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Organisationseinheit der BAM
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Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) weisen häufig nach wenigen Jahren, lange vor dem Erreichen der prognostizierten Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren Risse in der Blattschale auf. Die Folge sind aufwendige Reparaturen am installierten und schwer zugänglichen Rotorblatt und der kostenintensive Nutzungsausfall durch den Stillstand der WEA.
Als mögliche Initiatoren für die Schäden in der Blattschale der Rotorblätter gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Für die Untersuchung des Einflusses dieser Imperfektionen auf das Ermüdungsverhalten der Rotorblätter wurde an der BAM (Bundesanstalt für Mate-rialforschung und -prüfung) ein Prüfstand für statische und zyklische Versuche von Schalensegmenten im intermediate scale entwickelt und betrieben. Die untersuchten Schalensegmente in Sandwichbauweise sind der Rotorblattschale von WEA im Hinblick auf die Strukturmechanik, die eingesetzten Halbzeuge, den Laminataufbau und dem eingesetzten Fertigungsverfahren ähnlich. Als Imperfektionen wurden verschiedenen Variationen von Lagenstößen in die Hautlagen und Schaumstöße mit Breitenvariation in den Stützkern reproduzierbar eingebracht. Die Überwachung des Schädigungszustandes während der Schwingversuche unter realistischen Lastszenarien erfolgt über eine kombinierte in situ Schädigungsüberwachung mittels passiver Thermografie und Felddehnungsmessung.
Mit den durchgeführten Schwingversuchen und der begleitenden Überwachung des Schädigungszustandes ließen sich die Schadensinitiation und die signifikante Herabsetzung der Lebensdauer durch die eingebrachten Imperfektionen zweifelsfrei nachweisen und entsprechende Konstruktionshinweise für die betriebssichere Auslegung von Sandwichstrukturen ableiten.
In den Blattschalen von Rotorblättern von Windenergieanlagen (WEA) bilden sich häufig weit vor der projektierten Lebensdauer von 20 Jahren Risse aus. Durch Witterungseinflüsse kommt es zum Schadenfortschritt. Die Folge sind der Stillstand der Anlage und kostenintensive Reparaturen am Turm oder der komplette Austausch der Rotorblätter. Als eine mögliche Ursache der Rissentstehung und des Risswachtums gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Aufgrund der Effizienz werden Komponententests mit repräsentative Schalensegmenten und –ausschnitten von Rotorblättern angestrebt. Für diese Untersuchungen wurde ein Versuchsstand für die Prüfung von Schalenstrukturen konstruiert und an der BAM betrieben. Mit dem Versuchsstand kann der Einfluss von fertigungsbedingten Imperfektionen auf die Rissentstehung und das Risswachstum untersucht werden. In dem Prüfstand werden gekrümmte Sandwichschalen mit eingebrachten Imperfektionen (z.B. Schaumstöße, Laminatabstufungen) unter schwellender Druckbelastung untersucht. Die aufgebrachte Last entspricht realistischen Belastungsniveaus (z. B. 50 Jahres Böe) von Rotorblättern. Die in situ Zustandsüberwachung erfolgt kombiniert mittels Thermografie und der optischen 3 D Felddehnungsmessungen. Mit dem optischen 3 D Felddehnungssystem (ARAMIS) werden die In- und Out-Off-Plane Verformungen der Sandwichschale unter der zyklischen Schwingbelastung detektiert. Die zerstörungsfreie Detektion der Werkstoffermüdung (z.B. Risse) in den Schalenprüfkörpern infolge der zyklischen Beanspruchung erfolgt mittels begleitender passiver Thermografie. Mit den durchgeführten Versuchen konnte der Einfluss der unterschiedlichen fertigungsbedingten Imperfektionen auf die Betriebsfestigkeit der Sandwich Schalenprüfkörper herausgestellt werden. Aus diesen Erkenntnissen wurden für den Rotorblattbau Design Hinweise abgeleitet. Weiterhin wurde in den Versuchen die Eignung der kombinierten Zustandsüberwachung für die Detektion der Verformungsänderungen, Schadensentstehung und dem Schadensfortschritt nachgewiesen. Die kombinierte Zustandsüberwachung mittels Thermografie und der optischen 3 D Felddehnungsmessung eignet sich sehr gut zur Schadensdetektion von Sandwichstrukturen unter Schwingbeanspruchung.
Um den sicheren Betrieb von Windkraftanlagen zu gewährleisten, werden Rotorblätter nach der Fertigung und nach Reparatur mit verschiedenen zerstörungsfreien Verfahren auf Schaden untersucht. Bei der Fertigung von Blattschalen, die in einer Sandwich-Schalenbauweise gefertigt werden, entstehen Imperfektionen, die unter Belastung zu großen Rissen führen können. Zur Prüfung von Blattschalen wird unter anderem Ultraschallprüfung in Kontakttechnik eingesetzt. Um den Wartungsaufwand von Ultraschallanlagen zu reduzieren und um manche Kompositstrukturen vor Koppelmittel zu schützen, wird die Anwendung von Luftultraschall erforscht. Insbesondere große Fortschritte gibt es im Bereich der Entwicklung neuer Wandler.
In diesem Beitrag berichten wir über die Luftultraschallprüfung von Schalen für Rotorblätter. Es wurden typische Sandwichschalenstrukturen hergestellt und mit einem eigenentwickelten Schalenprüfstand unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet. Die in den Schalenprüfkörpern entstandenen Schäden wurden außerhalb des Prüfstandes mit Luftultraschall in Durchschallung untersucht. Es wurden fokussierende Wandler auf Basis von Ferroelektreten entwickelt und für diese Prüfungen eingesetzt. Mit zusätzlicher elektrischer Vorspannung konnte die Empfindlichkeit der Empfänger deutlich erhöht werden. Die nach dem Lastwechsel entstandenen Schäden in den Rotorblattschalen waren eindeutig zu detektieren.