Energie
Filtern
Erscheinungsjahr
- 2022 (2) (entfernen)
Dokumenttyp
- Dissertation (1)
- Vortrag (1)
Referierte Publikation
- nein (2)
Schlagworte
- Fatigue (2) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (2) (entfernen)
Eingeladener Vortrag
- nein (1)
Fully-reversed fatigue behavior of scarf joint repairs for wind turbine blade shell applications
(2022)
Due to manufacturing imperfections which can propagate to damage under in-service loads, wind turbine rotor blades, made primarily of glass fiber reinforced polymers (GFRP), often fail significantly before their design life. To enable a quick and cost-effective return to service, localized repairs can be executed by technicians in the field, directly accessing the blades by suspended roping. Scarf joint repairs, shown to be highly efficient with a smooth load transition across angled joint walls and a restored aerodynamic profile, are the focus of this study. The damage mechanisms of these structures were examined under fully-reversed mechanical cyclic loading with a load ratio R = -1, which was made possible on the coupon scale by a custom designed anti-buckling support. The number of cycles to failure were compared across load levels. While the scarf joint ratio was held constant at 1:50, known from industry and literature to be a good compromise between restored mechanical properties and repair size, the layup sequence was varied between small-to-large and large-to-small. Hereby the effect of the presence of resin pockets and fiber orientation mismatch between the parent and repair structure on the failure mechanism as well as fatigue strength of ±45° GFRP scarf joint repair structures was studied. Strain development across the joint length was measured to assess stiffness degradation in addition to the fatigue strength recovery of scarf joint structures with respect to pristine reference specimens. Grayscale analysis was used to monitor the damage state leading to fracture across the specimens. Post-mortem fractography analysis with light microscopy described the global failure mechanisms as well as local damage distribution within the structure, all of which provided insight to critical variables in scarf joint GFRP structures under fully-reversed mechanical cyclic loading, allowing for the tailoring of such repairs on wind turbine blade shells for maximum restoration of service life.
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.