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Lasteinleitung: Sechs hydraulische Zylinder übertragen die Kräfte und Momente auf die Gondel. Im dahinterliegenden Umrichterraum wird das elektrische Netz nachgebildet.
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Simulation: Eine Gondel fährt auf einem Schwerlast-Transporter in die 30 Meter hohe Prüfhalle. Das gelbe Hubgerüst kann Lasten bis zu 420 Tonnen heben.
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Kennzahlen des Gondelprüfstands im DyNaLab
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Der Prüfstandantrieb ist auf einem Betonfundament befestigt. Die Gondel wird über ein Palettensystem mit diesem Fundament verbunden.
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Die Gondel am Stück testen

Eine hydraulische Krafteinleitung kann alle Momente und Kräfte darstellen, die auf Rotor und Gondel wirken. Das durch den Wind erzeugte Drehmoment wird durch zwei Synchronmaschinen in Tandemanordnung mit einer Antriebsleistung von jeweils 5 MW nachgebildet. So ist ein nominelles Drehmoment von 8,6 MNm auf den Prüfling möglich. Vorübergehend sind auch 13 MNm möglich. Dieses maximale Drehmoment entspricht der 20.000-fachen Kraft eines Sportwagens mit 404 kW (550 PS). Es stellt die Lasten nach, die über den Rotor auf die Windenergieanlage einwirken.
Wenn Böen, Turbulenzen oder schräg anströmender Wind auf den Rotor einwirken, entstehen zusätzlich Biegemomente und Schubkräfte, die der Prüfstand ebenfalls nachbilden kann. Die hydraulische Krafteinleitung überträgt dabei die Windlasten. Sechs Hydraulikzylinder übertragen über eine Lastscheibe und ein Momentenlager die Momente und Kräfte auf die drehende Hauptwelle. Der Prüfling ist mit einem Flanschadapter mit der rotierenden Welle verbunden. Die Biegemomente werden um zwei Achsen mit rund 20 MNm und einem Schub von etwa 2 MN aufgebracht.
Die Windlastsimulation arbeitet entweder mit nachgebildeten statischen und dynamischen Betriebszuständen oder mit den Daten aus Echtzeitsimulationen. Um diese Rückwirkungen abbilden zu können, ist eine hohe Triebstrangdynamik notwendig. Dies ist nur durch einen sehr steifen Triebstrangaufbau möglich. „Damit heben wir uns von den anderen Prüfständen ab“, sagt Martin Pilas und fügt hinzu: „Die Krafteinleitung ist dabei vielfältig einsetzbar, aber bezüglich der einleitbaren Kräfte limitiert. Der Normalbetrieb lässt sich jedoch realitätsnah nachbilden.“
Obwohl der Fokus auf getriebelosen Gondeln liegt, eignet sich der Prüfstand grundsätzlich auch für Anlagen mit anderen Triebstrang-Konzepten, beispielsweise für mittel- und schnelllaufende Anlagen mit Getriebe. Die Prüfung getriebeloser Anlagen erfordert insbesondere bei der Untersuchung von Rückwirkungen durch das elektrische Netz eine besonders hohe Dynamik des Prüfstandes, da eine direkte Kopplung zwischen Netz- und Windseite besteht. Niedrigere Anforderungen an die Dynamik, beispielsweise durch andere Anlagenkonzepte, werden dadurch aber auch abgedeckt.

Prüfstand hilft beim Optimieren

Neue Regelungsstrategien tragen dazu bei, die auf den Triebstrang wirkenden Lasten zu reduzieren. Die Wissenschaftler untersuchen dafür neue Triebstrang-Konzepte, was im optimalen Fall eine Reduzierung der Turmkopfmasse ermöglicht. Eine genaue Messung der wirkenden Lasten in unterschiedlichen Bauteilen gibt Auskunft darüber, ob sich die Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung der Komponenten nach unten korrigieren lassen, wodurch sich auch Gewicht in der Konstruktion sparen lässt.
Weil Rotor und Turm im Prüfstand fehlen, besitzt die Gondel andere Systemeigenschaften als im Feld. Um die reale Belastung möglichst genau berechnen zu können, entwickeln die Forscher Echtzeitmodelle und Regelalgorithmen. Dafür berechnen sie die auftretenden Lasten und Wechselwirkungen zwischen Gondel und Rotor im Labor. Das Zusammenspiel von Hardwarekomponenten und Simulationsmodellen ermöglicht es, den Prüfstand samt Prüfling im Hardware-in-the-Loop (HiL) genannten Verfahren zu betreiben.

Ursachen für Mängel an Windenergieanlagen

Mit steigender Größe der Bauteile steigen auch die Belastungen. Da sich kleine und große Strukturen unvermeidlich elastisch verhalten, entstehen Schwingungen, die hohe dynamische Belastungsanteile erzeugen können. Lasten, die auf den Rotor einer Windenergieanlage wirken, werden an die übrigen Bauteile weitergegeben und bestimmen weitgehend deren Belastungsniveau.
Zu den gängigsten Fehlern gehören oft Frühausfälle (Kinderkrankheiten), falsche Inbetriebnahme (Einlaufphase) sowie Montagefehler. Ausfälle können auch zufällige äußere Ursachen haben, zum Beispiel durch Blitzeinschlag, Extremlasten und kombinierte Lastfälle. Wenn frühzeitige Ermüdungserscheinungen und Komponentenverschleiß auftreten, liegt das mitunter am fehlenden Systemverständnis oder fehlerhafter Konstruktion. Sie werden aber auch durch Umwelteinflüsse verursacht, wie beispielsweise Feuchtigkeit und Temperaturwechsel.

Projektinfo 15/2014:
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