13. Mär 2018

Das smarte Blatt im Extremlasttest: über drei Hydraulikzylinder werden die Lasten aufgetragen. ©Bild: Foto Pascal Hancz

Die optischen Messschilder an der Hallenwand detektieren die Verformung in den drei Hauptachsen des Blattes. ©Bild: Foto Pascal Hancz

Smart Blades 2: Rotorblatt besteht Extremlasttest

(IWES) Erstmals wurde ein Rotorblatt mit Biegetorsionskopplung getestet, die im Vorläuferprojekt vom IWES entwickelt wurde. Die Vorkrümmung in der Blattebene bewirkt aufgrund der aerodynamischer Kräfte im Betrieb eine mechanische Verformung, die die gesamte Struktur entlasten soll. Nach weiteren Tests im Rahmen des Projektes „Smart Blades2“ werden sie für eine Messkampagne in den USA installiert.


Der statische Test eines Rotorblattes wird von den Blattherstellern stets mit Spannung erwartet: Unter der Last einer nachgestellten Extrem-Böe muss sich der Strukturaufbau des Prototypen bewähren. Diesmal ist beim Test jedoch kein Zertifizierer dabei, denn es handelt sich um das Demonstrator-Rotorblatt aus einem Forschungsprojekt. Eines, das den Prüfingenieuren im Teststand bestens vertraut ist – sie haben es am Computer entworfen. Der Test eines Rotorblattes mit Biegetorsionskopplung (BTK) umfasst neben der Prüfung der je zwei Schlag- und Schwenkrichtungen auch eine Torsionsprüfung. „Der Aufbau für den Torsionstest des Rotorblattes ähnelt dem Szenario bei der statischen Prüfung, erfordert aber einen höheren Aufwand für die exakte Messung der zusätzlichen Verformung“, so IWES-Prüfingenieur Dipl.-Ing. Tobias Rissmann zur besonderen Herausforderung des Tests. Während der anschliessenden dynamischen Tests werden die Belastungen eines kompletten Rotorblattlebens von 20 Betriebsjahren in einem stark verkürzten Zeitraum nachgebildet.

BTK bei sehr grossen Blättern effektiv einsetzen
Das Konzept der Biegetorsionskopplung an Rotorblättern wird in der Windbranche seit geraumer Zeit untersucht. Die Kopplung der Schubbelastung mit der Torsion der Struktur des Rotorblatts hat den Vorteil, dass ohne zusätzliche regelungstechnische Stellglieder eine sofortige Reaktion auf Böen erfolgen und damit die Anlagenstruktur entlastet werden kann. Die Herausforderung bei der BTK ist die genaue Vorhersage des dynamischen Verhaltens des Rotorblatts und die Vorhersage der strukturellen Umsetzung. Insbesondere bei sehr grossen Blättern stossen klassische Blattverstell-Systeme an Grenzen, weil sie zu langsam sind und lokale Böen nicht erfassen können. Im Projekt „Smart Blades2“ untersuchen die Mitglieder des Forschungsverbundes Windenergie: Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), ForWind und das Fraunhofer IWES gemeinsam mit sechs Industriepartnern - GE Global Research, Henkel, Nordex Energy, Senvion, SSB Wind Systems, Suzlon Energy und WRD Wobben Research and Development – unter anderem, wie BTK bei sehr grossen Blättern zuverlässig und effektiv eingesetzt werden kann. Das Projektziel ist die weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Windenergie.

Dafür kann es zwei Ansatzpunkte geben: Bei neu zu konzipierenden Anlagen wird bei der Verwendung von Rotorblättern mit BTK die Anlage im Vergleich zu herkömmlichen Blättern leichter, so dass sich bei gleichem Ertrag Material- und Logistikkosten einsparen lassen. Bei bestehenden Anlagen kann durch den Einsatz von Rotorblättern mit Biegetorsions-Kopplung der Rotordurchmesser erhöht werden, ohne dass weitere Anlagenkomponenten zu verstärken sind. Dies würde durch eine höhere Windernte zu einer Ertragssteigerung führen.

Vorgängerprojekt „Smart Blades 1“ 
Im Vorgängerprojekt „Smart Blades 1“ wurden Simulationswerkzeuge für das Blattdesign entwickelt und erweitert. Im aktuellen Projekt wurden sie nun gebaut und experimentell validiert. „Die heute verbreiteten Simulationswerkzeuge für den Designentwurf von Rotorblättern können die Torsionssteifigkeit nur ansatzweise berücksichtigen. Die im Projekt „Smart Blades1“ verwendeten Tools ermöglichen die gezielte Einbringung von BTK in den Auslegungsprozess“, erklärt der IWES Technologiekoordinator für BTK-Blätter, Dr. Elia Daniele. Auf dieser Designbasis wird im Projekt „Smart Blades2“ ein Rotorblatt gefertigt und getestet. Der nächste Schritt ist nun, im Rahmen eines Feldtests den Effekt der Biegetorsionskopplung auf die gesamte Windenergieanlage zu vermessen.

Mehrmonatige Messkampagne in den USA
Die dazu aufgesetzte Messkampagne soll zeigen, ob sich die in der Simulation gezeigte Lastreduktion durch BTK im Betrieb nachweisen lassen, und ob der Effekt so stark ist wie erwartet. Unter Leitung der IWES-Gruppe für akkreditierte und zertifizierte Feldmessungen werden an der Testturbine des US-amerikanischen Projektpartners National Renewable Energy Laboratory (NREL) Messungen auch mit einem neu entwickelten, so genannten Aeroprobe-System durchgeführt. Zwei Drucksonden messen dabei an der Blattoberfläche die Umströmung der Rotorblätter. Ausserdem wird die Beschleunigung an der Blattspitze und die Verformungen im Blatt im Betrieb detektiert.

Das untersuchte "SmartBlades2"-Rotorblatt fungiert als Technologiedemonstrator und soll die Nutzbarkeit dieser Technologie an kommerziellen grossen Blättern untersuchen. Das deutsche Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Projekt mit einem Fördervolumen von insgesamt 15.4 Millionen Euro.

Projektpartner: DLR, Fraunhofer IWES, ForWind, GE Global Research, Henkel AG & Co. KGaA, Nordex Energy, Senvion Deutschland GmbH, SSB Wind Systems GmbH & Co. KG, Suzlon Energy Ltd. und WRD Wobben Research and Development GmbH

Weitere Informationen zum Projekt Smart Blades 2 >>

Text: Fraunhofer IWES

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