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Das smarte Blatt im Extremlasttest: über drei Hydraulikzylinder werden die Lasten aufgetragen
© Pascal Hancz, IWES
Forschungsprojekte nachgehakt
13.03.2018

Die optischen Messschilder an der Hallenwand detektieren die Verformung in den drei Hauptachsen des Blattes
© Pascal Hancz, IWES

Der Wind optimiert das Rotorblatt

Mit steigender Blattlänge wachsen auch die aerodynamischen Schwingungslasten auf Rotorblätter. Die bisherigen Bau- und Regelungskonzepte geraten zunehmend an Grenzen. Eine Lösungsmöglichkeit sind Rotorblätter mit Biegetorsionskopplung. Bei starkem Wind biegen sich diese nicht nur durch, sondern verdrehen sich auch axial. Ein derartiges Demonstrator-Rotorblatt befindet sich derzeit auf dem Teststand. Nach Abschluss der Messungen werden baugleiche Exemplare an drei Forschungs-Windenergieanlagen installiert.

Klassische Blattverstell-Systeme für Rotorblätter stoßen bei sehr großen Blattlängen an ihre Grenzen, weil sie zu langsam reagieren – insbesondere auf lokale Boen. Das Konzept der Biegetorsionskopplung für Rotorblätter hat daher bereits seit längerem das Interesse der Windbranche geweckt. Bei diesen Blättern ist die Schubbelastung mit der axialen Drehung (Torsion) des Blatts gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass ohne zusätzliche regelungstechnische Stellglieder das Blatt auf Böen sofort reagieren und auf diesem Weg die Anlagenstruktur entlastet werden kann. Die besondere Herausforderung liegt darin, vorab das dynamische Verhalten des Rotorblatts und die hieraus resultierende strukturelle Umsetzung genau zu berechnen.

Das Forschungsprojekt trägt die Bezeichnung Smart Blades2 und verfolgt das Ziel, die Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen (WEA) weiter zu steigern und große Blätter mit dem neuen Konzept zu entwickeln. Für eine höhere Wirtschaftlichkeit gibt es zwei Ansatzpunkte: Neu konzipierte WEA können durch die Biegetorsions-Blätter von vornherein leichter – im Vergleich zu bisherigen Anlagen – konstruiert werden. Das spart Material und Logistikaufwand. An bestehenden WEA lassen sich durch den Einsatz von Blättern mit Biegetorsionskopplung größere Blattlängen installiert, ohne dass die Gesamtanlage verstärkt werden muss. Durch den größeren Rotordurchmesser erhöht sich damit auch die erzeugte Strommenge.

Das Forschungsprojekt wird gemeinsam vom Forschungsverbund Windenergie durchgeführt, dem das Fraunhofer Institut für Windenergiesysteme (IWES), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Forschungsverbund ForWind angehören. Weiterhin beteiligen sich sieben Industriepartner am Projekt, überwiegend aus dem Kreis der WEA-Hersteller.

Vom Teststand zum Feldtest

Das 20 m lange Demonstrator-Rotorblatt ist bereits während des Vorgängerprojekts im Computer designt worden. Auf dem Teststand werden nicht nur je zwei Schwenk- und Schlagrichtungen geprüft, sondern auch die Torsion. IWES-Prüfingenieur Tobias Rissmann beschreibt die Herausforderungen: „Der Aufbau für den Torsionstest des Rotorblatts ähnelt dem Szenario bei der statischen Prüfung, erfordert aber einen höheren Aufwand für die exakte Messung der zusätzlichen Verformung.“ Im Verlauf des Testzyklus soll das Demonstrator-Blatt im Zeitraffer den Belastungen von 20 Jahren Anlagenpraxis ausgesetzt werden.

Nach Abschluss der Untersuchungen auf dem Teststand startet ein mehrmonatiger Feldtest. Dazu werden drei baugleiche Blätter mit Biegetorsionskopplung an Forschungs-WEA in den USA installiert. Das dortige National Energy Laboratory (NREL) ist internationaler Kooperationspartner. Die Leitung der Messungen obliegt der IWES-Gruppe für zertifizierte Feldmessungen. Die Forscher wollen dabei klären, in welchem Umfang sich die im Computer simulierten Lastreduktionen auch in der Praxis nachweisen lassen. Bei den Messungen kommt das neu entwickelte Aeroprobe-System zum Einsatz. Zwei Drucksensoren messen dabei an der Blattoberfläche die Umströmung der Rotorblätter. Außerdem werden die Beschleunigung an der Blattspitze und die Verformung der Blätter während des Betriebs erfasst.

Vorgängerprojekt: Smart Blades1

Die Simulationsprogramme und –berechnungen entstammen dem Vorgängerprojekt Smart Blades1. Die bis dahin gebräuchlichen Simulationstools konnten die Torsionssteifigkeit eines Blatts nur ansatzweise abbilden. Erst die in Smart Blades entwickelten Tools waren dazu in der Lage. Auf der Basis dieses Computerdesigns wurde jetzt das Demonstrator-Rotorblatt gebaut. Das BINE-Projektinfo „Das Klügere gibt nach“ (16/2016) stellt das Vorgängerprojekt vor.

(mi)

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Adressen

Projektleitung
Fraunhofer IWES

Projektpartner
ForWind

Links

SmartBlades2
Projekt-Website

Infotipps

Das Klügere gibt nach
BINE-Projektinfo 16/2016

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.