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DE29720741U1 - Device for detecting vibrations of the rotor blades of a wind turbine - Google Patents

Device for detecting vibrations of the rotor blades of a wind turbine

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DE29720741U1
DE29720741U1 DE29720741U DE29720741U DE29720741U1 DE 29720741 U1 DE29720741 U1 DE 29720741U1 DE 29720741 U DE29720741 U DE 29720741U DE 29720741 U DE29720741 U DE 29720741U DE 29720741 U1 DE29720741 U1 DE 29720741U1
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BOEHMERT & BOEHMERTBOEHMERT & BOEHMERT

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PA - Palcnlanwall/ Patait Altorncy RA - Rechtsanwalt / Alloracy at Law *- European Patent Attorney Alle zugelassen beim EU-Markcnanil, Alicante All adaüllDjat üic EU-Tradanark Office, AlicantePA - Patent Attorney/ Attorney at Law RA - Attorney at Law *- European Patent Attorney All admitted to the EU Trademark Office, Alicante All admitted to the EU Trademark Office, Alicante

Unser Zeichen
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Our ref.

A 5110A5110

21 NOV. 193721 NOV. 1937

aerodyn Energiesysteme GmbH Provianthausstr. 9, 24768 Rendsburgaerodyn Energiesysteme GmbH Provianthausstr. 9, 24768 Rendsburg

Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen der Rotorblätter einer WindkraftanlageDevice for detecting vibrations of the rotor blades of a wind turbine

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen der Rotorblätter oder sonstiger Überlastung der Struktur einer Windkraftanlage.The invention relates to a device for detecting vibrations of the rotor blades or other overloads of the structure of a wind turbine.

An den Rotorblättern von Windkraftanlagen sind in den letzten Jahren vermehrt Schaden durch Schwingungen in der Rotordrehebene aufgetreten. Diese Schwingungen werden durch aeroelastische Phänomene hervorgerufen.In recent years, there has been an increasing amount of damage to the rotor blades of wind turbines due to vibrations in the rotor’s plane of rotation. These vibrations are caused by aeroelastic phenomena.

19401940

Niemannsweg 133 · D-24105 Kiel · Telephon (04 31) 8 40 75 · Telefax (04 31) 8 40 77Niemannsweg 133 · D-24105 Kiel · Telephone (04 31) 8 40 75 · Fax (04 31) 8 40 77

MÜNCHEN - BRjEMEN - BERLIN - DÜSSELDORF - POTSDAM : ALJCANTE - BRANDENBURG - HÖHENKIRCHEN - KIEL - LEIPZIGMUNICH - BRJEMEN - BERLIN - DÜSSELDORF - POTSDAM : ALJCANTE - BRANDENBURG - HÖHENKIRCHEN - KIEL - LEIPZIG

·.-.'■·' e-mail: Postmaster@Boehmcrt.Bochmert.de·.-.'■·' e-mail: Postmaster@Boehmcrt.Bochmert.de

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Bei neuentwickelten Rotoren wird daher versucht, durch aerodynamische Gegenmaßnahmen Abhilfe zu schaffen.In newly developed rotors, attempts are therefore being made to remedy this by means of aerodynamic countermeasures.

Da jedoch erhebliche Mengen von Rotorblättern bereits installiert sind, werden diese zunehmend mit Schwingungs-Meßeinrichtungen ausgerüstet, die bei Auftreten des besagten Schwingungsphänomens die Anlagen zum ausschalten veranlassen.However, since a significant number of rotor blades are already installed, they are increasingly being equipped with vibration measuring devices that cause the systems to be switched off if the vibration phenomenon in question occurs.

Bekannte Schwingungs-Meßgeräte sind zum einen Beschleunigungsaufnehmer in den Blattspitzen, die jedoch den Nachteil aufweisen, daß eine Leitung von der Nabe zum Beschleunigungsaufnehmer parallel zu einem Blitzstromableiter im Rotorblatt verläuft, so daß bei Blitzschlag erhebliche Störspannungen eingestreut werden, die die Sensoren gefährden.Known vibration measuring devices include acceleration sensors in the blade tips, but these have the disadvantage that a cable from the hub to the acceleration sensor runs parallel to a lightning current conductor in the rotor blade, so that in the event of a lightning strike, considerable interference voltages are introduced that endanger the sensors.

Weiter sind diese Leitungen an bestehenden Anlagen schwer nachrüstbar, da man zum Einbringen eines Kabels in das Blatt die Struktur aufsägen und wieder verschließen muß.Furthermore, these cables are difficult to retrofit to existing systems, since in order to insert a cable into the blade, the structure must be sawn open and then closed again.

Schließlich jedoch wird dadurch, daß der Sensor aus Gründen eines starken Ausgangssignals nur in der Nähe der Blattspitzen zu verwenden ist, im gleichen Maße auch die dort anzutreffende heftige Störbewegung detektiert, aus der das Nutzsignal wieder herausgefiltert werden muß.Finally, however, because the sensor can only be used near the blade tips in order to achieve a strong output signal, the violent disturbing movement found there is also detected to the same extent, from which the useful signal must be filtered out again.

Eine Alternative besteht in der Anbringung von Dehnmeßstreifen (DMS) in der Blattwurzel. Diese haben gegenüber Beschleunigungsaufnehmern sogar den Vorteil, daß sie sich gegen Störspannungen abschirmen lassen und in erreichbarer Nähe von der Nabe sind, haben jedoch dadurch,An alternative is to install strain gauges in the blade root. These have the advantage over accelerometers that they can be shielded against interference voltages and are within reach of the hub, but

daß das Anbringen der DMS über eine Klebeschicht von definierter Dicke und hoher Festigkeit erfolgen muß, den Nachteil, daß eine solche Klebstelle handwerklich nur sehr aufwendig an bestehenden Rotorblättern nachzurüsten ist. Zudem ist die Ausfall-Wahrscheinlichkeit derartiger Klebstellen relativ hoch.that the strain gauges must be attached using an adhesive layer of defined thickness and high strength, the disadvantage that such an adhesive point is very difficult to retrofit to existing rotor blades. In addition, the probability of failure of such adhesive points is relatively high.

Zum anderen ist jedoch das Ausgangssignal der DMS sehr klein und muß von einem empfindlichen DMS-Verstärker verarbeitet werden. Die Anordnung wird dadurch Störspannungs-empfindlich, auch wenn die Verkabelungswege kurz sind.On the other hand, the output signal of the strain gauge is very small and must be processed by a sensitive strain gauge amplifier. This makes the arrangement sensitive to interference voltage, even if the cabling is short.

Aufgabe der Erfindung ist daher, die Schwingungen mit einer kostengünstigen, leicht installierbaren, empfindlichen Vorrichtung zu erfassen.The object of the invention is therefore to detect the vibrations with a cost-effective, easily installed, sensitive device.

Durch eine Vorrichtung mit dem Merkmal des Anspruches 1 wird diese Aufgabe gelöst, wobei sich noch weitere Vorteile realisieren lassen. Durch das Linearelement und seine geometrische Anordnung lassen sich Dehnungen gezielt in der Rotordrehebene erfassen und bestimmte Schwingungsformen selektiv erfassen.This object is achieved by a device having the feature of claim 1, whereby even further advantages can be realized. The linear element and its geometric arrangement allow strains to be specifically recorded in the rotor rotation plane and certain vibration forms to be selectively recorded.

Insbesondere wird die Dehnung der Rotorwandung als Maß für die Durchbiegung der Blätter genommen, indem ein an einem Halteklotz befestigter Stab und ein ebenso befestigter Abstandssensor an einem anderen Halteklotz im Inneren der Blattwandung befestigt werden, so daß sich die Dehnung des durch die Halteklötze umfassenden Bereiches auf einen Luftspalt am Wegaufnehmer des Abstandssensors überträgt. Durch geeignete Wahl des Materials des Stabes lassen sich Wärmeausdehnungen kompensieren.In particular, the expansion of the rotor wall is used as a measure of the deflection of the blades by attaching a rod attached to a support block and a similarly attached distance sensor to another support block inside the blade wall, so that the expansion of the area enclosed by the support blocks is transferred to an air gap on the displacement sensor of the distance sensor. Thermal expansion can be compensated by choosing the right material for the rod.

Wenn man einen fertig erhältlichen induktiven Abstandssensor verwenden will, sollte der Stab jedoch entweder aus Stahl sein oder zumindest ein ferromagnetisches Plättchen an seinem Ende tragen. Bei typischen Dehnungen der Rotorblattwandung von 0,1% reicht eine Stablänge von 3 0 bis 50 cm zumeist aus, um ein gut auswertbares Signal am Wegaufnehmer zu erhalten.If you want to use a ready-made inductive distance sensor, the rod should either be made of steel or at least have a ferromagnetic plate at its end. With typical strains of the rotor blade wall of 0.1%, a rod length of 30 to 50 cm is usually sufficient to obtain a signal from the displacement sensor that can be easily evaluated.

Durch diese Anordnung ergeben sich gegenüber den zuvor beschriebenen Meßverfahren die Vorteile, daß die Anordnung sich an unebenen Flächen anbringen läßt, da eine Qualität der Klebefugen nicht das Meßergebnis beeinflußt. Diese Klötze können - sofern zulässig - auch durch Schrauben angebracht oder gesichert werden, dadurch ist die Anordnung handwerklich unkritisch und auch nachträglich leicht zu installieren.This arrangement has the advantage over the previously described measuring methods that the arrangement can be attached to uneven surfaces, since the quality of the adhesive joints does not affect the measurement result. These blocks can also be attached or secured with screws - if permitted - which means that the arrangement is not critical in terms of craftsmanship and can also be easily installed later.

Im Gegensatz zu DMS wird nun die Dehnung eines größeren Bereiches erfaßbar, so daß lokale Dehnungsüberhöhungen ausgemittelt werden. Zudem kann das Ausgangssignal des Sensors im Bereich mehrerer Volt liegen oder wahlweise mit einem Stromausgang im Bereich von einigen mA. Diese Signale sind durch ihre Größe und "Härte" störspannungs-unempfindlich.In contrast to strain gauges, the strain of a larger area can now be recorded, so that local strain increases are averaged out. In addition, the sensor's output signal can be in the range of several volts or, optionally, with a current output in the range of several mA. These signals are insensitive to interference voltage due to their size and "hardness".

Im Gegensatz zu DMS läßt sich dieser Sensor komplett abschirmen, indem geschirmtes Kabel verwendet wird und an das Metallgehäuse des Sensors angeschlossen wird. Als Sensor zur Erfassung der Dehnung läßt sich auch ein handelsüblicher induktiver Wegsensor verwenden.In contrast to strain gauges, this sensor can be completely shielded by using shielded cable and connecting it to the metal housing of the sensor. A commercially available inductive displacement sensor can also be used as a sensor to measure the strain.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt:Further advantages and features of the invention emerge from the following description of a preferred embodiment of the invention. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung durch den Schnitt einer Nabe mit jeweils geschnitten dargestellten Rotorblattwandungen an der Wurzel,Fig. 1 a schematic representation through the section of a hub with each sectioned rotor blade wall at the root,

Fig. 2 eine Detaildarstellung des mit "A" bezeichneten Bereichs einer Rotorwandung aus der Fig. 1,Fig. 2 is a detailed view of the area of a rotor wall marked "A" from Fig. 1,

Fig. 3 eine Detaildarstellung einer alternativen Ausführungsform zu Fig. 2,Fig. 3 is a detailed view of an alternative embodiment to Fig. 2,

Fig. 4 eine scheraatische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, undFig. 4 is a schematic representation of another embodiment of the invention, and

Fig. 5 eine Detaildarstellung des mit "B" bezeichneten Bereichs an einer Nabe aus der Fig. 4.Fig. 5 is a detailed view of the area marked "B" on a hub from Fig. 4.

Bei einer in der Fig. 1 dargestellten Anbringung der Vorrichtung an der Innenseite eines Rotorblattes 10 im Bereich der Wurzel werden die an dieser Stelle naturgemäß zuerst auftretenden Spannungen überwacht werden können. Allerdings wird vorgeschlagen, die Vorrichtung - anders als dargestellt - noch ein Stück weiter im Blattinneren anzuordnen, etwa dort, wo das Bezugszeichen 10 vorgesehen istIf the device is mounted on the inside of a rotor blade 10 in the area of the root as shown in Fig. 1, the tensions that naturally first occur at this point can be monitored. However, it is proposed that the device - unlike what is shown - be arranged a little further inside the blade, approximately where the reference number 10 is provided.

Ein derartiger Sensor ist in der Fig. 2 näher erläutert. Bezugszeichen 14 zeigt dabei die Blattwandung, auf der mit Hilfe einer Klebefuge 16 zwei Klötze 12 befestigt werden. Der eine Klotz trägt dabei einen Stab 20, dessen Endbereich metallisch, beispielsweise mit einem metalli-Such a sensor is explained in more detail in Fig. 2. Reference number 14 shows the leaf wall, on which two blocks 12 are attached using an adhesive joint 16. One block carries a rod 20, the end area of which is metallic, for example with a metallic

sehen Plättchen 24 ausgeführt wird. Vor diesem Endbereich ist nun in dem zweiten Halteklotz 12 ein Abstandssensor 18 angeordnet.see plate 24. In front of this end area a distance sensor 18 is arranged in the second holding block 12.

Dieser Sensor kann bei einem Meßbereich von zum Beispiel von 1 mm in die Mitte seines Bereiches justiert werden. Abweichungen seines Ausgangssignals, die bleibenden Verformungen von mehr als 2 mm entsprechen, können von der nachgeschalteten Elektronik dann sofort als mechanischer Defekt ausgewertet werden. Dadurch ist eine einfache und zuverlässige Selbstprüfung der Meßeinrichtung möglich.This sensor can be adjusted to the middle of its range for a measuring range of 1 mm, for example. Deviations in its output signal that correspond to permanent deformations of more than 2 mm can then be immediately evaluated by the downstream electronics as a mechanical defect. This enables a simple and reliable self-test of the measuring device.

Die mechanische Meßeinrichtung mit Halteklötzen 12 und Stab 2 0 gibt zudem die Möglichkeit, zusätzlich einen einfachen Schalter anzubringen, der bei Extrembelastungen die Anlage zur Abschaltung veranlaßt. Bei genügender Stablänge sind die Relativbewegungen im Bereich der Schaltwege eines präzisen Mikroschalters. Damit ist zusätzlich eine robuste und zuverlässige Überlastungs-Anzeige möglich.The mechanical measuring device with holding blocks 12 and rod 2 0 also makes it possible to attach a simple switch that causes the system to shut down in the event of extreme loads. If the rod is long enough, the relative movements are within the range of the switching travel of a precise microswitch. This also makes it possible to have a robust and reliable overload indicator.

Sofern der Stab eine Klebefuge überspannt, wird zudem automatisch das Lösen der Klebefuge mit überwacht, was weder mit DMS noch mit Beschleunigungsaufnehmern möglich wäre. Als Material wird glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) mit möglichst dem Material der Rotorblätter gleichem Wärmedehnungs-Koeffizienten vorgeschlagen.If the rod spans an adhesive joint, the loosening of the adhesive joint is also automatically monitored, which would not be possible with either strain gauges or acceleration sensors. The material proposed is glass fiber reinforced plastic (GRP) with a thermal expansion coefficient that is as similar as possible to that of the rotor blades.

In einer in der Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung wird statt eines Stabes als ein die beiden Befestigungspunkte verbindendes Linearelement ein Stahldraht 22 verwendet, der mit einem Federelement 2 6 in eine gewinkelte Stillstandsposition verbracht wird. Durch dann etwa auftretende PositionsveränderungenIn a second embodiment of the invention shown in Fig. 3, instead of a rod, a steel wire 22 is used as a linear element connecting the two fastening points, which is brought into an angled stationary position by means of a spring element 26. Any position changes that then occur

zwischen den Halteklötzen 12 wird der Weg am Sensor 18, der nun im Bereich der Mitte angeordnet ist, vergrößert.between the holding blocks 12, the path of the sensor 18, which is now arranged in the middle area, is increased.

Selbstverständlich kann der Stahldraht auch gerade gespannt werden, so daß er der ersten Ausführungsform ähnelt, indem an einem Anbringungsort über eine Spannfeder angekoppelt wird.Of course, the steel wire can also be stretched straight so that it resembles the first embodiment, by being coupled to a mounting location via a tension spring.

Schließlich wird in Fig. 4 eine weitere Möglichkeit der Anbringung der Dehnungssensor-Vorrichtung dargestellt. Diese kann insbesondere bei Sternnaben von Rotoren außen angebracht werden und zwei Blattanschlüsse miteinander verbinden, so daß deren Relativbewegung ausgewertet wird. Dabei kann entweder im Wurzelbereich der Rotorblätter angesetzt werden, oder bei Sternnaben die Deformation der Nabe von einem Wurzelbereich eines Rotorblattes zum nächsten überprüft werden, wie dies in dem Bereich "B" dargestellt ist. Der dortige Wegsensor 28 kann ggf. gleichzeitig einen Draht 22 spannen.Finally, Fig. 4 shows another possibility for attaching the strain sensor device. This can be attached to the outside of rotor star hubs in particular and connect two blade connections to one another so that their relative movement is evaluated. This can either be done in the root area of the rotor blades or, in the case of star hubs, the deformation of the hub from one root area of a rotor blade to the next can be checked, as shown in area "B". The displacement sensor 28 there can, if necessary, simultaneously tension a wire 22.

Claims (7)

A 5110 ANSPRÜCHEA 5110 CLAIMS 1. Vorrichtung zur Erfassung von Schwingungen der Rotorblätter einer Windkraftanlage, gekennzeichnet durch Sensoren (18, 28) im Wurzelbereich der Rotorblätter, die Belastungsspitzen aufgrund von Schwingungen oder sonstigen Überlastungen erfassen, indem die relative Lage zweier Orte an einer Nabe oder im Blatt durch ein Linearelement (20; 22) und einen dessen Verlagerung erfassenden Positionssensor (18; 28) bestimmt wird.-1. Device for detecting vibrations of the rotor blades of a wind turbine, characterized by sensors (18, 28) in the root area of the rotor blades, which detect load peaks due to vibrations or other overloads by determining the relative position of two locations on a hub or in the blade by a linear element (20; 22) and a position sensor (18; 28) detecting its displacement. 2. Vorrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearelement durch eine in der Rotorebene gewählte Anordnung Dehnungen gezielt in der Rotorebene erfaßt, so daß bestimmte schädliche Schwingungsformen selektiv erfaßbar sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the linear element detects expansions in the rotor plane in a targeted manner by means of an arrangement selected in the rotor plane, so that certain harmful forms of vibration can be selectively detected. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearelement ein GFK-Stab (20) aus einem Material ähnlicher Wärmeausdehnung wie die Rotorwandung ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the linear element is a GRP rod (20) made of a material with a similar thermal expansion as the rotor wall. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearelement ein Stahldraht (22) ist, der zwischen zwei an der Rotorinnenwandung befestigten Klötzen gehalten wird.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the linear element is a steel wire (22) which is held between two blocks fastened to the inner wall of the rotor. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahldraht (22) durch ein im wesentlichen in der Mitte angreifendes Federelement (26) in eine winklige Position gezogen ist und der Sensor (18) auf die winklig angeordnete Mitte im wesentlichen rechtwinklig zu diesem ausgerichtet ist.5. Device according to claim 4, characterized in that the steel wire (22) is pulled into an angular position by a spring element (26) acting essentially in the middle and the sensor (18) is aligned with the angularly arranged center essentially at right angles to it. 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearelement (2 0; 22) außerhalb der Nabe im Wurzelbereich ein Rotorblatt mit einem entsprechenden Ort auf der gegenüberliegenden Wandung des nächsten Rotorblattes verbindet. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the linear element (2 0; 22) outside the hub in the root area connects a rotor blade with a corresponding location on the opposite wall of the next rotor blade. 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearelement (20; 22) zwei Orte jeweils im Wurzelbereich verschiedener Rotorblätter jeweils auf der Außenwandung einer Sternnabe verbindet.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the linear element (20; 22) connects two locations in the root area of different rotor blades on the outer wall of a star hub.
DE29720741U 1997-11-22 1997-11-22 Device for detecting vibrations of the rotor blades of a wind turbine Expired - Lifetime DE29720741U1 (en)

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