Windenergieanlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von aerodynamischen Unwuchten von Windenergieanlagen. Windenergieanlagen, auch als Windkraftkonverter oder Windkraftanlagen bezeichnet, gibt es in verschiedenen Bauformen, insbesondere betreffend die Ausbildung des Rotors. Der Rotor ist entscheidend für den mechanischen Wirkungsgrad der Windenergieanlage. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Bauform einer bekannten Windenergieanlage mit horizontaler Rotorachse, insbesondere mit Dreiblatt-Rotor. Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung kann aber ebenso für Konstruktionen mit mehr Rotorblättern oder auch nur zwei Blättern erfolgen. Die Rotorblätter moderner Windturbinen haben aerodynamisch sorgfältig optimierte Flügel, die nicht nur den Wirkungsgrad und damit die Energieausbeute maximieren, sondern gleichzeitig auch die Geräuschentwicklung minimieren. Die Flügel bestehen aus senkrecht zur Blattachse angeordneten Profilen, welche jeweils um einen Verwindungswinkel gedreht sind.

Die Erfindung betrifft insbesondere Windenergieanlagen, die einen Verstellmechanismus der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse besitzen (Pitchmechanismus). Ein solches Rotorblatt wird im Betrieb von der Anlagensteuerung ständig auf einen optimalen Pitchwinkel eingestellt, um das nötige Drehmoment zu gewährleisten. Eine wichtige Untersuchung, die die Basis für die korrekte Einstellung im Betrieb ist, ist die Vermessung des Blatteinstellwinkels. Hierbei wird im Stillstand der Anlagensteuerung der Pitchwinkel von 0° vorgegeben. Der Winkel, der in diesem Zustand gemessen wird, wird im Folgenden als Blatteinstellwinkel bezeichnet. Weicht dieser Winkel von der Herstellervorgabe ab, spricht man von einem absoluten Fehler des Blatteinstellwinkels. Unterscheiden sich die Blatteinstellwinkel der einzelnen Rotorblätter zueinander, so handelt es sich um einen relativen Fehler, bzw. eine Abweichung in der Synchronstellung.

Stand der Technik ist, die Rotorblätter einer Windenergieanlage möglichst optimal synchron einzustellen: Durch eine entsprechend optimale Synchronstellung der Rotorblätter einer Windenergieanlage in Bezug auf den Nullgrad-Blatteinstellwinkel wird das Auftreten einer axialen Unwuchtschwingung verhindert. Bisher werden Rotorblätter anhand einer Markierungsskala im Flanschbereich eingestellt. In einigen Fällen wird die Einstellung der Rotorblätter auch separat vermessen (meist fotometrisch oder mittels einer Lasermethode). Entsprechend der Richtlinie des Germanischen Lloyd (2010) muss die Synchronität der drei Rotorblätter einer Windenergieanlage dabei im Bereich von +/- 0,3° (gesamt 0,6°) liegen. Es wird davon ausgegangen, dass diese Genauigkeit ausreichend ist, um das Auftreten von signifikanten aerodynamischen Unwuchten zu verhindern. Diese Methode basiert aber auf der Annahme, dass die Abweichung der Nullgrad- Blattwinkeleinstellung die dominierende Ursache für aerodynamische Unwuchten ist.

Das theoretische Maximum der erzielbaren Leistung ist der Betzsche Leistungsbeiwert. Dieser Wert liegt bei 59,3 %. Windenergieanlagen, die dem Stand der Technik entsprechen, erzielen bereits Werte von ca. 50 %, so dass das physikalisch Mögliche weitgehend ausgeschöpft ist. Die weitere Optimierung zielt u.a. darauf, Inhomogenitäten im Umlauf, also massebedingte oder auch aerodynamische Unwuchten des Rotors weitgehend zu eliminieren. Es ist daher ein Bestreben der Fachwelt zu erkennen, ausschließlich auf den Rotor Einfluss zu nehmen, die Rotorblätter in eine optimale Stellung zu bringen und damit den schwingungsfreien Rundlauf bei maximaler Energieausbeute zu erreichen. Der schwingungsarme Rundlauf des Rotors erfordert sowohl geringe aerodynamische Unwuchten, also axiale und radiale Schwingungen, als auch geringe massebedingte (in der Regel radiale) Unwuchten.

Die massebedingte Unwucht wird nach dem seit langem bekannten, fachbereichsübergreifenden Fachwissen durch eine Messreihe, bestehend aus einem Urlauf sowie einem Testlauf mit am Rotor angebrachter, in Ort und Größe bekannter Testmasse, bestimmt. Als Ergebnis stehen Größe und Ort eines erforderlichen Ausgleichsgewichts.

Massebedingte Unwuchten führen insbesondere zu einer radialen Schwingung, also senkrecht zur Rotorachse. Aerodynamische Unwuchten, verursacht durch unterschiedliche Einstellwinkel der Rotorblätter zueinander, Verwindungsfehler, Profilabweichungen, Teilungsfehler, defekte Strömungselemente oder Schäden an der Blattoberfläche, führen zu axialen, torsionalen aber auch zu lateralen (radialen) Anregungen der Gondel-Turmschwingungen. Masse- oder aerodynamisch bedingte Unwuchten können zu einem erhöhten Verschleiß aller Komponenten einer Windenergieanlage führen. Zudem können nicht korrekt eingestellte Blattwinkel letztlich zu Verlusten in der Gewinnung von elektrischer Energie führen. Während die massebedingte Unwucht also in der Praxis gut beherrschbar ist, bereitet die aerodynamische Unwucht, deren Ursache unterschiedliche Beiträge der einzelnen Blätter zum Drehmoment des Rotors sind, noch immer Probleme und muss durch ein Angleichen der Einzelleistungen der Rotorblätter aneinander reduziert werden.

Dieses Ziel zumindest teilweise zu erreichen haben bereits die Lösungen nach den Druckschriften DE 100 32 314 C1 und DE 10 2008 013 392 A1 versucht. Beide Lösungen suchen nach einem Weg zur bestmöglichen Synchronstellung der einzelnen Rotorblätter zueinander in der Hoffnung, dass diese dann auch übereinstimmenden Anteile am Drehmoment übernehmen. Während Druckschrift DE 100 32 314 C1 die Blattstellung durch eine Abstandsmessung mittels Laserentfernungsmessung vom Turm aus bestimmt, erfolgt dies nach der Druckschrift DE 10 2008 013 392 A1 durch eine Entfernungsmessung von der Gondel aus, wobei die Hinterkante des Flügels gemessen und hierdurch auf eine Winkelstellung geschlossen wird.

Eine solche Bestimmung setzt jedoch eine vollkommene Gleichgestalt mit genau übereinstimmenden aerodynamischen Eigenschaften voraus. Dies ist praktisch kaum zu erwarten, da insbesondere sehr lange Rotorblätter aufgrund unvermeidlicher Toleranzen im Fertigungsprozess geringfügige Unterschiede in Verwindung und/oder Wölbung aufweisen. Diese reichen bereits aus, um unterschiedliche aerodynamische Eigenschaften aufzuweisen. Damit lässt sich folglich auf die vorstehend dargestellte Weise ein zufriedenstellendes Ergebnis nicht erzielen.

Diesen Mangel vermag die in Druckschrift DE 196 28 073 C1 gezeigte Lösung teilweise zu beheben. Dort wird nämlich der Beitrag des einzelnen Blattes zum Drehmoment über die vom Generator abgegebene Leistung bestimmt, die über die Umdrehung des Rotors variiert. Es handelt sich um eine zeitaufgelöste Leistungsmessung. Durch Justierung der Rotorblätter mittels zufälliger Verstellung und Überprüfung des Resultats kann erreicht werden, dass die Unterschiede der einzelnen Blätter zueinander hinsichtlich ihrer Leistung minimiert werden.

Mit dieser Maßnahme werden axiale Schwingungen erfasst und eliminiert, ebenso werden damit in Zusammenhang stehende radiale Schwingungen reduziert. Ein tatsächliches Erfassen axialer oder radialer Schwingungen ist - trotz des hohen Aufwands des empirischen Verfahrens - nicht möglich. Diese können somit auf eine solche Weise nicht ausgeschlossen werden. Folglich können durch eine Lösung nach Druckschrift DE 196 28 073 C1 keine zufriedenstellende Ergebnisse bei der Beseitigung von Schwingungen im Rotor erreicht werden, selbst wenn einer massenbedingten Unwucht zuvor auf konventionelle Weise abgeholfen wurde. Eine verbleibende aerodynamische Unwucht kann weder gezielt erfasst, noch erfolgreich beseitigt werden.

Weitere Verfahren basieren ebenfalls auf fotometrischer Analyse der Blattstellung oder auf Lasermessverfahren. Eine fotometrische Analyse kommt bei dem Verfahren nach Druckschrift WO 2009/ 129 617 A1 zum Einsatz. Dieses Verfahren sieht vor, das die Blattwinkel durch Analyse von markanten Punkten an der Blattoberfläche bestimmt werden.

Laserverfahren hingehen wurden zum Beispiel in den bereits zuvor genannten Druckschriften DE 10 2008 013 392 B4 und DE 100 32 314 C1 beschrieben. Diese Verfahren beruhen auf der Vermessung des Spurlaufes aller drei Blätter und anschließender Berechnung der jeweiligen Blattwinkel aus den Messdaten.

Die Vermessung von Turm-Gondel-Schwingungen in der Praxis hat allerdings gezeigt, dass die Korrektur der Blattwinkel allein basierend auf einem optischen Verfahren nicht immer ausreichend ist, um aerodynamische Unwuchten zu reduzieren. Insbesondere bei Rotoren mit einem sehr großen Durchmesser hat sich darüber hinaus gezeigt, dass das reine Einstellen der Rotorblätter auf die gemessenen Werte einer der oben beschriebenen optischen Methoden ungenügende Ergebnisse bringt.

Gleichzeitig führt die Verwendung eines Verfahrens, das nur die Turm-Gondel- Schwingung vermisst und nicht optisch die Blattwinkel kontrolliert, unter Umständen zu einem schwingungsarmen Rotor, aber zu einer Minderleistung der Anlage durch Fehler des Blatteinstellwinkels eines oder mehrere Rotorblätter führt. Dies resultiert daraus, dass die vom Hersteller vorgegebene Blattwinkeleinstellung bei einem solchen Vorgehen nicht kontrolliert wird. Somit wäre nur die Synchronstellung, nicht aber eine korrekte Einstellung der absoluten Blatteinstellwinkel gewährleistet.

Nach dem vorliegenden Stand der Technik ist es zwar möglich, den Rotor einer Windenergieanlage in axialer und radialer Richtung von Unwuchten zu befreien. Allerdings ist es unter bestimmten Umständen möglich, z.B. bei Fehlern im Verwindungsverlauf der Blätter oder bei anderen Geometrieabweichungen, dass die bekannten Verfahren nicht ausreichen, um den Rotor schwingungsarm einzustellen. Unter diesen Bedingungen wäre eine Erweiterung der Verfahren nötig, wofür aber der Stand der Technik weder praktikable Vorschläge, noch geeignete Anregungen für eine Lösungsfindung anbietet. Verschiedene Druckschriften, wie z. B. US 8 360 722 B2 und US 2009 0 035 136 A1 , ermitteln die Schwingungen unmittelbar über die Biegung der Welle oder die Leistung am Generator. Diese Verfahren sind ungenau bzw. erfordern einen erheblichen Aufwand, um eine angemessene Genauigkeit zu erzielen. Die Druckschrift US 2012 0 183 399 A1 schlägt vor, eine Urmessung durchzuführen und danach ein Rotorblatt zu verstellen, was zu einer definierten aerodynamischen Unwucht führt, und das durch die Verstellung erzielte Ergebnis mittels einer Testmessung zu bestimmen. Verstellung und Testmessung werden wenigstens zweimal durchgeführt, um aus den Ergebnissen empirisch in einem numerischen Verfahren oder nach einer Wertetabelle ermitteln zu können, wie eine Verstellung der Rotorblätter letztlich erfolgen muss, um die aerodynamische Unwucht zu reduzieren. Dieses Verfahren ist ungenau und zugleich aufwändig, denn um eine angemessene Genauigkeit bei der Reduzierung der aerodynamischen Unwucht zu erreichen, wird eine Vielzahl von Messzyklen nötig.

Vorhandene Verfahren sind zumindest sehr aufwändig, um zu einer höheren Genauigkeit zu gelangen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzubieten, mit dem die absolute Blattwinkeleinstellung und die Synchronstellung der Rotorblätter einer Windenergieanlage optimiert und zugleich Schwingungen in radialer und axialer Richtung minimiert werden können. Aufgabe ist es weiterhin, ein besonders einfaches und schnell durchführbares Verfahren zur Verminderung einer aerodynamischen Unwucht anzubieten.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reduktion einer aerodynamischen Unwucht einer Windenergieanlage.

Es hat sich nämlich überraschend gezeigt, dass insbesondere bei Windenergieanlagen mit sehr großen Rotordurchmessern schon bei sehr geringen Synchronitätsabweichungen (< 0,1 °) signifikante aerodynamische Unwuchten auftreten (vgl. Ausführungsbeispiel). Dies ist dadurch begründet, dass geringe Fehlertoleranzen in der Fertigung, also zum Beispiel Abweichungen im Verwindungsverlauf oder der Geometrie (Dicke etc.) zu aerodynamischen Unwuchten führen. Daher ist die Untersuchung des Nullgrad-Blatteinstellwinkels an nur einer radialen Position (Blattflansch oder optische Methode) bei Windenergieanlagen mit großen Durchmessern oft nicht ausreichend. Um dieses Problem zu beheben, wurde das erfindungsgemäße Test-Pitch-Verfahren entwickelt.

Im Rahmen einer Schwingungsmessung im Urzustand wird dabei eine ursprüngliche axiale Schwingung eines Rotors der Windenergieanlage ermittelt, wobei die ursprüngliche axiale Schwingung eine Schwingungsamplitude ä _{ur X} und einen Phasenwinkel φ _υΓιβχ bei Drehfrequenz (1 P) aufweist.1 P bedeutet dabei die erste Ordnung aus einem Ordnungsspektrum, bezogen auf die Rotordrehzahl. Unter einer Ordnungsanalyse ist im vorliegenden Fall die Analyse der Schwingungen von rotierenden Maschinen zu verstehen. Anders als bei der Frequenzanalyse wird hierbei der Energiegehalt der Schwingung nicht über der Frequenz, sondern über der Ordnung aufgetragen. Die Ordnung ist dabei ein Vielfaches der Drehzahl. Ein Motor dreht beispielsweise mit 3000 Umdrehungen pro Minute, das entspricht bei einem zweipoligen Wechsel- oder Drehstrommotor einer Netzfrequenz von 50 Hertz. Die erste Ordnung ist dann bei 50 Hz, die zweite Ordnung bei 100 Hz, die dritte bei 150 Hz usw. Die ermittelte Schwingungsamplitude der axialen Schwingung eines Rotors der Windenergieanlage ist somit eine 1 P-Schwingungsamplitude ä _{ur X} .

Die Schwingungsmessung wird bei drehendem Rotor, bevorzugt bei einer konstanten Drehzahl durchgeführt.

Nach der Schwingungsmessung im Urzustand wird durch Verstellung eines Blatteinstellwinkels von wenigstens einem Rotorblatt eine hinsichtlich Ort und Größe definierte aerodynamische Unwucht mit resultierender Gesamtblatteinstellwinkeländerung a _pitchi test und resultierendem Phasenwinkel <p(apitcn,test) als Testzustand hervorgerufen. Erst danach erfolgt eine einzige erneute Schwingungsmessung, nun im Testzustand, zur Feststellung einer axialen Schwingung mit Schwingungsamplitude ä _{test ax} und Phasenwinkel (p _{test X} bei Drehfrequenz (1 P), die unter Berücksichtigung der ursprünglichen axialen Schwingung die Bestimmung eines axialen Tarierzeigers mit Betrag z _iarieoax und Phasenänderung Δφ und eines Tarawertes tarn ermöglicht. Der Tarawert tara stellt das Verhältnis zwischen der Änderung des Blatteinstellwinkels und der axialen Beschleunigungsänderung dar. Dies stellt zugleich den großen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, indem auf überraschende Weise eine hohe Genauigkeit bei der Minimierung der axialen Schwingung erreicht wird. Zugleich ist der Aufwand hierfür sehr gering, da nur eine Schwingungsmessung im Urzustand und eine Schwingungsmessung im Testzustand benötigt werden. Dies wird möglich durch den Einsatz eines Verfahrens zur Ermittlung einer notwendigen Blatteinstellwinkeländerung _pitch:korr und eines Phasenwinkels (p _kom gemäß des folgenden Verfahrensschritts. Diese Ermittlung erfolgt in einem analytischen Verfahren im Gegensatz zu den numerischen Verfahren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dadurch sind keine weiteren Messungen zur Ermittlung von Werten für die numerische Berechnung nötig und der Aufwand für die Einstellung wird stark verringert, die Verfügbarkeit der Windenergieanlage erhöht.

Der darauf folgende Verfahrensschritt ist also die Bestimmung einer notwendigen Blatteinstellwinkeländerung a _pit ch,korr und eines Phasenwinkels (p _korr , an dem die Blatteinstellwinkeländerung a _pitch:korr vorzunehmen ist, um die ursprüngliche aerodynamische Unwucht zu korrigieren, einschließlich einer vektoriellen Zuordnung der Blatteinstellwinkeländerung a _pit ch,korr auf wenigstens ein Rotorblatt. Das Ergebnis dieser Methode ist, entgegen dem bisherigen Stand der Technik, nicht zwangsläufig derselbe Nullgrad-Einstellwinkel der Rotorblätter, sondern u. U. eine geringe Abweichung zwischen den Blättern, welche rechnerisch nach dem vorgenannten analytischen Verfahren bestimmt wurde.

Sobald die ermittelten Korrekturwerte am Rotorblatt oder an den Rotorblättern, wenn die ermittelte Blatteinstellwinkeländerung a _pit ch,korr zwischen zwei Rotorblättern liegt, eingestellt sind, ist die aerodynamische Unwucht behoben. Dies kann optional durch eine Kontrollmessung bestätigt werden.

Neben einem außerhalb des Rotorblatts liegenden Korrekturpunkt kann die Verstellung mehrerer Rotorblätter auch dann vorteilhaft sein, wenn hierdurch eine Optimierung hinsichtlich Wirkungsgrad und Rundlauf erreicht werden kann. So kann beispielsweise ein gleich gutes Ergebnis im Rundlauf erzielt werden, indem entweder ein Rotorblatt oder mehrere verstellt werden. Nun kann zwischen den Varianten auf Basis des besseren Wirkungsgrads entschieden werden. Verspricht beispielsweise die Verstellung von zwei Rotorblättern einen besseren Wirkungsgrad als die Verstellung von nur einem Rotorblatt, wird die erste Variante gewählt. Es kann hierzu erforderlich sein, beide Varianten in der Praxis zu testen und das Ergebnis zu prüfen.

Der Verfahrensablauf zur Beseitigung einer axialen aerodynamischen Unwucht stellt sich daher zusammengefasst wie folgt dar:

Messung des Ur-Unwuchtvektors mit Schwingungsamplitude und -phasenwinkel axial: {ä _{ur ax} , cp _ur ,ax}

Einstellen eines bestimmten Winkelwertes zur Test-Pitch-Messung an einem Rotorblatt (0,1 bis 2,0° empfohlen): a ₀ °,pitch,test

nach Verstellung: Messung eines Test-Vektors mit verändertem Blattwinkel an mindestens einem Blatt mit Schwingungsamplitude und -phasenwinkel axial:

vektorielle Ermittlung des Tarierzeigers mit Amplitude und Phasenwinkel axial:

° „ ' { ^z tarier,ax> ^taricr,ax}

Tar Utest Uur

° ^z tarier,ax ^— { ^a test,ax> Ψίεεί,Βχ} ^— { ^a ur,ax> ΨΙΙΓ,ΒΧ}

• Ermittlung des Tara-Wertes:

. ^o-.pitch.test

o tara =—

· Bestimmung nötige Blatteinstellwinkeländerung: a _{pitch korr} = tara * ä _{ur ax}

• Phasenwinkeländerung (Ort an dem die Blatteinstellwinkeländerung durchgeführt werden muss) Δφ = cp(a ₀ °,pitch,test) + <(a _U r,axAarier,ax)

• Da der Ort der Blatteinstellwinkeländerung nicht unbedingt an der Position eines Blattes liegt, muss die Blatteinstellwinkeländerung auf die benachbarten Blätter umgerechnet werden: a a a

Zum besseren Verständnis der Vektoren und Formelzeichen wird auf Fig. 2 und die dort dargestellten Einstell- und Messwerte verwiesen.

Weitere Vorteile erwachsen aus einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der vor der Schwingungsmessung im Urzustand eine Analyse von Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter, mit darauffolgender Korrektur der Blattwinkeleinstellungen erfolgen, mit dem Ergebnis der Synchronstellung der Rotorblätter zueinander sowie dem eingestellten absoluten Blatteinstellwinkel aller Rotorblätter. Damit kann bei der nachfolgenden Minimierung der aerodynamischen Unwucht von einer optimalen Blattwinkelstellung ausgegangen werden, die durch die notwendige Verstellung im Rahmen der Reduzierung der Unwucht nur um ein Mindestmaß von der aerodynamischen Optimalstellung abweicht.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor der Schwingungsmessung im Urzustand und der Korrektur der Blattwinkeleinstellungen zusätzlich eine dokumentierende Schwingungsmessung vor.

Die korrigierte Blattstellung hat in der Regel einen optimalen Wirkungsgrad des Rotors zur Folge, so dass dem Wind die maximale Energiemenge entnommen werden kann. Zumindest aber liegt nach der Korrektur der Blattwinkeleinstellung eine klar definierte Blattwinkeleinstellung aller Rotorblätter vor. Von dieser definierten Blattwinkeleinstellung sollte zum Ausgleich etwa verbleibender aerodynamischer Unwuchten ausgegangen werden, um hierbei möglichst wenig von der optimalen Einstellung abzuweichen und damit möglichst geringe Einbußen beim Wirkungsgrad durch notwendige Korrekturen der Blattstellung hinnehmen zu müssen.

Die Analyse der tatsächlichen Blattstellung bei allen Verfahrensalternativen, die eine solche Analyse erfordern, erfolgt bevorzugt durch eine fotometrische Analyse einerseits oder eine Distanzmessung zwischen wenigstens einem Punkt auf jedem Rotorblatt und einem festen Punkt an der Windenergieanlage oder in deren Umgebung andererseits. Bei der fotometrischen Analyse wird das Rotorblatt im Stillstand, bevorzugt mit der Spitze nach unten, im Profil fotografisch aufgenommen und dabei ein an einer bestimmten Stelle markiertes Profil oder markante Punkte abgebildet. Durch Vergleich der so gewonnenen Aufnahmen mit einer als optimal bekannten Sollstellung lässt sich ein etwa vorhandener Korrekturbedarf hinsichtlich des erwünschten Einstellwinkels ermitteln und die Korrektur anschließend vornehmen.

Eine andere mögliche Art der Analyse stellt die Distanzmessung zwischen wenigstens einem Punkt auf jedem Rotorblatt und einem festen Punkt an der Windenergieanlage, beispielsweise dem Turm oder der Gondel oder einem anderen geeigneten fixen Punkt in der Umgebung der Windenergieanlage, dar. Die Distanzmessung selbst erfolgt dabei auf eine bekannte Weise mit einem Messstrahl, wie z.B. mittels Ultraschall oder, besonders bevorzugt, Laserstrahl. Dabei wird das am Messstrahl vorbeistreifende Blatt in seinem Profil abgetastet und das Ergebnis zum Vergleich aufgezeichnet. Daneben sind weitere geeignete Arten der Analyse der tatsächlichen Blattstellung nach der Erfindung vorgesehen.

Alternativ zur dokumentierenden Schwingungsmessung und der Analyse der Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter zu deren Korrektur ist es nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, ohne vorherige Korrektur der Blattwinkeleinstellungen die hinsichtlich Ort und Größe definierte aerodynamische Unwucht durch Verstellung eines Blatteinstellwinkels von wenigstens einem Rotorblatt mit resultierender Gesamtblatteinstellwinkeländerung _p/icii test und resultierendem Phasenwinkel (p(a _{pltch test} ) hervorzurufen. Diese Verstellung erfolgt auf Grundlage einer Analyse der Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter, mit Veränderung von mindestens einer Blattwinkeleinstellung, die eine Gesamtblatteinstellwinkeländerung a _pitchi test und einen resultierenden Phasenwinkel <p(a _P uch,test) zum Ergebnis hat. Damit wird die vorgelagerte dokumentierende Schwingungsmessung unnötig und auch die Korrektur der Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter entfällt - dies jedoch ohne Einbußen an einer optimalen Korrektur der aerodynamischen Unwucht. Da nach dieser Variante des Verfahrens auch Klarheit über die Blattwinkeleinstellung jedes Rotorblatts besteht, kann dies bei der Korrektur der aerodynamischen Unwucht berücksichtigt und die Blattstellung so korrigiert werden, dass zugleich bestehende Fehlstellungen hin zu einer absoluten Blattwinkeleinstellung korrigiert werden.

Es wird mit den vorgenannten Verfahrensvarianten erreicht, dass vor der Schwingungsmessung im Urzustand eine Analyse von Blattwinkeleinstellungen aller Rotorblätter und danach entweder eine Korrektur der Blatteinstellwinkel erfolgt. Das geschieht in der Weise, dass die Einstellung für alle Rotorblätter denselben Blatteinstellwinkel aufweist oder aber eine Verstellung eines Blatteinstellwinkels an wenigstens einem Rotorblatt zur Erzeugung einer definierten aerodynamischen Unwucht im Rahmen der Schwingungsmessung im Testzustand, wobei Auswahl des zu verstellenden Rotorblatts und Verstellung dessen Blatteinstellwinkels zu einer Annäherung an diejenige Einstellung der Rotorblätter führt, bei der alle Rotorblätter denselben Blatteinstellwinkel aufweisen. Auch bei der Verstellung der Blattwinkel zur Korrektur der aerodynamischen Unwucht findet dieser Aspekt entsprechende Beachtung. Alternativ zu einer Bestimmung einer notwendigen Blatteinstellwinkeländerung α _ρΛο ^ _οπ durch ein Messverfahren ist es nach der Erfindung ebenso vorgesehen, dass bei einer alternativen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs die Gesamtblatteinstellwinkeländerung _pitch:test ohne Anwendung insbesondere eines optischen Verfahrens, sondern allein auf Grundlage einer auf manueller Abschätzung beruhenden Methode, ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, dass weder Messeinrichtungen zum Einsatz kommen müssen, noch entsprechende Messfehler einen nachteiligen Einfluss auf das Ergebnis des gesamten Verfahrens nehmen können. Zudem werden der Verfahrensablauf vereinfacht und die Arbeitszeit verkürzt.

Bevorzugt wird bei der Schwingungsmessung im Urzustand und der Schwingungsmessung im Testzustand eine axiale Schwingung ermittelt. Eine solche Messung ist einfach und mit kostengünstiger Messtechnik ausführbar. Alternativ hierzu und besonders bevorzugt werden die Schwingungsmessung im Urzustand und/oder die Schwingungsmessung im Testzustand als kombinierte Schwingungsmessung durchgeführt, wobei wenigstens eine radiale und eine axiale Schwingung ermittelt werden. Dadurch kann festgestellt werden, ob nach Korrektur der aerodynamischen Unwucht zusätzlich eine massenbedingte Unwucht besteht. Diese müsste dann auf herkömmliche Weise ermittelt und beseitigt werden. Dies geschieht bevorzugt mittels Anbringen einer Testmasse, um nach Berechnen von Ort und Größe der Unwucht durch eine Ausgleichsmasse Abhilfe zu schaffen.

Zunächst jedoch geht es um die Bestimmung der axialen Schwingung, wobei bevorzugt in die Bestimmung des axialen Tarierzeigers und des Tarawertes tara die axiale Komponente aus der kombinierten Schwingungsmessung einfließt.

Es ist erforderlich, die Schwingungsmessung bei drehendem Rotor durchzuführen, wobei dieser sich bevorzugt mit konstanter Drehzahl dreht.

Vorteilhaft ist es weiterhin, während einer abschließenden Schwingungsmessung im Endzustand eine verbleibende radiale Schwingung zu ermitteln, die nachfolgend nach Feststellung von Ort und Größe der ursächlichen massebedingten Unwucht mittels mindestens einer Ausgleichsmasse eliminiert wird. Dies dient einer umfassenden Optimierung des problemlosen Rundlaufs des Rotors ungeachtet der konkreten Ursache, da massebedingte Unwuchten mittels Betrachtung der Radialschwingungen ermittelt werden und zudem diese Radialschwingung signifikant durch eine aerodynamische Unwucht beeinflusst wird.

Günstig es auch, wenn im Rahmen der kombinierten Schwingungsmessung wenigstens eine radiale Schwingungsamplitude und ein radialer Schwingungsphasenwinkel sowie eine axiale Schwingungsamplitude und ein axialer Schwingungsphasenwinkel ermittelbar sind. Dann ergibt sich ein vollständiges Bild über die Schwingungsverhältnisse am Rotor und eine eingehende Beurteilung der Situation wird möglich. Mit diesen Werten sind jedenfalls die Unwucht bzw. der jeweils vorherrschende Schwingungszustand komplett beschreibbar und, sofern es sich um die Testmessung handelt, die erforderlichen Gegenmaßnahmen festlegbar.

Im Rahmen der zuvor beschriebenen Methode wird das erfindungsgemäße Verfahren als eine Vor-Ort-Wartung bzw. -Reparatur durchgeführt. Bei Anlagen, die den Nullgrad- Pitchwinkel aber softwareseitig bzw. regelungsseitig einstellen können, ist diese Methode in besonders vorteilhafter Weise aber auch von der Software bzw. Regelung der Windkraftanlage selbstständig möglich. Voraussetzung für die nachfolgend beschriebene automatisierte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit, dass der Blatteinstellwinkel (Nullgradwinkel bzw. Offset) von der Anlage über die Steuerung selbsttätig einstellbar ist und nicht ausschließlich durch Serviceteams vor Ort manuell-mechanisch.

Weiterhin kann durch die Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in die Anlagensteuerung dem normalen Verschleiß an den Elementen des Blattverstellmechanismus entgegengewirkt werden. Durch diesen Verschleiß ergibt sich dabei das Problem der Dauerhaftigkeit der beschriebenen genauen Einstellung, da sich mit zunehmendem Verschleiß auch Parameter ändern. Durch eine Wiederholung der Prozedur in regelmäßigen Abständen ist somit eine permanente Lösung verfügbar, um aerodynamische Unwuchten von Windenergieanlagen zu beheben oder zu reduzieren.

Die Einstellung auf den schwingungsarmen Zustand kann zum einen als Ausgangspunkt genutzt werden, um massebedingte Unwuchten zu beheben. Zum anderen ist dieser Zustand der optimale Startpunkt zur Leistungsoptimierung. In einem iterativen Prozess können die Blattwinkel dann im Gesamt-Offset verstellt werden und die sich ergebende Leistungskurve dadurch optimiert werden. Basierend auf der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch einen Wartungsfachmann, soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Beseitigung von aerodynamischen Unwuchten automatisiert in die Steuerung einer Anlage integriert werden.

Ergänzend ist es im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, Massenauswuchten mittels Messung einer Turmdämpfung bzw. eines Phasenunterschieds zwischen Schwingungsamplitude und Position der Unwucht (statisches Moment) vorzunehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren in der automatisierten Verfahrensvariante ist durch den folgenden Ablauf gekennzeichnet:

1. Windenergieanlage misst im Betrieb oder im lastfreien Betrieb (generatorfrei) selbsttätig durch geeignete Sensoren die axiale Gondelschwingung (Urmessung).

2. Die Anlage verstellt über ihre Versteileinrichtungen im Betrieb, bzw. bei einem kurzen Stopp oder im Trudelbetrieb, mindestens einen Blatteinstellwinkel (Null-Grad Winkel bzw. Offset) um einen vorgesehenen Betrag. Dieser Betrag ist zumindest so groß bemessen, dass eine geänderte Schwingungseigenschaft ermittelbar ist.

3. Die Windenergieanlage misst wieder im gleichen Betriebszustand wie unter 1. die axialen Gondelschwingungen (Testmessung). 4. Aus dem Ergebnis des Urlaufes und des Testlaufes wird ein Tarierzeiger und Tarawert bestimmt, der es ermöglicht die Position (Phasenwinkel) der Blatteinstellwinkeländerung und dessen Betrag zu bestimmen. Dieser muss eingestellt werden um die Anlage schwingungsarm laufen zu lassen. 5. Der Phasenbetrag aus 4. kann zwischen zwei Blättern liegen und die Pitchwinkeländerung kann dann rechnerisch auf zwei Blätter aufgeteilt werden. (Die Berechnung in aus Ziffern 4. und 5. entspricht der Berechnung nach dem manuellen Verfahren.) 6. Die Blattwinkel können insgesamt durch die Anlagensteuerung verstellt werden um die optimale Leistungserzeugung zu erzielen. Dies kann durch iterative Verstellung und jeweils Messung der Leistungskurve erfolgen. Soweit entspricht der Ablauf dem manuellen Verfahren, jedoch unter Nutzung bzw. Einrichtung von entsprechenden Sensoren und Stelleinrichtungen der Windenergieanlage, die zumindest Schwingungen ermitteln und eine Verstellung von wenigstens der Blattstellung aller Blätter ermöglicht. Weiterhin kann durch die Durchführung eines Notstopps, automatisch durch Anlagensteuerung bzw. manuell ausgelöst, die Turmdämpfung bestimmt werden. Diese ermöglicht nach Messung der radialen Schwingungsamplitude die Bestimmung der Position der Masseunwucht (statisches Moment). Auch dieses Verfahren wird nach der Erfindung in geeigneter Weise automatisiert, bevorzugt in die Anlagensteuerung integriert.

Bei erhöhter Schwingungsamplitude, die bei Kenntnis des statischen Momentes des Rotors bestimmt werden kann, kann ein Serviceteam zum Auswuchten bestellt werden. Diesem liegt dann die Kenntnis der einzubringenden Masse und Position, radial und in Umfangsrichtung (Phase), bereits vor, wenn nach der Erfindung eine automatisierte Messung erfolgte. Daneben sind aus dem Stand der Technik verschiedene selbsttätige Auswuchtverfahren (z. B. Gewichtsverlagerung durch Flüssigkeitstanks) bekannt, die sich im Sinne des erfindungsgemäßen automatisierten Verfahrens steuern lassen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 : schematische Darstellung axialer, radialer und torsionaler Turmanregung; Darstellung und Stand der Technik bei der Beseitigung von Unwuchten;

Fig. 2: schematisches Zeigerdiagramm mit Darstellung von Einstell- und Messwerten mit ihren Symbolen sowie deren Verhältnis zueinander;

Fig. 3: schematische Darstellung eines Diagramms einer Nenn-Leistungskurve und von Leistungskurven bei Fehlern der absoluten Blatteinstellwinkel;

Fig. 4: schematische Darstellung eines Diagramms einer Leistungskurve einer Windenergieanlage vor und nach der Blattwinkelkorrektur; und Fig. 5: schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Massebedingte Unwuchten führen insbesondere zu einer radialen Schwingung, also senkrecht zur Rotorachse, wie Fig. 1 zeigt. Branchenüblich geht man für massebedingte Unwuchten, soweit nicht anders vom Hersteller definiert, von einer zulässigen Abweichung vom mittleren statischen Moment des Rotorblattsatzes von 0,5% aus. Aerodynamische Unwuchten, verursacht durch unterschiedliche Einstellwinkel der Rotorblätter zueinander, Verwindungsfehler, Profilabweichung, Teilungsfehler, defekte Strömungselemente oder Schäden an der Blattoberfläche, führen zu axialen, torsionalen aber auch zu lateralen (radialen) Anregungen der Gondel- Turmschwingungen, wie ebenfalls in Fig. 1 dargestellt.

Die Bestimmung von axialen und radialen Gondel-Turmschwingungen mit Beschleunigungssensoren und anschließender Fourieranalyse ist nach dem Stand der Technik bekannt. Zudem werden von einigen Anbietern die torsionalen Gondel- Turmschwingungen vermessen. Auch die Behebung von massebedingten Schwingungen durch das Einbringen eines definierten reversiblen statischen Momentes und somit den Rückschluss auf die Urunwucht wird in der Praxis durchgeführt und ist somit bekannt.

Für die Vorbereitung der Behebung von aerodynamischen Unwuchten werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Beispielhaft sei ein fotometrisches Verfahren genannt, das auf der Markierung einer bestimmten Radiusposition, Fotografie dieser und der Auswertung der gewonnenen Aufnahmen durch eine spezielle CAD-Software beruht. Ebenso ist es möglich, ein anderes fotometrisches Verfahren einzusetzen, bei dem markante Punkte an der Blattoberfläche analysiert werden. Der Grenzwert für die optimale Einstellung von Rotorblättern zueinander soll ±0,3° nicht übersteigen, wie vom Germanischen Lloyd vorgegeben (vgl. Germanischer Lloyd; Rules and Guidelines Industrial Services; Guideline for the Certification of Wind Turbines; 2010.).

Fig. 2 zeigt ein schematisches Zeigerdiagramm mit Darstellung von Einstell- und Messwerten sowie deren Verhältnis zueinander. Hier bedeuten die angegebenen Formelzeichen: • Schwingungsamplitude und -Phasenwinkel axial: ä _{ur ax} , ⁽ p _ur , _a x

• Schwingungsamplitude und -Phasenwinkel radial: ä _{ur rad} , <p _U r,rad

• Absolute Blatteinstellwinkel einer Windenergieanlage mit drei Rotorblättern: a ₀ =, α-120°. ^a 120°

· nach Verstellung: Schwingungsamplitude und -Phasenwinkel axial: ä _{test ax} ,

⁽ Ptest.ax

• nach Verstellung: Schwingungsamplitude und -Phasenwinkel radial: _{test rad} , testxad

• Amplitude und Phasenwinkel Tarierzeiger axial: z _tarierAX , ⁽ p _t arier,ax

· Verhältnis Tarierzeiger zu Blatteinstellwinkeländerung =

• Tarawert: tara = ^Acc( - ^<Ptest [tara] = —

ztarier,ax TlTl/S

• Aa entspricht hier a

• Bestimmung nötige Blatteinstellwinkeländerung - Ergebnis: a _{pitch korr} = tara * aur,ax

· Phasenwinkeländerung (Ort an dem die Blatteinstellwinkeländerung durchgeführt werden muss) Αφ = <p a ₀ ° _{pitch test} ) + <{ä _ur ,ax' ^tarier, ax)

Da der Ort der Blatteinstellwinkeländerung nicht unbedingt an der Position eines Blattes liegt, muss die Blatteinstellwinkeländerung auf die Blätter umgerechnet werden: <Xo°,korr > -120°, kor r > 120°,korr

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms einer Nenn- Leistungskurve 30 und von Leistungskurven 31 , 32 bei Fehlern der absoluten Blatteinstellwinkel. Es sind die Auswirkungen auf die abgegebene Leistung einer Windenergieanlage erkennbar, die in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Richtung der Fehlstellung auftreten. So tritt bei einer Verstellung nach „Stall" (Leistungskurve 31 , gepunktete Linie) bei jeder Windgeschwindigkeit ein Leistungsabfall gegenüber der Nennleistung auf, der sich bei höherer Windgeschwindigkeit sogar noch verstärkt. Demgegenüber verursacht eine unerwünschte Verstellung nach „Fahne" (Leistungskurve 32, Strich-Punkt-Linie) vor allem Leistungseinbußen bei geringerer Windgeschwindigkeit.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms einer Leistungskurve einer Windenergieanlage vor und nach der Blattwinkelkorrektur. Hier sind, ähnlich wie in Fig. 3, die Auswirkungen von Fehlstellungen des Rotorblatts erkennbar, hier jedoch unter Angabe konkreter Winkelstellungen. Die gestrichelte Linie 33 zeigt einen Blattwinkel von 0,8° nach Stall (vor der Korrektur), die gepunktete Linie 34 einen Blattwinkel von 0,0° (nach der Korrektur).

Weiterhin sind nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Windenergieanlage mit einem dreiflügligen Rotor erläutert, in denen die Ermittlung und Eliminierung eines tatsächlichen Fehlers dargestellt wird.

Fig. 5 zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend der Abfolge der Verfahrensschritte des nachfolgenden Ausführungsbeispiels 1. Ausführungsbeispiel 1 :

Ziel ist es, die radiale und axiale Turm-Gondel-Schwingung einer Windenergieanlage zu minimieren sowie die absoluten Blattwinkel einzustellen, um die Leistungskurve zu optimieren.

Schritt I (Bezugszeichen 1 1): Es wird eine Vermessungen der Rotorschwingungen 20 im Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt. Es werden folgende Ergebnisse (Amplituden) ermittelt:

axiale Schwingung 40,0 mm/s ²

radiale Schwingung 28,0 mm/s ²

Schritt II (Bezugszeichen 12): Zunächst erfolgt die Vermessung der Blattwinkelstellung nach einem bekannten Verfahren. Als Referenzprofil wird das Profil entlang des Rotorblattes gewählt, an dem der Verwindungswinkel 0° beträgt. Der optimale Einstellwinkel an diesem Profilschnitt wäre 0,00°. (Alternativ könnte auch jede andere radiale Position bei bekanntem entsprechendem Verwindungswinkel gewählt werden.) Es werden folgende Ergebnisse ermittelt:

Blatt I Winkel + 0,10°

Blatt II Winkel + 0,60°

Blatt III Winkel -0,30° Schritt III (Bezugszeichen 13): Alle drei Rotorblätter werden auf den nominell optimalen Winkel (0,00°) verstellt.

Blatt I Winkel 0,00°

Blatt II Winkel 0,00°

Blatt III Winkel 0,00°

Schritt IV (Bezugszeichen 14): Es wird erneut eine Vermessung der Rotorschwingungen 21 im Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt. Es werden folgende Ergebnisse (Amplituden) ermittelt:

axiale Schwingung 48,0 mm/s ²

radiale Schwingung 36,0 mm/s ²

Schritt V (Bezugszeichen 15): Aus den beiden durchgeführten Schwingungsmessungen werden über die Betrachtung der Schwingungsvektoren die Winkelkorrekturwerte ermittelt, bei denen ein Minimum der axialen Schwingungen auftritt:

Blatt I Korrekturwinkel + 0,10°

Blatt II Korrekturwinkel 0,00°

Blatt III Korrekturwinkel + 0,30°

Schritt VI (Bezugszeichen 16): Die Rotorblätter werden mit den ermittelten Korrekturwinkeln eingestellt.

Schritt VII (Bezugszeichen 17): Zur optionalen Validierung der neuen Einstellung wird eine dritte Vermessung der Rotorschwingungen 22 im Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt. Es werden folgende Ergebnisse (Amplituden) ermittelt:

axiale Schwingung 2,4 mm/s ²

radiale Schwingung 3, 1 mm/s ²

Ausführungsbeispiel 2:

An einer weiteren Windenergieanlage wird die Leistungskurve vor und nach der Blattwinkelkorrektur betrachtet.

Schritt I: Es erfolgt eine Vermessung der Blatteinstellwinkel:

Blatt I Winkel - 0,69°

Blatt II Winkel - 0,95°

Blatt III Winkel - 0,90° Schritt II: Es erfolgt eine Messung der Rotorschwingungen bei Nenndrehzahl:

axiale Schwingungsamplitude 9,43 mm/s ²

radiale Schwingungsamplitude 1 1 ,80 mm/s ²

Schritt II I: Die Blatteinstellwinkel der 3 Rotorblätter werden auf den nominellen Sollwinkel eingestellt:

Blatt I Winkel 0,00°

Blatt II Winkel 0,00°

Blatt III Winkel 0,00°

Schritt IV: Es wird erneut eine Messung der Rotorschwingungen durchgeführt:

axiale Schwingungsamplitude 22,82 mm/s ²

radiale Schwingungsamplitude 17,16 mm/s ²

Schritt V: Aus den Messwerten wird anhand des beschriebenen Verfahrens noch die nötige Korrektur des Blatteinstellwinkels ermittelt, um ein geringes axiales Schwingungsniveau zu erreichen:

Blatt I Winkel - 0,05°

Blatt II Winkel - 0,00°

Blatt III Winkel + 0,22°

Schritt VI: Es wird eine abschließende Messung der Rotorschwingungen durchgeführt: axiale Schwingungsamplitude 1 ,53 mm/s ²

radiale Schwingungsamplitude 8,30 mm/s ²

Auswertung von Ausführungsbeispiel 2: An der Windenergieanlage wurde zunächst ein im Mittel um 0,85° zu weit in Richtung Stall liegender Absolutwinkel der Rotorblätter festgestellt. Die Korrektur des Blatteinstellwinkels führte zu einer Veränderung der Leistungskurve, welche nun dem Verlauf der Soll-Leistungskurve folgt. Zusätzlich wird eine geringfügige Abweichung vom Blattwinkel-Sollwert eingestellt, um ein niedriges Schwingungsniveau der Anlage zu erreichen. Bezugszeichenliste

1 Windenergieanlage

2 Rotor

3 Gondel

4 axiale Gondel-Turmanregung

5 radiale Turmanregung

6 torsionale Gondel-Turmanregung

7 Rotorblatt

8 Turm

1 1 Schritt I

12 Schritt II

13 Schritt III

14 Schritt IV

15 Schritt V

16 Schritt VI

17 Schritt VII

20 Rotorschwingungen axial, radial (Urzustand)

21 Rotorschwingungen axial, radial (nach Blatteinstellung)

22 Rotorschwingungen axial, radial (nach Blattkorrektur)

30 Nenn-Leistungskurve

31 Leistungskurve Blattwinkel zu weit nach Stall

32 Leistungskurve Blattwinkel zu weit nach Fahne

33 Leistungskurve Blattwinkel 0,8° nach Stall (vor der Korrektur)

34 Leistungskurve Blattwinkel 0,0° (nach Korrektur)