Inno­va­ti­ve Schwing­ungs­tests an Ro­tor­blät­tern

Mit hundert Kilogramm zieht und drückt ein elektro­dyna­mischer Schwin­gungs­erreger an dem zwanzig Meter langen „SmartBlades-DemoBlade“. Das Rotor­blatt schwingt mit einem Aus­schlag von fünfzig Zenti­metern an der Blatt­spitze. Diese Bewegungen mit allen Material­belas­tungen im Rotor­blatt werden von Wissen­schaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum­fahrt genau analy­siert. Dazu haben die Forscher drei­hundert Beschleu­ni­gungs- und zwei­hundert Dehnungs­sensoren direkt am Rotor­blatt ange­bracht. Mit den so auf­ge­nom­menen Daten lassen sich die Ver­for­mungen des Rotor­blatts 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.

Fünfhundert Sensoren messen die Schwin­gung direkt am Rotor­blatt. (Bild: DLR; CC-BY 3.0)

Ursprünglich kommt diese Methode für Schwingungstests aus der Luft­fahrt und wurde beim DLR-Institut für Aero­elastik für Stand­schwin­gungs­ver­suche an Flug­zeug­proto­typen ent­wickelt. Seine Erfah­rungen hat Yves Govers vom DLR-Institut für Aero­elastik auf Wind­kraft­anlagen über­tragen und in Bremer­haven das Demon­strations­rotor­blatt unter­sucht. „Wir kennen den Bau­plan des neu ent­wickelten Rotor­blatts und haben sein Ver­halten vorher berechnet. Mit den Sensoren haben wir die Möglich­keit, die tat­säch­liche Struktur­dynamik im Blatt zu messen. So können wir unser Computer­modell an die Realität anpassen und Rotor­blätter besser konstru­ieren“, so der Forscher.

Auf dem Prüfstand in Bremerhaven stand ein im Projekt „SmartBlades“ ent­wickeltes Rotor­blatt. Wissen­schaftler des DLR-Instituts für Faser­verbund­leicht­bau und Adap­tronik haben das zwanzig Meter lange Rotor­blatt am Zentrum für Leicht­bau­produk­tions­techno­logie am DLR-Standort Stade gefertigt. 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.

Seit Dezember 2017 wird das neu entwickelte Rotorblatt auf Herz und Nieren geprüft. Zunächst in einem Extrem- und Betriebs­last­test auf dem Rotor­blatt­prüf­stand beim Fraun­hofer-Institut für Wind­energie und Energie­systemeIWES, 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 Govers.

Die Methode wurde ursprünglich entwickelt, um die Flatter­sicher­heit eines Flug­zeugs 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 wird zuneh­mend auch für Wind­energie­anlagen ein Thema. „Vor allem bei Off­shore-Wind­kraft­anlagen werden Rotor­blätter in Zukunft größer und gleich­zeitig leichter“, sagt Govers. „Damit steigt die Gefahr von Flatter­schwin­gungen am Rotor­blatt und Anlagen­her­steller werden einen stär­keren Fokus auf die aero­elas­tischen Effekte legen müssen.“ Mit dem Anbringen eines Schwingungs­erregers, der am Blatt befestigt ist, können die DLR-Forscher zudem auch die Schwin­gungen eines nur an Gummi­schleifen auf­ge­hängten Rotor­blatts messen. So lassen sich die Eigen­frequenzen eines Blatts sehr präzise fest­stellen.

Die Biege-Torsionskopplung mit der sichelförmigen Blatt­geo­metrie ist eine von mehreren Techno­logien, die im Forschungs­projekt „SmartBlades2“ weiter­ent­wickelt werden. Ziel der Forschungs­arbeiten sind größere und effi­zien­tere Rotoren, die eine höhere Aus­beute der Wind­energie erlauben und die Wett­bewerbs­fähig­keit deutscher Unter­nehmen in der Wind­energie­branche stärken. Weitere im Projekt unter­suchte Techno­logien sind Hinter- und Vorder­kanten von Rotor­blättern, die die aktive Anpas­sung der Rotor­blatt­form an die aktu­elle Wind­stärke erlauben. Beide Konzepte kommen aus der Luft­fahrt und lassen sich mit den Klappen an Trag­flächen von Flug­zeugen ver­gleichen. Zudem arbeiten die Forscher an der Weiter­ent­wick­lung aus­ge­wählter Methoden und Techno­logien sowie am aero­dyna­mischen Ver­halten der Rotor­blätter und an der Rege­lung des Gesamt­systems. (Quelle: DLR / pro-physik.de)

Links: Projekt SmartBlades2, Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme, Oldenburg • Institut für Aeroelastik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Göttingen