und bevorzugter 20-50 cm.
  • Vorzugsweise weist der Messstab einen Durchmesser auf, der im Bereich von 1-10 mm, bevorzugt 2-8 mm und besonders bevorzugt 4-6 mm liegt.
  • Vorzugsweise liegt der Abstand im Bereich 2-30%, bevorzugt 5-20% und besonders bevorzugt 10-15% der Länge des langgestreckten Bauteils.
  • Vorzugsweise ist das Fixierelement dazu eingerichtet, eine Achse des Messstabs in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche zu lagern.
  • Vorzugsweise liegt der vorbestimmte Abstand im Bereich 1-10x, bevorzugter 2-5x und besonders bevorzugt 2-3x des Durchmessers der Messstange.
  • Vorzugsweise weist das Stützelement eine Lager- oder Lagerfläche auf, die dazu eingerichtet ist, eine Gleitbewegung der Messstange relativ zu dieser zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise ist am proximalen Ende der Messstange eine Metallspitze angeordnet. In einer Ausführungsform umfasst der Wegsensor einen induktiven Sensor.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst der Wegsensor einen kapazitiven Sensor, einen Magnetsensor oder einen optischen Sensor.
  • Vorzugsweise ist der Wegsensor dazu eingerichtet, axiale Verschiebungen des Messstabes im Bereich von ± 10 mm zu erfassen
  • Vorzugsweise ist der Wegsensor eingerichtet, axiale Verschiebungen des Messstabes mit einer Auflösung von 0,1% zu erfassen.
  • Vorzugsweise besteht die Messstange aus Glasfaser oder Kohlenstoff.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein längliches Bauteil, beispielsweise ein Messer einer Windenergieanlage, vorgesehen, an dem eine Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 der beigefügten Ansprüche angebracht ist.
  • Vorzugsweise sind mehrere der Sensoranordnungen an dem länglichen Bauteil angebracht, wobei der Wegsensor jeder Sensoranordnung ein jeweiliges Signal ausgibt, das eine von dieser Sensoranordnung erfasste Verschiebung anzeigt.
  • Vorzugsweise sind die Sensoranordnungen an der um den Querschnittsumfang der Messstange beabstandeten Oberfläche angebracht.
  • Vorzugsweise sind die Sensoranordnungen auf der Oberfläche gleichwinklig um den Querschnittsumfang der Messstange herum angeordnet.
  • In einer Ausführungsform sind drei Sensoranordnungen an der Oberfläche angebracht. Vorzugsweise sind solche Sensoren am Umfang der Rotorblattwurzel angebracht, um die beiden orthogonalen Rotorblattwurzelbiegemomente und die wirkende Axialkraft zu messen oder zu berechnen.
  • In einer anderen Ausführungsform sind vier Sensoranordnungen an der Oberfläche angebracht. Vorzugsweise sind die Sensoranordnungen als zwei Paare von diametral gegenüberliegenden Sensoranordnungen angeordnet. Bei vier einander gegenüberliegenden Sensoren sind die beiden Biegemomente direkt messbar, wobei der axiale Krafteinfluss direkt kompensiert wird.
  • Vorzugsweise ist das längliche Bauteil hohl und die Oberfläche ist eine Innenfläche. Vorzugsweise sind die Sensoranordnungen an einem Abschnitt der Oberfläche an einem Ende des länglichen Bauteils angebracht.
  • Vorzugsweise ist das längliche Bauteil ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage. Vorzugsweise befindet sich der Abschnitt der Oberfläche an oder benachbart zu dem Wurzelende des Rotorblattes.
  • Vorzugsweise ist das längliche Bauteil aus Glasfaser oder Kohlenstoff gebildet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Sensorsystem zum Erfassen von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil, beispielsweise eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, vorgesehen, wobei das Sensorsystem umfasst: eine Mehrzahl von Sensoranordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 13 der beigefügten Ansprüche oder ein längliches Bauteil gemäß einem der Ansprüche 14 bis 25 der beigefügten Ansprüche; und eine Verarbeitungsschaltung gekoppelt ist, um das von dem Wegsensor jeder Sensoranordnung ausgegebene Signal zu empfangen; wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist, basierend auf den Signalen, die die axialen Verschiebungen der Messstäbe angeben, das Biegemoment in einem länglichen Bauteil zu bestimmen.
  • Vorzugsweise ist jeder Wegsensor über eine Überspannungsschutzschaltung mit der Verarbeitungsschaltung gekoppelt.
  • Vorzugsweise ist die Verarbeitungsschaltung mit einem oder mehreren Pitch-Sensoren gekoppelt, wobei jeder Pitch-Sensor konfiguriert ist, um der Verarbeitungsschaltung ein Signal zuzuführen, das einen Pitch-Sensor einer jeweiligen länglichen Komponente anzeigt, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist, um das Biegemoment basierend auf den Signalen zu bestimmen, die die axialen Verschiebungen und den Pitch-Winkel anzeigen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Windenergieanlage bereitgestellt, umfassend: eine Vielzahl von Sensoranordnungseinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 13 der beigefügten Ansprüche, ein längliches Bauteil gemäß einem der Ansprüche 14 bis 25 der beigefügten Ansprüche oder ein Sensorsystem nach einem der Ansprüche 26 bis 28 der beigefügten Ansprüche.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung von Positions-/ Wegsensoren Robustheit und/oder Zuverlässigkeit deutlich verbessert wird.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass in dem Rotorblatt im Abstand von der Rotorblattwurzel keine elektrischen Bauteile angeordnet sind, wodurch die Gefahr einer Zerstörung durch Blitzeinschlag verringert wird.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei Ausführungsformen eine direkte Kompensation des Temperatureinflusses vorhanden ist.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei den in Ausführungsformen verwendeten Vorrichtungen die Möglichkeit besteht, eine einfache Nachrüstung/Wiedermontage oder Reparatur zu ermöglichen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass im Vergleich zu bekannten Lösungen die Kosten, z. B. durch zwei Drittel bei bestimmten Ausführungsformen, deutlich reduziert werden.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfassung des Vorhandenseins von Eis auf dem Rotorblatt und die Identifikation von Schwingungsformen und/oder Einfluss von Verwirbelungen in Windrichtung hinter den Windturbinengeneratoren (WTGs) verbessert werden.
  • Figurenliste
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen gemäß der Beschreibung. In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 (Stand der Technik) zeigt eine bekannte Windenergieanlage mit mehreren Rotorblättern;
    • 2 zeigt eine axiale Querschnittsansicht einer Rotorblattwurzel eines Rotorblattes von 1, die Sensoranordnungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
    • 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Details B von 2;
    • 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Details a von 2; und
    • 5 ist eine transversale Querschnittsansicht einer Rotorblattwurzel eines Rotorblatts von 1, bei (a) drei gleichmäßig beabstandeten Sensoranordnungen und (b) zwei Paaren von diametral gegenüberliegenden Sensoranordnungen.
  • 1 (Stand der Technik) zeigt eine bekannte Windenergieanlage 1 mit mehreren Rotorblättern. Die Windenergieanlage 1 umfasst einen Turm 3 und eine Gondel 2, die drehbar auf dem Turm 3 montiert ist. Die Gondel 2 umfasst eine Gondelabdeckung 4, die an einem Hauptrahmen (nicht gezeigt) angebracht ist, der nachstehend ausführlicher erörtert wird. Auf einer Rotorwelle (nicht dargestellt) innerhalb der Gondel 2 ist ein Rotor 7 angeordnet, der wiederum eine Nabe 5 und mindestens ein Rotorblatt 6 umfasst (hier drei).
  • Nahe der Achse der Nabe 5 wird ein Endabschnitt oder Rotorblattwurzel 8 des Rotorblatts 6 an Ort und Stelle gehalten, z.B. innerhalb des Mantels 9. Es ist wünschenswert, Vorrichtungen zum Messen von Biegemomenten um die y-und/oder z-Achse und/oder Axialkräfte (entlang der x-Achse) bereitzustellen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
  • 2 zeigt eine Längsschnittansicht einer Rotorblattwurzel 8 eines Rotorblatts 6 von 1, die Sensoranordnungen 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Das Rotorblatt 6 besteht dabei aus Glasfaser. Es versteht sich jedoch, dass das Rotorblatt 6 aus anderen Materialien, wie Kohlenstoff-oder Kohlenstoffverbundstoffen, hergestellt sein kann. Jede Sensoranordnung 10 ist an einem Oberflächenabschnitt 12 an oder in der Nähe des Endes 14 des Rotorblattes 6 angeordnet, d. h. um bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 nicht die Ausdehnung des Wandmaterials des Rotorblattes 6 im Bereich der Rotorblattwurzel 8 zu messen, wird die Dehnung zwischen zwei Punkten, die einen ausreichend großen Abstand zueinander aufweisen, direkt gemessen, wodurch der Einfluss von Spannungsdehnungsgradienten und Ausbeulungen vernachlässigbar klein gehalten wird.
  • Jede Sensoranordnung 10 ist wie folgt aufgebaut. Eine Messstange 16 erstreckt sich entlang der Länge des Flächenabschnitts 12 und überspannt daher im Wesentlichen die Länge der Rotorblattwurzel 8. Die Messstange 16 besteht aus dem gleichen Material wie das Rotorblatt 6, d. h. Glasfaser (oder aus anderen Materialien, wie Kohlenstoff oder gegebenenfalls Kohlenstoffverbundstoffe). Dies dient dazu, einen „natürlichen“ Temperaturausgleich im Hinblick auf Temperatureffekte auf der Rotorblattwurzel 8 zu gewährleisten. Es ist zu beachten, dass die Temperaturverteilung in der räumlichen Ausdehnung einer Rotorblattwurzel 8 nicht gleichmäßig ist und somit die Temperaturkompensation sensorpositionsspezifisch sein muss.
  • 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Details B der 2. Ein Befestigungselement 18 ist fest an dem Oberflächenabschnitt 12 angebracht, z. B. durch einen starken Klebstoff (nicht gezeigt). Außerdem ist das distale Ende 20 der Messstange 16 wiederum über einen starren Winkelbügel 19 fest mit dem Befestigungselement 18 verbunden, der den Messstab 16 (der z. B. in eine Ausnehmung desselben mit dem starken Klebstoff eingeklebt ist) fest/starr umgreift.
  • Zurückkehrend zu 2 ist an oder nahe dem proximalen Ende 22 der Messstange 16 ein Stützelement 24 vorgesehen, das fest an dem Oberflächenabschnitt 12 befestigt ist, z. B. durch einen starken Klebstoff. In dieser Ausführungsform durchläuft die Messstange 16 einen axialen Durchgang (nicht gezeigt) in dem Stützelement 24 mit Spiel, wodurch eine axiale/longitudinale Bewegung der Messstange 16 relativ zu dem Stützelement 24 ermöglicht wird. In Ausführungsformen können Lager und/oder Schmiermaterial wie Fett zwischen Eingriffsflächen des Stützelements 24 und der Messstange 16 vorgesehen sein. Eine Anzahl von weiteren Stützelementen 24', 24" kann zwischen dem Befestigungselement 18 und dem Stützelement 24 vorgesehen sein (z. B. gleich beabstandet).
  • Jede Sensoranordnung 10 umfasst ferner einen Positions-/ Wegsensor 26. Unter Bezugnahme auf 4 zeigt diese eine vergrößerte Ansicht des Details A von 2. Der Wegsensor 26 ist an dem Oberflächenabschnitt 12 der Rotorblattwand 27 angebracht. In dieser Ausführungsform ist eine Metallspitze 28 (z. B. Stahl) am proximalen Ende 22 der Messstange 16 vorgesehen, und der Wegsensor 26 umfasst einen induktiven Sensor zum Erfassen von Position oder Positionsänderungen. Auf diese Weise wird eine Bewegung/Lageänderung eines Punktes (z. B. das proximale Ende 22) gegenüber einem anderen (z. B. Stützelement 24 oder Wegsensor 26) kann mittels eines einfachen, robusten Positionssensors, üblicherweise ohne weitere Signalverarbeitung, gemessen werden. Es versteht sich, dass der Wegsensor 26 alternativ einen kapazitiven Sensor, einen Magnetsensor oder einen optischen Sensor umfassen kann.
  • In dieser Ausführungsform werden Signale, die durch die Wegsensoren 26 an des Rotorblattes 6 (ein „erstes Rotorblatt“) erzeugt werden, über die Leitungen 28 und die Überspannungsschutzeinheit 30 an die ersten Eingänge 32 der Verarbeitungsschaltung 34angeschlossen. Letztere umfasst ferner einen zweiten Eingang 36 und einen dritten Eingang 38 zum Empfangen von Signalen, die eine Bewegung/Positionsänderung von einem zweiten und einem dritten Rotorblatt (nicht gezeigt) anzeigen. Die Verarbeitungsschaltung 34 umfasst ferner einen vierten Eingang 38, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das einen Pitch-Winkel des ersten Rotorblatts 6 von dem Pitch-Sensor 40 anzeigt. Die Verarbeitungsschaltung 34 umfasst ferner einen fünften Eingang 42 und einen sechsten Eingang 44 zum Empfangen von Signalen, die eine Bewegung/Positionsänderung von dem zweiten und dem dritten Rotorblatt (nicht gezeigt) anzeigen.
  • Die Verarbeitungsschaltung 34 umfasst vorzugsweise eine Windturbinengeneratorprogrammierbare Logiksteuerung (WTG-PLC), die dazu konfiguriert ist, Biegemomente in der Rotorblattwurzel 8 (1) um die y-und/oder z-Achse und/oder Axialkräfte (entlang der x-Achse) basierend auf den verschiedenen Positions-/ Verschiebungssignalen und Pitch-winkel-Signalen, unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Techniken, zu berechnen.
  • 5 (a) ist eine axiale Querschnittsansicht einer Rotorblattwurzel 8, bei einer Ausführungsform bei drei gleichmäßig beabstandeten Sensoranordnungen 10, 10' und 10".
  • Diese sind in gleichen (120 Grad) Winkelabständen um die Innenfläche 12 der Rotorblattwurzel 8 angeordnet. Wenn drei derartige Sensoren am Umfang der Rotorblattwurzel 8 angebracht sind, können die beiden orthogonalen Blattwurzelbiegemomente und die wirkende Axialkraft, wie oben erwähnt, gemessen oder berechnet werden.
  • 5 (b) ist eine axiale Querschnittsansicht einer Rotorblattwurzel 8, bei einer anderen Ausführungsform (entsprechend 2) bei zwei Paaren von diametral gegenüberliegenden Sensoranordnungen 10, 11. Wenn vier Sensoren so verwendet werden, dass zwei innerhalb eines Paares einander gegenüberliegen und miteinander verbunden sind und eine Signaladdition verwendet wird, können die beiden Biegemomente direkt gemessen werden, wodurch der axiale Krafteinfluss direkt kompensiert wird.
  • Obwohl die Erfindung oben in Bezug auf Rotorblätter von Windenergieanlagen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Techniken auf jede schlanke/längliche Struktur oder strukturelle Komponente, wie etwa den Turm/die Welle einer Windenergieanlage, anwendbar sind.
  • Liste von Referenzzeichen
    • 1
    Windturbine
    2
    Gondel
    3
    Turm
    4
    Gondeldeckel
    5
    Nabe
    6
    Rotorblatt
    7
    Rotor
    8
    Rotorblattwurzel
    9
    Mantel
    10
    Sensoranordnung
    10'
    Sensoranordnung
    10"
    Sensoranordnung
    11
    Sensoranordnung
    12
    Flächenabschnitt
    14
    Ende
    16
    Messstab
    18
    Befestigungselement
    19
    starrer Winkelbügel
    20
    distalen Ende
    22
    proximales Ende
    24
    Trägerelement
    24'
    Trägerelement
    24"
    Trägerelement
    26
    Positions-/ Wegsensor
    27
    Rotorblattwand
    28
    Metallspitze
    29
    Leitungen
    30
    Überspannungsschutzeinheit
    32
    erster Eingang
    34
    Verarbeitungsschaltung
    36
    zweiter Eingang
    38
    dritter Eingang
    39
    vierter Eingang
    40
    Pitch-Winkelsensor
    42
    fünfter Eingang
    44
    sechster Eingang
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2778602 B1 [0006]
    • WO 2015/014366 [0008]
    • EP 2898216 B [0009]
    • DE 102010032120 A1 [0010]

Claims (19)

  1. Sensoranordnung zum Erfassen von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil, beispielsweise einem Rotorblatt einer Windenergieanlage, wobei die Sensoranordnung umfasst: einen Messstab, der sich mindestens um einen vorbestimmten Abstand parallel zur Dehnungsrichtung des länglichen Bauteils und quer zur Biegeachse erstreckt; ein Fixierelement, das an einem von einem proximalen Ende und einem distalen Ende des Messstabs angebracht ist, wobei das Fixierelement zum festen Anbringen des Messstabs an einer Oberfläche des länglichen Bauteils ausgebildet ist; ein Stützelement, das an dem anderen von dem proximalen Ende und dem distalen Ende der Messstange angebracht ist, wobei das Stützelement dazu konfiguriert ist, fest an der Oberfläche angebracht zu werden und um die Messstange zu stützen, so dass eine axiale Verschiebung derselben ermöglicht wird; und einen Wegsensor, der benachbart und beabstandet von dem proximalen Ende der Messstange angeordnet ist, wobei der Sensor dafür ausgelegt ist, ein Signal auszugeben, das die axiale Verschiebung der Messstange anzeigt; wobei die Messstäbe aus dem gleichen Material wie das längliche Bauteil bestehen.
  2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Abstand im Bereich von 10-200 cm, bevorzugt 20-100 cm, und bevorzugter 20-50 cm, liegt.
  3. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstange einen Durchmesser aufweist, der im Bereich 1-10 mm, bevorzugt 2-8 mm und bevorzugter 4-6 mm, liegt.
  4. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Abstand im Bereich 2-30%, bevorzugt 5-20% und bevorzugter 10-15%, der Länge des langgestreckten Bauteils liegt.
  5. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierelement zur Abstützung einer Achse der Messstange in einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche ausgebildet ist.
  6. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Abstand im Bereich 1-10x, bevorzugt 2-5x und bevorzugter 2-3x des Durchmessers der Messstange liegt.
  7. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement eine Lager- oder Lagerfläche aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Gleitbewegung der Messstange relativ zu dieser zu ermöglichen.
  8. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am proximalen Ende der Messstange eine Metallspitze angeordnet ist.
  9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor einen induktiven Sensor umfasst.
  10. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor einen kapazitiven Sensor, einen Magnetsensor oder einen optischen Sensor umfasst.
  11. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor eingerichtet ist, axiale Verschiebungen des Messstabes im Bereich von ± 10 mm zu erfassen.
  12. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor eingerichtet ist, axiale Verschiebungen des Messstabes mit einer Auflösung von 0,1% zu erfassen.
  13. Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstange aus Glasfaser oder Kohlenstoff besteht.
  14. Langgestrecktes Bauteil, beispielsweise ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, wobei das langgestreckte Bauteil eine Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  15. Langgestrecktes Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Sensoranordnungen daran angebracht sind, wobei der Wegsensor jeder Sensoranordnung ein jeweiliges Signal ausgibt, das eine von dieser Sensoranordnung erfasste Verschiebung anzeigt.
  16. Sensorsystem zum Erfassen von Biegemomenten in einem länglichen Bauteil, beispielsweise einem Rotorblatt einer Windenergieanlage, wobei das Sensorsystem umfasst: mehrere Sensoranordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder ein längliches Bauteil nach einem der Ansprüche 14 bis 25; und eine Verarbeitungsschaltung, die gekoppelt ist, um das von dem Wegsensor jeder Sensoranordnung ausgegebene Signal zu empfangen; wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist, basierend auf den Signalen, die die axialen Verschiebungen der Messstäbe angeben, das Biegemoment in einem länglichen Bauteil zu bestimmen.
  17. Sensorsystem nach Anspruch 26, wobei jeder Wegsensor mit der Verarbeitungsschaltung über eine Überspannungsschutzschaltung gekoppelt ist.
  18. Sensorsystem nach Anspruch 26 oder 27, wobei die Verarbeitungsschaltung mit einem oder mehreren Pitch-Sensoren gekoppelt ist, wobei jeder Pitch-Sensor konfiguriert ist, um der Verarbeitungsschaltung ein Signal zuzuführen, das einen Pitch-Sensoren einer jeweiligen länglichen Komponente angibt, wobei die Verarbeitungsschaltung konfiguriert ist, um das Biegemoment basierend auf den Signalen zu bestimmen, die die axialen Verschiebungen und der Pitch-Winkel anzeigen.
  19. Windturbine, umfassend: mehrere Sensoranordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ein längliches Bauteil nach einem der Ansprüche 14 bis 25 oder ein Sensorsystem nach einem der Ansprüche 26 bis 28.
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