Relative und absolute Blattwinkel bei Windkraftlagen

Bei der Vermessung von Rotorblättern wird häufig nach dem absoluten Blattwinkel gefragt. Für den Betrieb einer modernen Windenergieanlage ist jedoch wichtiger, wie synchron die drei Rotorblätter zueinander eingestellt sind.

Die Anlagenregelung passt die Blattwinkel laufend an Wind- und Betriebsbedingungen an. Entscheidend ist deshalb ein möglichst synchron arbeitender Rotor: Die drei Blätter sollten auf gleiche Stellvorgaben möglichst gleich reagieren und keine dauerhaften Grundabweichungen zueinander aufweisen.

Was ist ein absoluter Blattwinkel?

Ein absoluter Blattwinkel beschreibt die Stellung eines Rotorblatts gegenüber einer festgelegten geometrischen Referenz.

Ein solcher Wert kann beispielsweise für Montage, Justage oder die Überprüfung einer definierten Referenzstellung relevant sein.

Im laufenden Betrieb verändert sich der Pitchwinkel jedoch kontinuierlich. Die Anlagenregelung passt ihn an Windgeschwindigkeit, Leistung und weitere Betriebsbedingungen an. Der optimale Blattwinkel ist deshalb kein einzelner, über den gesamten Betrieb konstanter Wert.

Was ist eine relative Blattwinkelabweichung?

Bei der relativen Betrachtung werden die drei Rotorblätter miteinander verglichen.

Die zentrale Frage lautet dann nicht:

Welchen absoluten Winkel hat das Blatt?

Sondern:

Wie unterscheiden sich die drei Rotorblätter unter vergleichbaren Betriebsbedingungen voneinander?

Weist beispielsweise eines der drei Blätter gegenüber den beiden anderen eine reproduzierbare Winkelabweichung auf, besteht eine relative Grundabweichung im Rotor.

Die Anlagenregelung optimiert den Betrieb

Moderne Windenergieanlagen regeln ihren Betrieb kontinuierlich. Pitchwinkel, Drehzahl und weitere Betriebsgrößen werden an die aktuellen Bedingungen angepasst, um einen möglichst günstigen Betriebszustand zu erreichen.

Die Regelung kann dabei den Pitchwinkel verändern. Eine vorhandene Grundabweichung zwischen den Rotorblättern ist davon jedoch zu unterscheiden.

Werden die Blätter gemeinsam verstellt, kann eine relative Abweichung zwischen ihnen grundsätzlich bestehen bleiben.

Entscheidend ist ein synchroner Rotor

Für einen möglichst gleichmäßigen Rotorbetrieb sollten die drei Rotorblätter unter vergleichbaren Bedingungen möglichst gleich eingestellt sein.

Erhalten die Blätter gleiche Stellvorgaben, sollten zwischen ihnen keine unnötigen dauerhaften Winkelunterschiede bestehen. Andernfalls können die Rotorblätter trotz gemeinsamer Regelung unter unterschiedlichen aerodynamischen Bedingungen arbeiten.

Vereinfacht:

Gemeinsame Pitchregelung + unterschiedliche Grundstellung = unterschiedliche aerodynamische Bedingungen

Deshalb ist die relative Abweichung zwischen den Rotorblättern eine wichtige Messgröße.

Blattwinkelabweichungen erzugen zyklische Zusatzlasten

Sind die Rotorblätter unterschiedlich eingestellt, entstehen unterschiedliche aerodynamische Kräfte. Da sich der Rotor kontinuierlich dreht, wiederholen sich diese Lastunterschiede mit jeder Rotorumdrehung.

Damit geht es nicht nur um einen möglichen Ertragsverlust. Dauerhafte Blattwinkelabweichungen können auch zusätzliche zyklische Belastungen erzeugen und damit die Ermüdungsbeanspruchung der Anlage erhöhen.

Die Lasten werden über Rotor und Nabe in weitere Komponenten und die Tragstruktur eingeleitet. Betroffen sein können unter anderem Lager und Triebstrang, das Azimutsystem sowie Turm und Fundament.

Über die Betriebsdauer können zusätzliche zyklische Belastungen zu erhöhtem Verschleiß und zu einer höheren Ermüdungsbeanspruchung beitragen.

Vereinfacht ergibt sich die Wirkungskette:

Blattwinkelabweichung → aerodynamische Unwucht → zyklische Zusatzlasten → erhöhte Fatiquelasten

Warum kleine relative Abweichungen wichtig sind

Die Anlagenregelung kann auf veränderte Wind- und Betriebsbedingungen reagieren. Eine dauerhafte relative Grundabweichung zwischen den Rotorblättern sollte sie jedoch nicht ersetzen müssen.

Für einen möglichst synchronen Rotor sollten die relativen Blattwinkelabweichungen deshalb möglichst klein sein.

Damit erhalten die Rotorblätter nicht nur vergleichbare Stellvorgaben, sondern arbeiten auch mit möglichst ähnlichen aerodynamischen Ausgangsbedingungen.

Warum absolute Blattwinkel trotzdem relevant sein können

Absolute Blattwinkel sind damit nicht grundsätzlich unwichtig. Sie beantworten lediglich eine andere Fragestellung.

Für bestimmte Aufgaben können absolute Referenzwerte erforderlich sein, beispielsweise bei Montage, Justage oder der Überprüfung einer vorgegebenen geometrischen Stellung.

Für die Beurteilung der Gleichmäßigkeit des Rotors steht dagegen der Unterschied zwischen den drei Blättern im Vordergrund.

Absoluter Blattwinkel: Wo steht das Blatt gegenüber einer definierten Referenz?

Relative Blattwinkelabweichung: Wie unterscheidet sich ein Blatt von den anderen?

Relative Blattwinkel im laufenden Betrieb messen

Bei einer dynamischen Messung werden die drei Rotorblätter nacheinander unter vergleichbaren Messbedingungen erfasst.

Aus den einzelnen Blattdurchgängen lassen sich relative Blattwinkel- beziehungsweise Pitchwinkelunterschiede bestimmen. Wiederholt sich eine Abweichung über viele Rotorumdrehungen, kann sie von einzelnen Messabweichungen oder kurzfristigen Einflüssen unterschieden werden.

Der Vergleich erfolgt damit direkt am arbeitenden Rotor und unter realen Betriebsbedingungen.

Nicht nur den Blattwinkel betrachten

Auch eine relative Blattwinkelabweichung ist zunächst ein Messwert. Für die technische Einordnung ist zusätzlich interessant, ob sich Unterschiede in der Blattbewegung oder Reaktionen der Anlage zeigen.

Deshalb können Blattdurchbiegung sowie Turm- und Gondelbewegungen parallel betrachtet werden.

Relative Blattwinkelabweichung → Blattbewegung → Strukturreaktion → technische Bewertung

Damit lässt sich untersuchen, ob eine geometrische Grundabweichung auch im realen Anlagenverhalten erkennbar wird.

Relative Blattwinkelmessung mit Rotor LDM

Rotor LDM bestimmt relative Blattwinkelunterschiede aus den nacheinander erfassten Blattdurchgängen im laufenden Betrieb.

Der Schwerpunkt liegt bewusst auf dem Vergleich der drei Rotorblätter. Gleichzeitig können Blattlage und Durchbiegung sowie die Reaktionen von Turm beziehungsweise Gondel erfasst werden.

Damit lässt sich untersuchen, wie gleichmäßig die drei Rotorblätter unter realen Betriebsbedingungen zusammenarbeiten und ob vorhandene Abweichungen mit weiteren Reaktionen der Anlage zusammenhängen.