Innovative Messmethodik für Schwingungstests an Rotorblättern

Bremerhaven – Windenergieanlagen werden immer größer und leistungsfähiger. Gleichzeitig wird an einer Reduzierung der Massen gearbeitet. Bei Fraunhofer IWES setzen die Forscher bei der Vermessung von leichten Rotorblättern der nächsten Generation auf eine Testmethodik, die aus dem Flugzeugbau stammt.

Insgesamt elf Partner aus dem Forschungsverbund Windenergie (DLR, ForWind Hannover und ForWind Oldenburg, Fraunhofer IWES) und der Industrie arbeiten in dem Projekte SmartBlades gemeinsam an innovativen Rotorblättern. Das Projekt wird vom BMWi mit 15,4 Mio. Euro gefördert. Jetzt haben die Projektpartner einen wichtigen Meilenstein bei der Rotorblattvermessung erreicht.

300 Beschleunigungs- und 200 Dehnungssensoren messen Verformungen
Mit 100 Kilogramm zieht und drückt ein elektrodynamischer Schwingungserreger an dem 20 Meter langen SmartBlades-DemoBlade. Das Rotorblatt schwingt mit einem Ausschlag von 50 Zentimetern an der Blattspitze. Diese Bewegungen mit allen Materialbelastungen im Rotorblatt werden von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) genau analysiert. Dazu haben die Forscher 300 Beschleunigungs- und 200 Dehnungssensoren direkt am Rotorblatt angebracht. Mit den so aufgenommenen Daten lassen sich die Verformungen des Rotorblattes millimetergenau nachvollziehen und mit dem Simulationsmodell abgleichen. Mit den innovativen Schwingungstests erhalten die Forscher Daten zum Schwingungsverhalten von Rotorblättern in einer bislang nicht erreichten Güte und Qualität.

Testmethodik für Flugzeugprototypen entwickelt
Auf dem Prüfstand in Bremerhaven stand ein 20 Meter langes Rotorblatt, das im Projekt "SmartBlades“ entwickelte wurde. Neu daran ist eine geometrische Biege-Torsionskopplung. Dafür wurde die Blattgeometrie sichelförmig ausgelegt: Bei Wind biegt sich das Blatt nicht nur nach hinten, sondern rotiert dabei ins sich. Das Blatt kann damit seine Geometrie selbstständig an die Windverhältnisse anpassen, in dem es sich bei höheren Windgeschwindigkeiten verwindet und dem Wind weniger Angriffsfläche bietet. So können Lasten an der Wurzel des Blattes automatisch reduziert werden.

Rotorblatt im Belastungstest
Seit Dezember 2017 wird das neu entwickelte Rotorblatt auf Herz und Nieren geprüft. Zunächst in einem Extrem- und Betriebslasttest auf dem Rotorblattprüfstand beim Fraunhofer IWES in Bremerhaven, der zeigte, ob Schwächen oder gar Schäden auftraten. Mit dem nun erfolgten DLR-Strukturdynamiktest haben die Wissenschaftler ein besonderes Augenmerk darauf, ob die Biege-Torsionskopplung funktioniert und sich das Blatt wie in den Vorausberechnungen verwindet. "Vor allem durch die hohe Sensordichte auf dem Blatt und die speziell angepassten Schwingungserreger können wir die Struktur- und Materialverformungen sehr exakt bestimmen“, sagt Dr. Yves Govers vom DLR-Institut für Aeroelastik Govers.

Aeroelastische Untersuchungen werden immer wichtiger
Die Methode stammt aus der Luftfahrt und wurde ursprünglich entwickelt, um die so genannte Flattersicherheit eines Flugzeuges zu überprüfen und nachzuweisen. Flattern ist ein gefährlicher Zustand, weil sich die Schwingungen aufaddieren können, indem immer mehr Energie aus der Umströmung aufgenommen wird. Flattersicherheit, so Govers, wird zunehmend auch für Windenergieanlagen ein Thema: "Vor allem bei Offshore-Windkraftanlagen werden Rotorblätter in Zukunft größer und gleichzeitig leichter. Damit steigt die Gefahr von Flatterschwingungen am Rotorblatt und Anlagenhersteller werden einen stärkeren Fokus auf die aeroelastischen Effekte legen müssen.“

Über das Projekt SmartBlades2 - Intelligente Rotorblätter
Die Tests wurden im Rahmen des Forschungsprojekts "SmartBlades2“ beim Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesysteme (IWES) in Bremerhaven durchgeführt. In dem Projekt entwickeln Forschungseinrichtungen gemeinsam mit Industriepartnern Technologien für größere und leistungsstärkere Windkraftanlagen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.


BU:
Schwingungstests am Windkraft-Rotorblatt Demoblade

Quelle: IWR Online
© IWR, 2018