TY - THES A1 - Grasse, Fabian T1 - Beitrag zur Untersuchung des Betriebsfestigkeitsverhaltens von Rotorblättern für Windenergieanlagen im verkleinerten Maßstab N2 - Die größten Rotorblätter von Windenergieanlagen erreichen heutzutage Längen von über 75 m. Die Durchführung von Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an Rotorblättern im Original-Maßstab ist aufwendig hinsichtlich der Größe der Bauteile und der komplexen Lastsituation. Für die Zulassung werden in der Regel nur statische Sicherheitsnachweise gefordert, dynamische Untersuchungen am Gesamtbauteil sind hingegen nicht erforderlich. Aus diesem Grund wurde ein Stellvertreter-Prüfstand zur Untersuchung von Rotorblättern im verkleinerten Maßstab entwickelt. Darüber hinaus erfolgte durch systematische Dauerschwingversuche die Validierung und Bewertung eines Condition Monitoring Systems. Für die Berechnung eines Versuchsrotorblattes werden die äußeren auf das Blatt wirkenden Lasten unter Berücksichtigung des Eigengewichts und der aerodynamischen Umströmung analysiert. Die Ergebnisse belegen eine dominierende Belastung in Schlaglast-Richtung und eine deutlich geringere Belastung in Schwenklast-Richtung. Auf den Lastannahmen basierend erfolgt die Bestimmung des inneren Spannungs- und Verzerrungszustandes für die einzelnen Strukturbauteile, wobei als Grundlage die Geometriedaten, die Materialdaten und der Laminataufbau des Originalrotorblattes herangezogen werden. Für den Aufbau des Versuchsrotorblattes kommen ausschließlich Original-Halbzeuge zum Einsatz. Die durch den Prüfstand in das Versuchsrotorblatt eingeleiteten Lasten werden derart dimensioniert, dass sich der erforderliche Spannungs- und Verzerrungszustand im Laminat einstellt. Der innere Aufbau des Versuchsrotorblattes mit zwei Stegen und vier Gurten entspricht dem des Originalrotorblattes. Die Lasteinleitung in das Versuchsrotorblatt erfolgt simultan und unabhängig für die Schlaglast- und Schwenklast-Richtung. Der Biegegemomentenverlauf des Originalrotorblattes wird bei Einleitung von jeweils drei Einzellasten pro Lastrichtung in Kombination mit der Erzeugung eines freien Momentes zur Erzeugung eines Sprungs im Querkraftverlauf sehr gut nachgebildet. Für die Realisierung eines Condition Monitoring Systems werden FBG-Sensoren verwendet, da sowohl die Möglichkeit zur Strukturintegration mit nur minimal-invasiven Störstellen als auch eine einfache Verlegung mit einer Vielzahl an FBG-Sensoren in einer einzelnen Sensorfaser gegeben ist. Die im Vergleich zu FBG-Patches durchgeführten Dauerfestigkeits-untersuchungen belegen für die strukturintegrierten Sensoren eine signifikant höhere Lebensdauer. Die Betriebsfestigkeitsuntersuchungen werden sowohl als Einstufenversuche bei Nennlast und 50a- Böenlast als auch in Lastkollektivanregung bei unabhängiger Regelung der Schlag- und Schwenklast durchgeführt. Zusätzlich erfolgt mehrfach eine Modalanalyse bei frei aufgehängtem Versuchsrotorblatt in verschiedenen Stadien des Versuchsprogramms. Da bei Einstufenbelastung mit 50a-Böenlast auf natürliche Weise keine sichtbaren Schäden entstanden sind, werden künstliche Bauteilschäden in Form eines Längsrisses an der Blatthinterkante und eines Querrisses zwischen den lasttragenden Gurten eingebracht. Diese Schäden verursachen bei 50a-Böenlast lokale Dehnungsüberhöhungen, die mit dem gewählten Condition Monitoring System gut detektierbar sind. Die lokal begrenzte Dehnungszunahme korreliert sehr gut mit den Ergebnissen der FEM-Berechnungen des Versuchsrotorblattes. Der Vergleich der berechneten und gemessenen Eigenfrequenzen weist eine hohe Übereinstimmung auf. Bei der Eigenfrequenzanalyse macht sich die Verringerung der Steifigkeit aufgrund des Querrisses in der Blattschale durch eine signifikante Verringerung der Eigenfrequenzen bemerkbar. Für einen Vergleich der numerisch berechneten und mittels Geophonen gemessenen Eigenformen wird das MAC-Kriterium herangezogen, welches für die ersten Eigenformen sowohl des ungeschädigten als auch des geschädigten Versuchsrotorblattes sehr gute Übereinstimmungen belegt. N2 - Today's largest class wind turbine rotor blades reach a length of more than 75 m. Testing fatigue strengths on full scale parts is diffcult due to the dimensions of the parts and due to the complex load situations. For certification, only a quasi static strength test to a certain load limit or to the final failure is required. The in-service strength is only accounted by calculations. For this reason, a test rig for conducting load tests on rotor blades with reduced dimensions was developed. Systematic fatigue tests for the validation and evaluation of a condition monitoring system were performed additionally. The loads for the test rotor blade are calculated based on manufacturer's data considering the tare mass of the blade and aerodynamic flow around the blade tip. The results indicate a dominant strain in flatwise load direction and a significantly lower strain level in edgewise load direction. The determination of the inner stress and strain conditions for each structural component is based on the design loads considering the geometry, material data and the Laminate structure of the original rotor blade. The inner structure is designed according to the original blade with a reduced number of layers using the original semi finished materials. The induced loads are dimensioned to realise the required inner stress and strain conditions in the laminate of the test rotor blade. The internal structure consisting of two webs and four straps corresponds to the original rotor blade. The test rig allows inducing flatwise and edgewise loads simultaneously and forced vibrations independently in two axis on the test rotor blade. The bending moment of the original rotor blade is reproduced suffciently with three discrete Forces in each flatwise and edgewise direction in combination with a free moment to create a jump in the shear force curve. FBG sensors are appropriate to realise a condition monitoring system due to the minimally invasive application and the simple installation with a variety of FBG sensors in a single sensor fiber. In comparison to FBG patches the structure-integrated sensors show a significantly longer service life. The in-service strength tests are carried out both as single step fatigue tests for nominal load and 50 year gust load and for load spectrum tests by independent control of flatwise and edgewise loads. In addition, the analysis of the eigenfrequencies is performed several times at various stages of the test program. Visible damages did not occur naturally at 50 year gust load. Therefore, artificial damages were implemented (disjuncture of the bonding of the trailing edge and transverse crack in the blade shell between the front and rear strap). These damages cause local strain increases at 50 year gust load that are well detectable with the chosen condition monitoring system. The locally limited strain increase correlates very well with the results of FEM calculations of the scale-reduced rotor blade. The comparison of the calculated and measured eigenfrequencies shows a good correlation. The analysis of the eigenfrequencies shows the reduction in stiffness due to the transverse crack in the blade shell by a significant reduction in the eigenfrequencies. For a comparison of the numerically calculated and measured eigenmodes (geophone sensors) the MAC criterion is used. This shows a very good agreement for the first eigenmodes of the undamaged and the damaged test rotor blade. T3 - BAM Dissertationsreihe - 110 KW - Betriebsfestigkeit KW - Faserbragg-Sensorik KW - Faserverstärkte Kunststoffe KW - Rotorblätter KW - Windenergieanlagen PY - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-486 SN - 978-3-9815944-5-4 SN - 1613-4249 VL - 110 SP - 1 EP - 152 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-48 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker A1 - Hickmann, Stefan T1 - Zustandsüberwachung von Rotorblättern - Konzeptstudie mittels Bauteilkomponentenversuch T2 - 29. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung 2011 CY - Berlin, Germany DA - 2011-12-01 PY - 2011 AN - OPUS4-25696 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker A1 - Hickmann, Stefan T1 - Measuring service strength on a representative test rotor blade T2 - Joint seminar DTU Technical University of Denmark - BAM: Design and maintenance of support structures for offshore wind converters CY - Copenhagen, Denmark DA - 2011-10-25 PY - 2011 AN - OPUS4-24539 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker T1 - Fatigue testing and damage mechanics of fibre reinforced plastics T2 - Joint seminar DTU Technical University of Denmark - BAM: Design and maintenance of support structures for offshore wind converters CY - Copenhagen, Denmark DA - 2011-10-25 PY - 2011 AN - OPUS4-24540 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker A1 - Thöns, Sebastian A1 - Said, Samir ED - De Roeck, G. ED - Degrande, G. ED - Lombaert, G. ED - Müller, G. T1 - Structural health monitoring of wind turbine blades by strain measurement and vibration analysis N2 - Wind turbine blades have to withstand a high number of load cycles in mostly hard weather conditions over 20 years. In a research project BAM and several partners have designed, evaluated and tested a condition monitoring system for all parts of a wind turbine. At a rotorblade with a length of 58 m fibre bragg grating sensors were applied for in-service strain measurement. Additionally a complex test rig was designed to enable real biaxial loading conditions at a representative test rotor blade to simulate the mechanical loading conditions in the lab. In this test blade with a length of 8 m also fibre bragg grating sensors were implemented to determine their influences for the structure and the condition monitoring system. Vibration measurements were carried out at different test phases. The results were compared with finite element strain and modal analysis. T2 - EURODYN 2011 - 8th International conference on structural dynamics CY - Leuven, Belgium DA - 04.07.2011 KW - Rotor blade KW - Test blade KW - Modal analysis KW - Condition monitoring PY - 2011 SN - 978-90-760-1931-4 IS - MS25 Tue SP - 3490 EP - 3497 AN - OPUS4-25076 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker A1 - Hickmann, Stefan ED - Grellmann, W. T1 - Zustandsüberwachung von Rotorblättern - Konzeptstudie mittels Bauteilkomponentenversuch T2 - DVM-Tagung Werkstoffprüfung 2011 - Neue Entwicklungen in der Werkstoffprüfung - Herausforderungen an die Kennwertermittlung CY - Berlin, Deutschland DA - 2011-12-01 KW - Rotorblatt KW - Faserverbundwerkstoffe KW - Modalanalyse KW - Zustandsüberwachung KW - Faser-Bragg-Gitter-Sensoren KW - Rotor blade KW - Fibre reinforced plastics KW - Modal analysis KW - Condition monitoring KW - Fibre bragg grating sensors PY - 2011 SN - 978-3-9814516-1-0 SN - 1861-8154 N1 - Serientitel: DVM-Bericht – Series title: DVM-Bericht IS - 643 SP - 167 EP - 172 AN - OPUS4-25078 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker T1 - Methodenentwicklung zur Bestimmung des Schädigungsverhaltens von Faserverbundwerkstoffen im Hinblick auf die Bauteilsicherheit T2 - Polymerwissenschaftliches Seminar, Technische Universität Berlin, Fachgebiet Polymertechnik/-physik CY - Berlin, Germany DA - 2007-01-10 PY - 2007 AN - OPUS4-16465 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker A1 - Basan, Ricardo T1 - Untersuchung des Betriebsfestigkeitsverhaltens von Faserverbundwerkstoffen zum Einsatz in Rotorblättern von Windenergieanlagen T2 - Polymerwissenschaftliches Seminar, TU Berlin CY - Berlin, Germany DA - 2008-12-03 PY - 2008 AN - OPUS4-18117 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker A1 - Günzel, Stephan A1 - Meister, O. T1 - Lifetime Assessment for GFRP-Gliders T2 - XXIX OSTIV-Congress CY - Bad Belzig, Germany DA - 2008-08-11 PY - 2008 AN - OPUS4-18087 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Grasse, Fabian A1 - Trappe, Volker T1 - Betriebsfestigkeit von Faserverbundwerkstoffen im Hinblick auf die Bauteilsicherheit von Rotorblättern von Windenergieanlagen T2 - 1. Duromer-Tagung CY - Wildau, Germany DA - 2008-03-11 PY - 2008 AN - OPUS4-16737 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -