DE102010046493B3 - Method for non-contact and non-destructive inspection of fault in rotor blades of wind power plant using heat flow thermography, involves arranging flying carrier at controlled distance from rotor blade to be tested - Google Patents

Method for non-contact and non-destructive inspection of fault in rotor blades of wind power plant using heat flow thermography, involves arranging flying carrier at controlled distance from rotor blade to be tested Download PDF

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Abstract

The method involves exciting a rotor blade (1) to be tested by excitation sources designed as a specially formed deflection and focusing system (7). A solar radiation is focused on a surface of the blade. A heat flow due to the excitation of the blade is detected by an infrared sensor (3) to obtain a series of thermal images, where the sensor is firmly fixed stationary or together with the excitation sources on a flying carrier (4). The images are processed using various types of signal and image processing methods. The carrier is arranged at a controlled distance from the blade. An independent claim is also included for a device for inspection of fault in rotor blades of a wind power plant using heat flow thermography, comprising flying carrier.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus for carrying out the method.

Die Erfindung bezieht sich auf die berührungslose und zerstörungsfreie sowie schnelle und kostengünstige Detektierung verschiedener Fehler in großflächigen Bauteilen, die mindestens in einer Dimension größer als das erfasste Bildfeld sind. Insbesondere handelt es sich dabei um Bauteile, die aus mehrschichtigen und mehrkomponentigen Materialien aufgebaut sind. Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist ein Rotorblatt einer Windenergieanlage. Windenergieanlagen sind mittlerweilen sowohl im Hügelland, wie in Küstengebieten aber auch Off-Shore ( DE 199 46 899 B4 ) weit verbreitet. Die Bedeutung dieser Anlagen nimmt beständig zu. Zusätzlich kommen jetzt viele der gebauten Anlagen in ein Alter, in dem eine präventive technische Überprüfung Schäden erheblich reduzieren kann.The invention relates to the non-contact and non-destructive as well as fast and cost-effective detection of various defects in large-area components that are larger than the captured image field at least in one dimension. In particular, these are components that are composed of multilayer and multi-component materials. An example of such a component is a rotor blade of a wind energy plant. Wind turbines are meanwhile both in the hill country, as in coastal areas but also off-shore ( DE 199 46 899 B4 ) widespread. The importance of these plants is constantly increasing. In addition, many of the built facilities are now at an age where preventative technical inspection can significantly reduce damage.

Das Prüfen von in Betrieb befindlichen Rotorblättern erfolgt heute ausschließlich durch visuelle Kontrolle oder akustisch durch Abklopfen der Rotorblätter (Inspektion der Rotorblätter von Windenergieanlagen mit akustischen Verfahren. – Anne Jüngert, Christian U. Grosse, Markus Krüger, DACH-Jahrestagung 2008 in St. Gallen – Mi. 1.B.3) bzw. mit Hilfe entsprechenden Sensoren, die auf den Rotorblättern aufgebracht sind ( US 2010/0011862 A1 ). Hierfür besteht immer die Notwendigkeit, dass die prüfende Person Zugang zu den Rotorblättern hat. Um diesen Zugang zu ermöglichen, wird die Prüfperson am Rotorblatt abgeseilt oder mit Hilfe einer Plattform ( DE 43 39 638 A1 ), einer Hebebühne ( DE 103 18 875 B4 , US 2010/0011862 A1 ) oder spezieller Rahmenkonstruktion ( DE 10 2008 019 680 A1 ) in entsprechende Höhe zum Rotorblatt gebracht. Dies ist, nicht nur wegen der hohen Anforderungen an die Arbeitssicherheit, zeitaufwändig und kostenspielig, da die Windkraftanlagen schwer zugänglich sind. Zudem ist dies nur möglich, sofern es das Terrain erlaubt. Aufgrund der maximalen Arbeitshöhe der Hubarbeitsbühnen, ist die Methode nur an kleineren Windkraftanlagen möglich. Somit ist diese Methode für viele Windkraftanlagen, wie z. B. Off-Shore-Anlagen, keine gangbare Alternative.Inspection of rotor blades in operation today takes place exclusively by visual inspection or acoustically by tapping the rotor blades (inspection of the rotor blades of wind turbines with acoustic methods.) - Anne Jüngert, Christian U. Grosse, Markus Krüger, DACH Annual Meeting 2008 in St. Gallen - Mi. 1.B.3) or with the aid of corresponding sensors, which are mounted on the rotor blades ( US 2010/0011862 A1 ). There is always a need for the test person to have access to the rotor blades. In order to allow this access, the test person is roped on the rotor blade or by means of a platform ( DE 43 39 638 A1 ), a lift ( DE 103 18 875 B4 . US 2010/0011862 A1 ) or special frame construction ( DE 10 2008 019 680 A1 ) brought to the appropriate height to the rotor blade. This is not only because of the high demands on safety at work, time consuming and costly, since the wind turbines are difficult to access. In addition, this is only possible if it allows the terrain. Due to the maximum working height of the aerial work platforms, the method is only possible on smaller wind turbines. Thus, this method is for many wind turbines, such. B. Off-shore systems, not a viable alternative.

Es ist ein Verfahren zur Inspektion von Rotorblättern an Windkraftanlagen bekannt ( DE 10 2008 053 928 A1 ), in dem eine optische Inspektion mit Hilfe einer optisch bestückten Flugdrohne bekannter Bauart ausgeführt wird. Aufgrund der beschränkten Möglichkeiten der optischen Prüfung ist jedoch die Bestimmung des Ausmaßes von Fehlern in der Tiefe des Rotorblatts nicht möglich.A method for inspecting rotor blades on wind turbines is known (US Pat. DE 10 2008 053 928 A1 ), in which an optical inspection is carried out with the aid of an optically equipped aircraft drone of known type. However, due to the limited possibilities of optical inspection, it is not possible to determine the extent of errors in the depth of the rotor blade.

Um die in einem Rotorblatt verborgenen Fehler zu detektieren, kann ein thermographisches Verfahren mit aktiver Wärmeanregung ( DE 10 2007 059 502 B3 ) eingesetzt werden. Die aktive bildgebende Thermographie hat sich schon seit Jahren als Prüfungsmethode etabliert. Nach dieser Methode wird auf dem zu prüfenden Bauteil zunächst ein Wärmefluss angeregt. Durch unterschiedliche mechanische Eigenschaften und Wärmeeigenschaften des Bauteils sowie im Bauteil eventuell vorhandene Fehler entstehen die Temperaturunterschiede an der Bauteiloberfläche. Diese werden mit Hilfe eines Infrarotsensors in einer Serie von Thermobildern erfasst. Dabei werden die einzelnen Thermobilder sowie aus der Bildserie mittels unterschiedlichen Methoden der Signal- und Bildverarbeitung gewonnene Ergebnisbilder verschiedener Typen, die einen Wärmefluss in Transmission und/oder in Reflektion mit zeitlicher und räumlicher Auflösung darstellen, untersucht (Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing/Xavier P. V. Maldague. – John Wiley & Sons, Inc., 2001). Um ein auswertbares Bild zu gewinnen, soll aber eine ausgesuchte Anregung eines Prüflings seine Erwärmung in der Weise verursachen, dass diese Erwärmung sich an den fehlerfreien und fehlerhaften Stellen signifikant unterscheidet. Diese ist sowohl von der Anregungstechnik als auch von den Eigenschaften und der Geometrie des Prüflings abhängig. Durch aktive Anregung, das heißt durch Erwärmung der Oberfläche mittels einer Energiequelle, wird ein Wärmefluss von der Bauteiloberfläche in die Tiefe hervorgerufen. Gelangt der Wärmefluss lokal an eine Ausbreitungsbarriere, so kommt es zu einem Wärmestau. Dieser Wärmestau kann nach entsprechender Laufzeit, die von den Materialparametern und der Tiefenlage der Barriere abhängt, an der Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils mittels einer Infrarotkamera detektiert werden. Diese Kamera kann dabei entweder stationär auf dem Boden bzw. auf einer Anlage ( DE 10 2007 059 502 B3 ) oder auf einer Flugdrohne bekannter Bauart ( WO 2010/051 278 A1 ) platziert werden.In order to detect the defects hidden in a rotor blade, a thermographic process with active thermal excitation ( DE 10 2007 059 502 B3 ) are used. Active imaging thermography has been established as a testing method for years. According to this method, a heat flow is first excited on the component to be tested. Due to different mechanical properties and thermal properties of the component as well as possible defects in the component, the temperature differences on the component surface arise. These are detected by means of an infrared sensor in a series of thermal images. Here, the individual thermal images as well as from the image series by different methods of signal and image processing obtained result images of various types that represent a heat flux in transmission and / or reflection with temporal and spatial resolution, examined (Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing / Xavier PV Maldague - John Wiley & Sons, Inc., 2001). In order to obtain an evaluable image, however, a selected excitation of a test object should cause its heating in such a way that this heating differs significantly at the faultless and faulty locations. This depends on the excitation technique as well as on the properties and the geometry of the test object. By active excitation, that is by heating the surface by means of an energy source, a heat flow from the component surface is caused in the depth. If the heat flow locally reaches a propagation barrier, heat accumulation occurs. This heat accumulation can be detected on the surface of the component to be examined by means of an infrared camera after an appropriate period of time, which depends on the material parameters and the depth position of the barrier. This camera can either be stationary on the ground or on a system ( DE 10 2007 059 502 B3 ) or on a flying drone of known type ( WO 2010/051 278 A1 ) to be placed.

Der Einsatz der Methode der aktiven bildgebenden Thermographie beschränkt sich in dem Fall jedoch auch darin, dass dabei zur Positionierung der Anregungsquelle der Einsatz von oben beschriebenen teuren Krananlagen oder ähnlichen Hilfsmitteln unvermeidlich ist. Somit liegt der Erfindung nahe, mindestens chic Anregungsquelle auf einem fliegenden Träger, z. B. auf einem unbemannten lenkbaren Flugapparat, zu platzieren. Das größte Problem besteht dabei, einen fliegenden Träger mit einer effektiven, kostengünstigen und sicheren Anregungsquelle zu gestalten.However, the use of the method of active imaging thermography is limited in this case also in that it is unavoidable for the positioning of the excitation source, the use of expensive crane equipment or similar means described above. Thus, the invention is close, at least chic excitation source on a flying carrier, for. B. on an unmanned steerable aircraft, to place. The biggest problem is designing a flying carrier with an effective, inexpensive and safe excitation source.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einrichten einer Anregungsquelle auf einem fliegenden Träger zur berührungslosen und zerstörungsfreien sowie schnellen und kostengünstigen Detektierung eines Fehlers in einem Rotorblatt einer Windenergieanlage mittels aktiver Wärmefluss-Thermographie zu schaffen.Proceeding from this, the object of the invention is a method and a device for setting up an excitation source to provide a flying support for non-contact and non-destructive and fast and cost-effective detection of a fault in a rotor blade of a wind turbine by means of active heat flow thermography.

Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 8.The solution to the problem results from the features of claims 1 to 8.

Patentgemäß wird ein Bauteil, das in mindestens einer Dimension größer als das erfasste Bildfeld ist, mittels Wärmefluss-Thermographie geprüft. Dabei wird eine Inspektion des Bauteils in mindestens einem zu prüfenden Bereich durchgeführt, in dem an mehreren Aufnahmepositionen jeweils eine Serie von Thermobildern erfasst wird, sodass der zu prüfende Bereich von den Bildfeldern an sämtlichen Aufnahmepositionen abgedeckt wird. Somit wird eine ausreichende Auflösung der zu detektierten Objekte, z. B. Fehler, im Bauteil gewährleistet. Dabei wird die Anregung des Rotorblattes von mindestens einer Anregungsquelle durchgeführt.According to the patent, a component that is larger than the captured image field in at least one dimension is tested by means of heat flow thermography. In this case, an inspection of the component is carried out in at least one area to be tested in which a series of thermal images is detected at a plurality of recording positions, so that the area to be examined is covered by the image fields at all recording positions. Thus, a sufficient resolution of the objects to be detected, for. B. errors, guaranteed in the component. The excitation of the rotor blade is carried out by at least one excitation source.

Gemäß Anspruch 1 sieht das Verfahren vor, nach dem eine Anregungsquelle als speziell geformtes Umlenk- und Fokussiersystems ausgebildet ist, mit dem die Sonnenstrahlung auf der Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes fokussiert wird. Die Anregungsquelle, die auf einem fliegenden Träger befestigt ist, wird das zu prüfende Rotorblatt mit einem kontrollierten Abstand abfahren. Somit kann die Fokussierung der Sonnenstrahlung auf der Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes entsprechend dem Auswerteverfahren der aufgenommenen Serie von Thermobildern gestaltet werden. Je nach Bedarf kann die Sonnenstrahlung in unterschiedlicher Art und Weise fokussiert werden, sodass der Anregungsbereich beispielsweise lokal flächenmäßig oder streifenartig geformt wird. Dabei wird eine Serie von Thermobildern mittels mindestens eines Infrarotsensors aufgenommen, dessen Bildfeld in der Größe so ausgelegt wird, dass die Detektierung der Fehler im zu prüfenden Rotorblatt ahne weitere Hilfsmittel gewährleistet wird. Somit zeigen kleine geometrische Abweichungen des Anregungsbereiches von der zu prüfenden Stelle keine Auswirkung auf das Verfahren, solange der Aufnahmebereich des Infrarotsensors innerhalb des Anregungsbereiches liegt.According to claim 1 provides the method according to which an excitation source is designed as a specially shaped deflection and focusing system, with which the solar radiation is focused on the surface of the rotor blade to be tested. The excitation source, which is mounted on a flying support, will descend the rotor blade under test at a controlled distance. Thus, the focusing of the solar radiation on the surface of the rotor blade to be tested can be designed according to the evaluation method of the recorded series of thermal images. Depending on requirements, the solar radiation can be focused in different ways, so that the excitation region, for example, locally formed in terms of area or strip. In this case, a series of thermal images is recorded by means of at least one infrared sensor whose image field is designed in size so that the detection of the error in the rotor blade to be tested ahne further aids is guaranteed. Thus, small geometrical deviations of the excitation region from the site to be examined have no effect on the process, as long as the acquisition range of the infrared sensor is within the excitation region.

Der Infrarotsensor kann entweder fest stationiert oder zusammen mit der Anregungsquelle auf einem fliegenden Träger befestigt werden. In erstem Fall muss der Infrarotsensor aber nicht im engeren Sinn am Boden stehen. Er kann z. B. auf einem Boot oder Schiff befestigt sein, er kann auch auf einem Gegenstand, wie einem Turm einer anderen Windanlage o. ä., befestigt werden. Dies gewährleistet eine pixelgenaue Aufnahme der Serie von Thermobildern von der zu prüfenden Stelle des Rotorblatters. Andersfall soll ein fliegender Träger als unbemannter lenkbarer Flugapparat vorgesehen werden, der eine dauernd stabile Positionierung des Infrarotsensors gegenüber der zu prüfenden Stelle gewährleisten kann. Dieser kann sowohl schwerer als Luft, z. B. als Flugdrohne. Hubschrauber-Modell o. ä, als auch leichter als Luft, z. B. als Zeppelin, Luftballon o. ä, sein. Auf dieser Weise wird eine dauernd stabile Positionierung sowohl der Anregungsquelle als auch des Infrarotsensors gegenüber der zu prüfenden Stelle sichergestellt. Somit werden stabile Anregungsbedingungen sowie eine pixelgenaue Aufnahme der Serie von Thermobildern des zu prüfenden Rotorblattes gewährleistet. Dabei kann die Datenverarbeitung in der Auswerteeinheit stattfinden, die sich ebenso auf dem fliegenden Träger oder aber stationär auf dem Boden befindet. Die gewonnenen Daten können auf einer Festplatte oder auf einem externen Datenträger mit einem geringen Leistungsgewicht hinterlegt oder ggf. per Kabel oder per Funk zur Auswerteeinheit übertragen werden. Als zusätzliche Maßnahmen können bei der Datenübertragung auch verschiedene Arten der Datenreduktion vorgenommen werden, welche sich z. B. auf redundante Information und auf Änderungen beziehen, die im Bereich des Rauschens liegen oder eine nicht signifikante Veränderung darstellen.The infrared sensor can either be stationary or attached to a flying support together with the excitation source. In the first case, however, the infrared sensor does not have to be on the ground in the narrower sense. He can z. B. be mounted on a boat or ship, it can also be on an object, such as a tower of another wind turbine o. Ä., Attached. This ensures a pixel-accurate recording of the series of thermal images of the test point of the rotor blade. Otherwise, a flying carrier is to be provided as an unmanned steerable flying apparatus, which can ensure a permanently stable positioning of the infrared sensor with respect to the point to be tested. This can be both heavier than air, z. B. as a drone flight. Helicopter model o. Ä., As well as lighter than air, z. B. as Zeppelin, balloon o. Ä., Be. In this way, a permanently stable positioning of both the excitation source and the infrared sensor is ensured with respect to the site to be tested. Thus, stable excitation conditions and a pixel-accurate recording of the series of thermal images of the rotor blade to be tested are guaranteed. The data processing can take place in the evaluation unit, which is also located on the flying carrier or stationary on the ground. The data obtained can be stored on a hard disk or on an external data carrier with a low power-to-weight ratio or, if necessary, transmitted by cable or radio to the evaluation unit. As additional measures, various types of data reduction can be made in the data transmission, which is z. For example, refer to redundant information and to changes that are in the region of noise or represent a non-significant change.

Gemäß Anspruch 2 wird die Vermessung des Abstandes des fliegenden Trägers zum zu prüfenden Rotorblatt und die Regelung der Positionierung des fliegenden Trägers automatisch erfolgen. Somit wird die notwendige Stabilität und Genauigkeit des Verfahrens gewährleistet. Um insgesamt ein kontaktloses Verfahren zu gewährleisten, soll dies kontaktlos, beispielsweise mittels mindestens eines Sensors, erfolgen. Ein solcher Sensor kann u. a. optisch, kapazitiv oder akustisch (Ultraschall) ausgebildet sein. Somit wird die sowohl kontaktlose als auch automatische Ausführung dieser Vermessung gewährleistet.According to claim 2, the measurement of the distance of the flying support to the rotor blade to be tested and the regulation of the positioning of the flying support will be carried out automatically. Thus, the necessary stability and accuracy of the process is ensured. In order to ensure a contactless process as a whole, this should be done without contact, for example by means of at least one sensor. Such a sensor can u. a. be formed optically, capacitively or acoustically (ultrasound). Thus, both contactless and automatic execution of this survey is guaranteed.

Gemäß Anspruch 3 wird die Nachführung des fest stationierten Infrarotsensors der unabhängig bewegten Anregungsquelle automatisch erfolgen, sodass der erwärmte Bereich immer vollständig abgebildet wird. Somit wird die Aufnahme der Serie von Thermobilder an jeder zu prüfenden Stelle des Rotorblattes pixelgenau und stabil durchgeführt.In accordance with claim 3, the tracking of the stationary stationed infrared sensor of the independently moving excitation source will be automatic, so that the heated area is always completely displayed. Thus, the recording of the series of thermal images at each point to be tested of the rotor blade is performed pixel-precise and stable.

Gemäß Anspruch 4 ist die Vorrichtung zur Inspektion von Rotorblättern einer Windkraftanlage mittels Wärmefluss-Thermographie mit einem speziell geformten Umlenkund Fokussiersystem ausgerüstet. Dieses System wird auf dem fliegenden Träger befestigt, der als unbemannter lenkbarer Flugapparat ausgebildet ist. Mittels dem speziell geformten Umlenk- und Fokussiersystem wird die Sonnenstrahlung auf die Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes fokussiert.According to claim 4, the device for inspecting rotor blades of a wind turbine by means of heat flow thermography is equipped with a specially shaped deflection and focusing. This system is mounted on the flying carrier, which is designed as an unmanned steerable flying apparatus. By means of the specially shaped deflecting and focusing system, the solar radiation is focused on the surface of the rotor blade to be tested.

Gemäß Anspruch 5 ist der Reflektor des speziell geformten Umlenk- und Fokussiersystems als parabolisch geformter Kollektor nach Art eines Parabolrinnenkollektors ausgeführt. Da dieser das Sonnenlicht linienförmig fokussiert, können die Thermographiebilder analog zu anderen bewegten Linienanregungsquellen ausgewertet werden.According to claim 5, the reflector of the specially shaped deflection and focusing as Parabolic shaped collector designed in the manner of a parabolic trough collector. Since this focuses the sunlight linearly, the thermographic images can be evaluated analogously to other moving line excitation sources.

Gemäß Anspruch 6 ist der Reflektor mit winddurchlässigen Öffnungen versehen, sodass der Windwiderstand des fliegenden Trägers reduziert wird. Somit wird eine schnelle Inspektion des Rotorblattes gewährleistet.According to claim 6, the reflector is provided with wind-permeable openings, so that the wind resistance of the flying carrier is reduced. Thus, a quick inspection of the rotor blade is guaranteed.

Gemäß Anspruch 7 enthält das Umlenk- und Fokussierungssystem eine Fresnellinse. Somit kann das Sonnenlicht zweckmäßig und gleichzeitig gewichtsparend fokussiert werden.According to claim 7, the deflection and focusing system includes a Fresnel lens. Thus, the sunlight can be focused appropriately and at the same time saving weight.

Gemäß Anspruch 8 wird ein fest stationierter Infrarotsensor der unabhängig bewegten Anregungsquelle mittels einer bewegbaren Umlenkeinrichtung nachgeführt. Somit kann eine vollständige, pixelgenaue und schnelle Inspektion des Rotorblattes gewährleistet werden. Dafür kann beispielsweise ein Strahlumlenksystem eingesetzt werden, das die Aufnahmeperspektive um die resultierende Bewegung der Anregungsquelle nach führt. Da davon auszugehen ist, dass ein einfaches Umlenksystem, das nur aus einem Spiegel besteht, leichter als ein Infrarotsensor sein kann, wäre auch eine Nachführung des Strahlenganges einfacher aufzubauen, als eine Schwenkeinheit für den Infrarotsensor.In accordance with claim 8, a stationarily fixed infrared sensor of the independently moving excitation source is tracked by means of a movable deflecting device. Thus, a complete, pixel-precise and quick inspection of the rotor blade can be ensured. For example, a beam deflection system can be used which leads the recording perspective to the resulting movement of the excitation source. Since it can be assumed that a simple deflection system, which consists only of a mirror, can be lighter than an infrared sensor, tracking the beam path would also be easier to set up than a pivoting unit for the infrared sensor.

Die Einzelheiten der Erfindung sowie ihre weiteren Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand der 1–2 erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es wird gezeigt:The details of the invention and its further features, applications and advantages are described in the following embodiments with reference to the 1 - 2 explained. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency and regardless of their formulation or representation in the description or in the drawing. It will be shown:

1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Inspektion eines Rotorblattes einer Windkraftanlage. Als Anregungsenergie wird die Sonnenstrahlung verwendet. An einem fliegenden Träger ist statt einer kompletten Anregungsquelle nur ein fokussierender Spiegel befestigt, der das Sonnenlicht auf der Rotorfläche abbildet (gepunktete Linie). Der Infrarotsensor, der die Infrarotsignaturen der Oberfläche des Rotorblattes aufzeichnet, befindet sich am Boden. Zum Bewegungsablauf sind an der Unterseite des fliegenden Trägers zwei (sichtbare) von vier Schubvorrichtungen abgebildet. Die punkt-strichförmige Linie zeigt den Strahl eines Sensors, der die Position des fliegenden Trägers bezüglich des Rotorblattes bestimmt. 1 schematically shows the device according to the invention for inspecting a rotor blade of a wind turbine. As excitation energy, the solar radiation is used. Instead of a complete excitation source, only a focusing mirror, which images the sunlight on the rotor surface (dotted line), is attached to a flying carrier. The infrared sensor, which records the infrared signatures of the surface of the rotor blade, is located on the ground. For movement, two (visible) of four thrusters are shown on the underside of the flying carrier. The dot-dashed line shows the beam of a sensor that determines the position of the flying carrier with respect to the rotor blade.

2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Inspektion eines Rotorblattes einer Windkraftanlage. Als Anregungsenergie wird die Sonnenstrahlung verwendet. An einem fliegenden Träger ist statt einer kompletten Anregungsquelle nur ein fokussierender Spiegel befestigt, der das Sonnenlicht auf der Rotorfläche abbildet (gepunktete Linie). Daneben ist ein Infrarotsensor befestigt, der die Infrarotsignaturen der Oberfläche aufzeichnet. Zum Bewegungsablauf sind an der Unterseite des fliegenden Trägers zwei (sichtbare) von vier Schubvorrichtungen abgebildet. Die punkt-strichförmige Linie zeigt den Strahl eines Sensors, der die Position des fliegenden Trägers bezüglich des Rotorblattes bestimmt. Eine in den fliegenden Träger integrierte Elektronik wandelt das Infrarotsensorsignal in ein Funksignal um, das mittels der abgebildeten Antennen zur Auswertungseinheit übertragen wird. 2 schematically shows the device according to the invention for inspecting a rotor blade of a wind turbine. As excitation energy, the solar radiation is used. Instead of a complete excitation source, only a focusing mirror, which images the sunlight on the rotor surface (dotted line), is attached to a flying carrier. In addition, an infrared sensor is attached, which records the infrared signatures of the surface. For movement, two (visible) of four thrusters are shown on the underside of the flying carrier. The dot-dashed line shows the beam of a sensor that determines the position of the flying carrier with respect to the rotor blade. An electronics integrated in the flying carrier converts the infrared sensor signal into a radio signal, which is transmitted to the evaluation unit by means of the mapped antennas.

Als Beispiel kann ein Rotorblatt (1) einer Windkraftanlage genommen werden, das mittels aktiver bildgebender Thermographie untersucht werden soll. Dabei wird die Sonnenstrahlung auf der Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes (1) fokussiert. Dafür wird ein speziell geformtes Umlenk- und Fokussiersystem (7) benutzt, welches auf einem fliegenden Träger (4) befestigt ist (1 und 2). Somit dient das speziell geformte Umlenk- und Fokussiersystem (7) als Anregungsquelle. Der Reflektor (8) des speziell geformten Umlenk- und Fokussiersystems (7) wird dabei als parabolisch geformter Kollektor nach Art eines Parabolrinnenkollektors ausgeführt, welcher mit winddurchlässigen Öffnungen versehen ist. Alternativ enthält das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) eine Fresnellinse. Das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) wird auf einem fliegenden Träger (4) befestigt, welcher mit mindestens einem Sensor (6) zur Vermessung des Abstandes zum Rotorblatt (1) ausgestaltet ist. Der fliegende Träger (4) wird außerdem mit mindestens zwei Schubvorrichtungen (5) an seinen gegenüberliegenden Seiten gestaltet. Die Positionierung des fliegenden Trägers (4) wird mit Schubvorrichtungen (5) wie z. B. Rotoren, Düsen, Triebwerken o. ä. erfolgen. Diese Schubvorrichtungen (5) werden an verschiedenen Seiten des fliegenden Trägers (4) angebracht, wobei die Steuerung des fliegenden Trägers (4) über die Schubkräfte der einzelnen Schubvorrichtungen (5) unabhängig voneinander durchgeführt wird. Dabei kann sowohl die Stärke als auch die Richtung der Schubkraft einzelner Schubvorrichtungen (5) reguliert werden. Somit kann eine gleichförmige Bewegung sowie eine stabile und präzise Positionierung des fliegenden Trägers (4) und somit eine annähernd gleichstarke Anregung der Oberfläche des zu untersuchenden Rotorblattes (1) gewährleistet werden.As an example, a rotor blade ( 1 ) of a wind turbine to be examined by means of active imaging thermography. The solar radiation on the surface of the rotor blade to be tested ( 1 ) focused. For this purpose, a specially shaped deflecting and focusing system ( 7 ) used on a flying carrier ( 4 ) is attached ( 1 and 2 ). Thus, the specially shaped deflection and focusing ( 7 ) as an excitation source. The reflector ( 8th ) of the specially shaped deflection and focusing system ( 7 ) is designed as a parabolic shaped collector in the manner of a parabolic trough collector, which is provided with wind-permeable openings. Alternatively, the deflection and focusing system ( 7 ) a Fresnel lens. The deflection and focusing system ( 7 ) is carried on a flying carrier ( 4 ), which is equipped with at least one sensor ( 6 ) for measuring the distance to the rotor blade ( 1 ) is configured. The flying carrier ( 4 ) is also provided with at least two pushers ( 5 ) on its opposite sides. The positioning of the flying carrier ( 4 ) is equipped with pushers ( 5 ) such. As rotors, nozzles, engines o. Ä. Made. These pushers ( 5 ) are on different sides of the flying carrier ( 4 ), the control of the flying carrier ( 4 ) about the shear forces of the individual thrusters ( 5 ) is performed independently. In this case, both the strength and the direction of the thrust of individual thrusters ( 5 ) are regulated. Thus, a uniform movement and a stable and precise positioning of the flying carrier ( 4 ) and thus an approximately equally strong excitation of the surface of the rotor blade to be examined ( 1 ).

Falls die Aufnahme der Serie von Thermobildern von einem auf dem Boden fest stationierten Infrarotsensor (3) durchgeführt wird (1), soll die Brennweite des Objektivs des Infrarotsensors (3) eine sinnvolle geometrische Auflösung der Aufnahme gewährleisten, mit der die Fehler im Rotorblatt (1) detektiert werden. Der Infrarotsensor (3) wird außerdem dem unabhängig bewegten Umlenk- und Fokussierungssystem (7), welches als Anregungsquelle dient, mittels einer bewegbaren Umlenkeinrichtung (9) nachgeführt, sodass die Fehler im zu prüfenden Rotorblatt (1) ohne weitere Hilfsmittel detektiert werden (1).If taking the series of thermal images from an infrared sensor stationed on the ground ( 3 ) is carried out ( 1 ), the focal length of the lens of the infrared sensor ( 3 ) ensure a reasonable geometric resolution of the image, with which the errors in the rotor blade ( 1 ) are detected. The infrared sensor ( 3 ) is also used for the independently moving deflection and focusing system ( 7 ), which serves as an excitation source, by means of a movable deflecting device ( 9 ) so that the errors in the rotor blade to be tested ( 1 ) can be detected without further aids ( 1 ).

Falls die Aufnahme der Serie von Thermobildern von einem auf dem fliegenden Träger (4) befestigten Infrarotsensor (3) durchgeführt wird (2), kann die Auswerteeinheit (10) sowohl auf dem fliegenden Träger (4) als auch auf dem Boden sein. In letztem Fall wird eine in den fliegenden Träger (4) integrierte Elektronik das Infrarotsensorsignal in ein Funksignal umwandeln, das per Kabel oder mittels der Antennen (11 und 12) zur Auswertungseinheit (10) übertragen wird.If taking the series of thermal images from one on the flying carrier ( 4 ) attached infrared sensor ( 3 ) is carried out ( 2 ), the evaluation unit ( 10 ) on both the flying carrier ( 4 ) as well as on the ground. In the latter case, one in the flying carrier ( 4 ) integrated electronics transform the infrared sensor signal into a radio signal which is transmitted by cable or by means of the antennas ( 11 and 12 ) to the evaluation unit ( 10 ) is transmitted.

Sobald das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) auf dem fliegenden Träger (4) in der Nähe des zu prüfenden Rotorblattes (1) mit Hilfe einer Fernsteuerung in die Startposition der Messung herangebracht wird, übernimmt eine automatische Abstandssteuerung und Wegüberwachung die Kontrolle des fliegenden Trägers (4). Dieses arbeitet sich nun mit gleich bleibender Geschwindigkeit am zu prüfenden Rotorblatt (1) entlang, sodass das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) mit einem festen Abstand zum Rotorblatt (1) bewegt wird. Die zu prüfenden Stellen des Rotorblattes (1) werden starker als seine Umgebung erhitzt. Dabei klingt die Wärme in Abhängigkeit ihrer Tiefenstruktur ab. Nach der Laufzeit der Wärme durch das Material zeigen sich die inneren Strukturen an der Oberfläche. Diese Strukturen werden mit dem Infrarotsensor (3) in den Serien von Thermobildern erfasst, zu der Auswerteeinheit (10) weitergeleitet und dort mit Methoden der Bildverarbeitung oder Signalanalyse untersucht.Once the deflection and focusing system ( 7 ) on the flying carrier ( 4 ) in the vicinity of the rotor blade to be tested ( 1 ) is brought into the starting position of the measurement by means of a remote control, an automatic distance control and path monitoring takes over the control of the flying carrier ( 4 ). This works now with constant speed on the rotor blade to be tested ( 1 ), so that the deflection and focusing system ( 7 ) with a fixed distance to the rotor blade ( 1 ) is moved. The test points of the rotor blade ( 1 ) are heated more strongly than its surroundings. The heat decays depending on its deep structure. After the heat has passed through the material, the internal structures on the surface become visible. These structures are combined with the infrared sensor ( 3 ) in the series of thermal images, to the evaluation unit ( 10 ) and examined there with methods of image processing or signal analysis.

Zusammenfassend kann ein Rotorblatt einer Windkraftanlage mit Hilfe der vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtung berührungslos und zerstörungsfrei sowie schnell und kostengünstig mittels aktiver Thermografie untersucht werden, wobei eine explizite Detektierung eines in ihm eventuell vorhandenen Fehlers gewährleistet wird.In summary, a rotor blade of a wind turbine with the aid of the proposed method and apparatus can be examined contactless and non-destructive as well as fast and cost-effective by means of active thermography, whereby an explicit detection of an error possibly present in it is ensured.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Rotorblatt einer WindkraftanlageRotor blade of a wind turbine
22
SonneSun
33
Infrarotsensorinfrared sensor
44
Fliegender TrägerFlying vehicle
55
Schubvorrichtungen zur Positionierung des fliegenden Trägers (4)Thrust devices for positioning the flying carrier ( 4 )
66
Sensor zum AbstandmessungSensor for distance measurement
77
Umlenk- und FokussiersystemDeflection and focusing system
88th
Reflektor des Umlenk- und Fokussiersystems (7)Reflector of the deflection and focusing system ( 7 )
99
Umlenkeinrichtung für den fest stationierten Infrarotsensor (3)Deflection device for the stationary infrared sensor ( 3 )
1010
Auswerteeinheitevaluation
1111
Antenne auf dem fliegenden Träger (4) zur Übertragung der gewonnen Daten per FunkAntenna on the flying carrier ( 4 ) to transmit the data obtained by radio
1212
Antenne auf der Auswerteeinheit (10) zur Übertragung der gewonnen Daten per FunkAntenna on the evaluation unit ( 10 ) to transmit the data obtained by radio

Claims (8)

Verfahren zur Inspektion von Rotorblättern (1) einer Windkraftanlage mittels Wärmefluss-Thermographie, wobei a. das zu prüfende Rotorblatt (1) mittels mindestens einer Anregungsquelle angeregt wird, und b. der durch das Anregen entstehende Wärmefluss mittels mindestens eines Infrarotsensors (3) in einer Serie von Thermobildern erfasst wird, damit c. die einzelnen Thermobilder sowie d. die aus der Bildserie mittels unterschiedlichen Methoden der Signal- und Bildverarbeitung gewonnenen Ergebnisbilder verschiedener Typen, die i. einen Wärmefluss in Transmission und/oder ii. in Reflektion iii. mit zeitlicher und räumlicher Auflösung darstellen, untersucht werden, e. wobei ein Infrarotsensor (3) i. fest stationiert oder ii. zusammen mit einer Anregungsquelle auf einem fliegenden Träger (4) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle als speziell geformtes Umlenk- und Fokussiersystems (7) ausgebildet ist, a. mit dem die Sonnenstrahlung auf der Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes (1) fokussiert wird, b. wobei der fliegende Träger (4) das zu prüfende Rotorblatt (1) mit einem kontrollierten Abstand abfährt.Method for inspecting rotor blades ( 1 ) of a wind turbine by means of heat flow thermography, wherein a. the rotor blade to be tested ( 1 ) is excited by means of at least one excitation source, and b. the heat flow generated by the excitation by means of at least one infrared sensor ( 3 ) is detected in a series of thermal images so that c. the individual thermal images as well d. the result images of different types obtained from the image series by means of different methods of signal and image processing, which i. a heat flux in transmission and / or ii. in reflection iii. with temporal and spatial resolution, are studied, e. wherein an infrared sensor ( 3 i. stationed or ii. together with an excitation source on a flying carrier ( 4 ), characterized in that the excitation source as a specially shaped deflection and focusing ( 7 ), a. with which the solar radiation on the surface of the rotor blade to be tested ( 1 ), b. wherein the flying carrier ( 4 ) the rotor blade to be tested ( 1 ) leaves at a controlled distance. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Vermessung des Abstandes des fliegenden Trägers (4) zum zu prüfenden Rotorblatt (1) und b. die Regelung der Positionierung des fliegenden Trägers (4) automatisch erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that a. the measurement of the distance of the flying carrier ( 4 ) to be tested rotor blade ( 1 ) and b. the regulation of the positioning of the flying carrier ( 4 ) automatically. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführung des fest stationierten Infrarotsensors (3) der unabhängig bewegten Anregungsquelle automatisch erfolgt.Method according to Claims 1 and 2, characterized in that the tracking of the fixedly stationed infrared sensor ( 3 ) of the independently moving excitation source takes place automatically. Vorrichtung zur Inspektion von Rotorblättern (1) einer Windkraftanlage mittels Wärmefluss-Thermographie nach Anspruch 1, a. mit einem fliegenden Träger (4), b. der als unbemannter lenkbarer Flugapparat ausgebildet ist, gekennzeichnet durch a. ein speziell geformtes Umlenk- und Fokussiersystem (7), b. welches auf dem fliegenden Träger (4) befestigt ist, c. mittels dem die Sonnenstrahlung auf die Oberfläche des zu prüfenden Rotorblattes (1) fokussiert wird.Device for inspecting rotor blades ( 1 ) of a wind turbine by means of heat flow thermography according to claim 1, a. with a flying carrier ( 4 b. which is designed as an unmanned steerable flying apparatus, characterized by a. a specially shaped deflection and focusing system ( 7 b. which on the flying carrier ( 4 ), c. by means of which the solar radiation on the surface of the rotor blade to be tested ( 1 ) is focused. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (8) des speziell geformten Umlenk- und Fokussiersystems (7) als parabolisch geformter Kollektor nach Art eines Parabolrinnenkollektors ausgeführt ist.Device according to claim 4, characterized in that the reflector ( 8th ) of the specially shaped deflection and focusing system ( 7 ) is designed as a parabolic shaped collector in the manner of a parabolic trough collector. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (8) des speziell geformten Umlenk- und Fokussiersystems (7) a. mit winddurchlässigen Öffnungen versehen ist, sodass b. der Windwiderstand des fliegenden Trägers (4) reduziert wird.Device according to claim 4 and 5, characterized in that the reflector ( 8th ) of the specially shaped deflection and focusing system ( 7 ) a. with wind-permeable openings, so that b. the wind resistance of the flying carrier ( 4 ) is reduced. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenk- und Fokussierungssystem (7) eine Fresnellinse enthält.Apparatus according to claim 4, characterized in that the deflection and focusing system ( 7 ) contains a Fresnel lens. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein fest stationierter Infrarotsensor (3) der unabhängig bewegten Anregungsquelle mittels einer bewegbaren Umlenkeinrichtung (9) nachgeführt wird.Apparatus according to claim 4, characterized in that a fixedly stationed infrared sensor ( 3 ) of the independently moving excitation source by means of a movable deflection device ( 9 ) is tracked.
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