Ganzblattprüfung

Rotorblätter sind in struktureller Hinsicht eine der kritischsten Komponenten einer Windenergieanlage. Um ihre Zuverlässigkeit zu gewährleisten, bietet das Fraunhofer IWES als unabhängige Einrichtung Strukturtests von großen Rotorblättern sowohl für die Modellvalidierung als auch für die Zertifizierung an. Seit 2009 wurden mehr als 30 Rotorblätter mit einer Länge von bis zu 83 Meter getestet.

 

Hohes Maß an Vertraulichkeit

Die Prüfverfahren des Fraunhofer IWES sind gemäß IEC 61400-23 akkreditiert. Kundenspezifische und IEC-Standard-Blattprüfungen erfolgen auf einem von zwei separaten Prüfständen, die in benachbarten Hallen untergebracht sind. Dieses Verfahren ermöglicht Kunden den flexiblen Zugang zu ihren Rotorblättern und gewährleistet gleichzeitig ein hohes Maß an Vertraulichkeit. Die unmittelbare Nähe der Hallen zum Bremerhavener Hafen ist außerdem ideal für die Anlieferung größerer Rotorblätter.

 

Statische Tests

Die statische Belastung wird mit hydraulischen Zylindern und einem Seilzugsystem auf Lastscheren aufgebracht, die an bis zu acht Stellen des Blattes befestigt sind. Jede Lastschere ist kundenspezifisch ausgelegt und angefertigt – basierend auf der spezifischen Geometrie des getesteten Rotorblattes. Um die aus dem Eigengewicht des Rotorblatts resultierenden Kräfte zu begrenzen, erfolgen die Tests senkrecht zum Boden der Testhalle. An jeder Lastschere sind Lasten von bis zu 500 kN möglich.

Zusätzlich kann der Block von Prüfstand II gekippt werden – für Rotorblätter mit starker Biegung. Mittels mehrerer hundert Messsignale mit Frequenzen bis zu 400 Hz wird der Versuchsablauf überwacht; ein optisches Messsystem zeichnet die dreidimensionale Biegung des Rotorblatts auf.

 

 

30 getestete Rotorblätter am Fraunhofer IWES
© Fraunhofer IWES

Anlieferung Rotorblatt am Fraunhofer IWES
© Dieter Hergeth

Test Rotorblatt am Fraunhofer IWES
© Martina Buchholz

Zyklische Prüfung

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. 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.

 

Sehr realistische Belastungen

Einen Schwerpunkt bilden darüber hinaus Entwicklungen für biaxiale Blattprüfungen, die zu einer realistischeren Blattbelastung führen werden und eine Verkürzung der Blattprüfung ermöglichen. Der Grund für die Zeitersparnis: Beide Ermüdungsversuche (in Schwenk- und Schlagrichtung) erfolgen gleichzeitig und nicht hintereinander. Der Prüfbereich des Blattes wird dadurch erweitert, dass die eingebrachten Schädigungen in den Hauptrichtungen denen der uniaxialen Versuche entsprechen.

Darüber hinaus werden auch die Bereiche außerhalb der Hauptachsen belastet, und so zum Beispiel die eingebrachte Schädigung im Panelbereich erhöht. Dies führt zu einer besseren Abbildung der Blattlasten und erhöht die Realitätsnähe der Blattprüfung. Das Fraunhofer IWES beschäftigt sich insbesondere mit der Entwicklung von Verfahren, die eine gezielte Beeinflussung der Blatteigenfrequenzen für die Prüfung ermöglichen. Hierbei werden unterschiedliche Verfahren betrachtet, um einachsig wirkende Belastungen aufzubringen.

 

Numerische Modelle und virtuelle Testmethoden

Ein wichtiger Schritt dabei ist die numerische Vorauslegung der geplanten Blattprüfung. Dabei werden alle prüfstands- und blattrelevanten Parameter abgebildet und der Ermüdungsversuch vorab simuliert. Dies wird bereits für die uniaxialen Versuche umgesetzt und weiterentwickelt, um die geforderten Zielbiegemomente so genau wie möglich zu treffen. Für die biaxiale Prüfung wird dieser Aspekt weiter in den Vordergrund rücken, um die Durchführung überhaupt zu ermöglichen und effektiv zu gestalten.

Das Fraunhofer IWES entwickelt Methoden zur Einführung virtueller Testmethoden als Ergänzung zu physischen Prüfungen. Werkstoff-, Fertigungs- und Designdetails werden von der zu prüfenden Komponente oder Gesamtstruktur ermittelt und die heutigen Designmodelle entsprechend ergänzt. Die numerische Abbildung des Prüflings und des Prüfaufbaus wird anhand kritischer Versagensmodi experimentell validiert, sodass die Modellzuverlässigkeit und die Gültigkeit für das Blatt bewertet werden können.

Innovative Testmethoden im Überblick

Immer längere Rotorblätter erfordern ein exzellentes Strukturverständnis, da nur mit diesem Wissen eine optimale Ausnutzung der Tragreserven von Leichtbauwerkstoffen möglich ist. Das Fraunhofer IWES verbessert deshalb ständig die eingesetzten Testmethoden, um immer umfassendere Ergebnisse zu erhalten. Am Standort Bremerhaven profitieren Kunden von diesen innovativen Prüfmethoden. Die sich ergänzenden Prüfstationen ermöglichen eine ganzheitliche Betrachtung des Rotorblatts:

Prüfvarianten Rotorblatt am IWES
© Pascal Behning

Ausstattung

Prüfstand I

  • Max. Durchmesser des Blattanschlusses 4,0 m
  • Max. statisches Biegemoment 50 MNm
  • Max. dynamisches Biegemoment ± 30 MNm
  • Neigungswinkel 2,5 ° - 12,5 °
  • Max. statische Auslenkung der Blattspitze 17,5 m
  • Max. dynamische Auslenkung der Blattspitze ± 9,5 m

Prüfstand II

  • Max. Durchmesser des Blattanschlusses 6,0 m
  • Max. statisches Biegemoment 115 MNm
  • Max. dynamisches Biegemoment 30 MNm
  • Neigungswinkel 0 ° - 20 °
  • Max. statische Auslenkung der Blattspitze 30,0 m
  • Max. dynamische Auslenkung der Blattspitze 11,0 m

Animation: Einblick in Prüfhalle

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 Windenergieanlagen