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IAPG: Projekte

Projekt „Entwicklung eines berührungslosen und markierungsfreien Messverfahrens zur Erfassung bewegter Rotorblätter von Windkraftanlagen im Labor- und Feldversuch“

Projekt von Thomas Luhmann & Martina Göring

  • Gefördert durch Jade2Pro
  • Laufzeit: 01.11.2014 – 31.10.2017
  • Kooperationspartner: Zoller + Fröhlich, ForWind, Technische Universität Dresden, HafenCity Universität Hamburg
  • Projektbeschreibung

    Das Promotionsvorhaben zielt auf die Entwicklung eines innovativen Ansatzes zur berührungslosen und markierungsfreien Erfassung der dynamischen Zustände von Rotorblättern im laufenden Betrieb. Herausforderungen sind durch die Dimensionen heutiger Windenergieanlagen, die hohe Dynamik, die weitgehend unbekannten realen Blattdeformationen, die wechselnden Umgebungsbedingungen und die problematische Datumsfestlegung (Definition von Koordinatensystemen) gegeben. Aufbauend auf dem Projekt WindScan soll durch die Kombination von Photogrammetrie und Laserscanning ein neues Messverfahren entwickelt werden, welches unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen die Ableitung verschiedener Parameter zur Beschreibung der Rotorblattverformungen (Torsion, Durchbiegung in Windrichtung usw.) erlaubt.

    Hintergrund

    Die tatsächliche Verformung der Rotorblätter im laufenden Betrieb einer Windenergieanlage (WEA) ist für Anlagenhersteller ein interessantes Thema. Mit diesem Wissen können Rotorblätter im Hinblick auf ihre Aerodynamik, der Energieausbeute sowie der Materialeigenschaften optimiert werden. Die aktuelle Prüfung der Rotorblätter (WEA werden dazu angehalten) ist mit enormen Kosten und einem hohen Arbeitsaufkommen verbunden. Im Hinblick auf Effizienz und Sicherheit kann diesbezüglich ein neues Arbeitsfeld für die 3D-Vermessung erwartet werden.

    Die Verformungen im laufenden Betrieb zu messen ist jedoch eine komplexe Aufgabenstellung aufgrund der Vielzahl an Freiheitsgrade einer WEA und der Spitzengeschwindigkeit an der Außenspitze der Rotorblätter von 80m/s. In bisherigen Forschungsprojekten werden die WEA signalisiert und photogrammetrisch beobachtet (Schmidt Paulsen et al. 2009, Winstroth et al. 2014).

    Messverfahren

    Als mögliches Messverfahren bietet sich das Laserscanning an, wobei sich übliche Anwendungen mit statischen Objekten befassen. Einzelne Messwerte werden sequentiell aufgenommen, der Laser wird dabei um die horizontale und vertikale Achse umgelenkt. Für die Verformungsmessung der Rotorblätter werden mehrere Laserscanner vom Typ 5010 der Firma Zoller + Fröhlich GmbH eingesetzt, bei denen die Umlenkeinheit deaktiviert wird. Um die Bewegung der Gondel zu erfassen, wird eine Kamera eingesetzt. ⇒ WindScan

    Mit dem Laserscanner werden die Distanzen in Anhängigkeit von der Zeit erfasst. Dabei soll das Rotorblatt zeitgleich alle Laserstrahlen durchlaufen. Die Laserscanner so auszurichten, dass dies möglich ist, ist jedoch nicht einfach, da bereits durch eine leichte Gondelbewegung der gleichzeitige Durchlauf nicht mehr gewährleistet ist. In der folgenden Abbildung wird das Ergebnis eines Durchlaufs von drei Laserscannern eines Feldversuches dargestellt. Die Positionen der Profildaten haben einen leichten zeitlichen Versatz. Die exakte Torsion kann so nicht ermittelt werden, da sich die Verformung in dem Zeitraum bereits geändert hat (Schwingungen).

    DurchlaufRotorblattVersatz.png

    Zeitlicher Versatz beim Durchlauf eines Rotorblattes durch die Laserstrahlen

    In diesem Projekt wird ein neues Messsystem entwickelt, dass den zeitgleichen Durchlauf des Rotorblatts durch die Laserstrahlen vereinfacht und die anschließende Auswertung der dynamischen Rotorblattzustände sowie die Ableitung erforderlichen Parameter erlaubt.



    Schmidt Paulsen, U., Erne O., Schmidt, T. (2009): Wind Turbine Operational and Emergency Stop Measurements Using Point Tracking Videogrammetry, Proceedings of the SEM Annual, Albuquerque, New Mexico, USA

    Winstroth, J., Schoen, L., Ernst, B., & Seume, J. R. (2014). Wind turbine rotor blade monitoring using digital image correlation: a comparison to aeroelastic simulations of a multi-megawatt wind turbine. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 524, No. 1, p. 012064). IOP Publishing.

    IAPG: Projects

    Project „Developing a non-contact and target free detection of rotating rotor blades of wind energy converter in laboratory and field tests“

    Project by Thomas Luhmann & Martina Grosse-Schwiep

    • Funded by Jade2Pro
    • Duration: 01.11.2014 – 31.10.2017
  • cooperation: Zoller + Froehlich, ForWind, Technische Universität Dresden, HafenCity Universität Hamburg
  • Project description

    The aim of the PhD project is to develop an innovative approach for a non-contact and target free detection of dynamic situations of rotor blades during operation. Challenges are given by the dimensions of the converter, the high dynamics, the more or less unknown real blade deformations, the changing environmental conditions and the problematic definition of the coordinate system. Based on the WindScan project a new measurement method will be developed by the combination of photogrammetry and laser scanning which allows for the derivation of the deformations of the rotor blades (torsion, bending in wind direction etc.) in consideration of the environmental conditions.

    Background

    The real deformation of the rotor blades during operation of a wind energy converter (WEC) is an interesting topic for manufacturer. Rotor blades can be optimized with respect to their aerodynamics, energy efficiency and material properties. The current inspection of rotor blades (WEC are stopped) is expensive and of high workload. With respect to efficiency and safety, a new field of work for 3D measurement techniques can be expected.

    The measurement of deformation during operation is a complex challenge due to multiple degrees of freedom of the converter and the speed of up to 80m/s of the outer tip of the rotor blades. In previous research projects the WEC are signalized and observed by photogrammetry (Schmidt Paulsen et al. 2009, Winstroth et al. 2014).

    Measurement Method

    A possible measurement method is laser scanning, but common applications are related to static objects. Measurement values are recorded sequentially, the laser is deflected by the horizontal and vertical axis. To measure the deformation of the blades several laser scanner of type 5010 from Zoller + Froehlich GmbH are used, the deflection unit is deactivated. The nacelle movement is recorded with a camera. ⇒ WindScan

    With Laser scanning the distances are measured as a function of time. The rotor blade should run through all laser beams at the same time. However, it is difficult to align the different lasers in order to get a simultaneous measurement of the rotor blade for all beam positions. A small nacelle movement causes a non-simultaneous passing of the rotor blade. The following figure shows the result of a passing sequence of a field measurement. The positions of the profiles show a small time delay. The exact torsion cannot be calculated due to in-between changes in deformation of these profiles, caused by vibrations of the blade.

    DurchlaufRotorblattVersatzEng.png

    Time delay during the passage of a rotor blades by the laser beams

    In this project a new measurement system will be developed that allows for a simultaneous pass of the rotor blade through the laser beams and a subsequent analysis of the dynamic situations including the derivation of the required parameters.



    Schmidt Paulsen, U., Erne O., Schmidt, T. (2009): Wind Turbine Operational and Emergency Stop Measurements Using Point Tracking Videogrammetry, Proceedings of the SEM Annual, Albuquerque, New Mexico, USA

    Winstroth, J., Schoen, L., Ernst, B., & Seume, J. R. (2014). Wind turbine rotor blade monitoring using digital image correlation: a comparison to aeroelastic simulations of a multi-megawatt wind turbine. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 524, No. 1, p. 012064). IOP Publishing.

     

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