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© Foto Pascal Hancz

Das smarte Blatt im Extremlasttest: über drei Hydraulikzylinder werden die Lasten aufgetragen.

© Foto Pascal Hancz

Die optischen Messschilder an der Hallenwand detektieren die Verformung in den drei Hauptachsen des Blattes.

Rotorblatt besteht Extremlast-Test

 

Verglichen mit den sonst über 80 m langen Rotorblatt-Prototypen der Industriekunden ist der Prüfling »SmartBlades2« zwar klein, sorgt aber dennoch für besonderen Nervenkitzel bei den Wissenschaftlern: zum ersten Mal wurde ein Rotorblatt mit Biegetorsionskopplung (BTK) getestet, dessen Design im Vorläuferprojekt vom Fraunhofer IWES entwickelt wurde. Die Vorkrümmung in der Rotorblattebene bewirkt unter Einwirkung aerodynamischer Kräfte im Betrieb eine mechanische Verformung, welche die gesamte Struktur entlasten soll. Nach weiteren Tests werden drei baugleiche Exemplare vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gebaut und in die USA verschifft. Dort werden die Rotorblätter für eine mehrmonatige Messkampagne an einer Forschungsturbine installiert. Diese Aktivitäten erfolgen im Rahmen des Forschungsprojektes »Smart Blades2«.

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Der statische Test eines Rotorblattes wird von den Blattherstellern stets mit Spannung erwartet: Unter der Last einer nachgestellten Extrem-Böe muss sich der Strukturaufbau des Prototypen bewähren. Diesmal ist beim Test jedoch kein Zertifizierer dabei, denn es handelt sich um das Demonstrator-Rotorblatt aus einem Forschungsprojekt. Laut IWES-Medienmitteilung ist dieses Rotorblatt den Prüfingenieuren im Teststand bestens vertraut – sie waren am Computer-Entwurf beteiligt. Der Test eines Rotorblattes mit Biegetorsionskopplung (BTK) umfasst neben der Prüfung der je zwei Schlag- und Schwenkrichtungen auch eine Torsionsprüfung. »Der Aufbau für den Torsionstest des Rotorblattes ähnelt dem Szenario bei der statischen Prüfung, erfordert aber einen höheren Aufwand für die exakte Messung der zusätzlichen Verformung«, so heißt es weiter in der Medienmitteilung zur besonderen Herausforderung des Tests. Während der anschließenden dynamischen Tests werden die Belastungen eines kompletten Rotorblattlebens von 20 Betriebsjahren in einem stark verkürzten Zeitraum nachgebildet.

 

BTK bei sehr großen Blättern effektiv einsetzen

 

Das Konzept der Biegetorsionskopplung an Rotorblättern wird in der Windbranche seit geraumer Zeit untersucht. Die Kopplung der Schubbelastung mit der Torsion der Struktur des Rotorblatts hat den Vorteil, dass ohne zusätzliche regelungstechnische Stellglieder eine sofortige Reaktion auf Böen erfolgen und damit die Anlagenstruktur entlastet werden kann. Die Herausforderung bei der BTK ist die genaue Vorhersage des dynamischen Verhaltens des Rotorblatts und die Vorhersage der strukturellen Umsetzung. Insbesondere bei sehr großen Rotorblättern stoßen klassische Blattverstell-Systeme an Grenzen, weil sie zu langsam sind und lokale Böen nicht erfassen können. Im Projekt »Smart Blades2« untersuchen die Mitglieder des Forschungsverbundes Windenergie, das sind DLR, ForWind und das Fraunhofer IWES, gemeinsam mit sechs Industriepartnern – diese sind GE Global Research, Henkel, Nordex Energy, Senvion, SSB Wind Systems, Suzlon Energy und Wobben Research and Development (WRD) – unter anderem, wie BTK bei sehr großen Blättern zuverlässig und effektiv eingesetzt werden kann. Das Projektziel ist die weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Windenergie.

 Dafür kann es zwei Ansatzpunkte geben: Bei neu zu konzipierenden Anlagen wird bei der Verwendung von Rotorblättern mit BTK die Anlage im Vergleich zu herkömmlichen Blättern leichter, so dass sich bei gleichem Ertrag Material- und Logistikkosten einsparen lassen. Bei bestehenden Anlagen kann durch den Einsatz von Rotorblättern mit Biegetorsions-Kopplung der Rotordurchmesser erhöht werden, ohne dass weitere Anlagenkomponenten zu verstärken sind. Dies würde durch eine höhere Windernte zu einer Ertragssteigerung führen.

Im Vorgängerprojekt »Smart Blades 1« wurden Simulationswerkzeuge für das Blattdesign entwickelt und erweitert. Im aktuellen Projekt wurden sie nun gebaut und experimentell validiert. Die heutzutage verbreiteten Simulationswerkzeuge für den Designentwurf von Rotorblättern können die Torsionssteifigkeit nur ansatzweise berücksichtigen. Die im Projekt »Smart Blades1« verwendeten Tools ermöglichen die gezielte Einbringung von BTK in den Auslegungsprozess«, kommentiert Dr. Elia Daniele, Technologiekoordinator für BTK-Blätter. Auf dieser Designbasis wird im Projekt »Smart Blades2« ein Rotorblatt gefertigt und getestet. Der nächste Schritt ist nun, im Rahmen eines Feldtests den Effekt der Biegetorsionskopplung auf die gesamte Windenergieanlage zu vermessen.

 

Mehrmonatige Messkampagne in den USA

 

Die dazu aufgesetzte Messkampagne soll zeigen, ob sich die in der Simulation gezeigte Lastreduktion durch BTK im Betrieb nachweisen lässt, und ob der Effekt so stark wie erwartet ist. Unter Leitung der IWES-Gruppe für akkreditierte und zertifizierte Feldmessungen werden an der Testturbine des US-amerikanischen Projektpartners National Renewable Energy Laboratory (NREL) Messungen auch mit einem neu entwickelten, so genannten Aeroprobe-System durchgeführt. Zwei Drucksonden messen dabei an der Blattoberfläche die Umströmung der Rotorblätter. Außerdem werden die Beschleunigung an der Blattspitze und die Verformungen im Blatt im Betrieb detektiert.

Das untersuchte »SmartBlades2«-Rotorblatt fungiert als Technologiedemonstrator und soll die Nutzbarkeit dieser Technologie an kommerziellen großen Blättern untersuchen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Projekt mit einem Fördervolumen von insgesamt 15,4 Mio. Euro.

 

Projektpartner: DLR, Fraunhofer IWES, ForWind, GE Global Research, Henkel AG & Co. KGaA, Nordex Energy, Senvion Deutschland GmbH, SSB Wind Systems GmbH & Co. KG, Suzlon Energy Ltd. und WRD Wobben Research and Development GmbH

Förderer: BMWi (FKZ 0324031 A/B/C/D/E/F/G/H)

Projektlaufzeit: 06/2016 - 11/2019

http://www.smartblades.info/

Ganzblattprüfung

Eine weltweit einmalige Testinfrastruktur mit zwei parallel betriebenen Einspannvorrichtungen für Rotorblätter bis ca. 90 m Länge steht bereit, um Entwürfe der neuesten Generation zu prüfen und zu validieren. Als einziges deutsches Forschungsinstitut bringt das Fraunhofer IWES eine Expertise in den Arbeitskreis Rotorblatt der IEC zur Erstellung von Standards für Rotorblattdesigns und Rotorblattfertigung sowie zur Rotorblattprüfung ein. Der Steuerungskreis Rotorblatt, ein Gremium aus führenden Industrieunternehmen der Branche, berät das IWES seit Beginn der Testaktivitäten, um eine bedarfsgerechte Entwicklung sicherzustellen.

 

Statische Prüfung

Die statische Belastung wird mit hydraulischen Zylindern und einem Seilzugsystem auf die speziell an die jeweilige Rotorblattgeometrie angepassten Lastscheren aufgebracht (Bild oben), die an mehreren Stellen des Blattes befestigt sind. Über ein gleichzeitiges Kippen des Einspannblockes werden sehr große Verformungen des Blattes realisiert. Dabei bewegt sich die Blattspitze nur sehr wenig. Diese Methode ermöglicht eine sehr genaue Kontrolle der Belastungen und der entsprechenden Verformung des Blattes während des gesamten Testablaufs. Mehrere hundert Messsignale mit Frequenzen bis zu 400 Hz überwachen den Versuchsablauf. Die hochgenaue Auflösung der Messdaten ermöglicht eine direkte Bestimmung der Eigenfrequenz des Rotorblattes.

 max. statisches Biegemoment: 115.000 kNm

 max. Auslenkung der Blattspitze: 30 m

 

Zyklische Prüfung – Einachsig

Bei einachsigen dynamischen Ermüdungstests wird das Rotorblatt nacheinander in vertikaler und in horizontaler Richtung belastet. Hierzu wird ein servo-hydraulischer Zylinder entweder vertikal (Test der Schlagrichtung) oder horizontal (Test der Schwenkrichtung) an das Blatt gekoppelt (Bild Mitte). Der Zylinder regt das Blatt in seiner Eigenfrequenzschwingung an, wodurch die Belastung aus Zylinderkräften auf das Blatt sehr gering wird. Die gewählte hydraulische Anregung ermöglicht eine sehr genaue Durchführung der Untersuchungen.

 max. dynamisches Biegemoment: ± 30.000 kNm

 Auslenkung der Blattspitze: ± 9,5 m

Die Anregung in Eigenfrequenz bei dynamischen Tests ermöglicht kostengünstige Langzeittests aufgrund des reduzierten Energiebedarfs. Die gewählte hydraulische Anregung ermöglicht eine sehr genaue Durchführung der Untersuchungen. Ein kippbarer Einspannblock vereinfacht die Montage und lässt eine Durchbiegung an der Blattspitze bis 30 m zu.

 

Getestete Rotorblattprofile

Zertifiziert in den Bereichen »Technologieentwicklung und –optimierung«, »Technologieeinschätzung und Studien« sowie »Erprobung in Demonstrationszentren«.

Akkreditierung gemäß DIN EN ISO / IEC 17025:2005 für die Bestimmung physikalischer Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen mittels mechanisch-technologischer und thermischer Prüfungen; Prüfung der mechanischen Beanspruchungen an WEA.

 

Video zum Prüfkonzept ansehen:

https://www.windenergie.iwes.fraunhofer.de/de/testzentren-und-messungen/rotorblatt-und-cfk-materialien/ganzblattpruefung.html

KONTAKT

Dipl.-Ing. Willi Wroblewski

Gruppenleiter

Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme

Am Seedeich 45

27572 Bremerhaven

Telefon +49 471 14290-336

www.windenergie.iwes.fraunhofer.de

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