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Schallemissionsanalyse beim Gesamtermüdungstest eines Windkraftrotorblattes

Ausgangssituation

Am Fraunhofer IZFP in Dresden werden »Condition Monitoring Systeme« (CMS) für die Zustandsüberwachung sicherheitsrelevanter Bauteile entwickelt. Für die integrale Überwachung großer Bauteilvolumina mittels Schallemissionsanalyse (Acoustic Emission Testing, AT) genügen in der Regel relativ wenige Sensoren. Aus der Laufzeit der Signale von den einzelnen schallemittierenden Quellen (Risse, Verbundstörungen, Reibung) zu mehreren Sensoren kann auf die Position der aktiven Schädigung geschlossen werden. Ein Faktor, der den Einsatz der AT an Faserverbundwerkstoffen begünstigt, ist, dass Faserbrüche und Delaminationsprozesse sehr starke Schallemissionen erzeugen. Dieser Vorteil wird jedoch durch die hohe materialspezifische Dämpfung der akustischen Wellen in Kompositwerkstoffen von ca. 10 dB/m relativiert.

Aufgabe

Für die messtechnische Überwachung des dynamischen Gesamtermüdungstests eines 40 Meter langen, aus CFK- und GFK-Werkstoffen gefertigten Rotorblattes sollte ein Sensornetzwerk entwickelt werden. Die Herausforderung bei der Anwendung der Schallemissionsprüfung im Rahmen eines dynamischen Ermüdungstests resultiert aus dem starken Umgebungsrauschen einerseits und den ungünstigen akustischen Eigenschaften der Kompositwerkstoffe, insbesondere die hohe innere Dämpfung, andererseits.

Realisierung

Insgesamt wurden ca. 2.500.000 Lastwechsel mit der ersten Eigenfrequenz des Blattes von 0,675 Hz eingebracht. Die begleitende Zustandsüberwachung nutzte verschiedene Bewertungsverfahren:

(1) NF-Verfahren:
Mittels piezoelektrischer Faserwandler und optischer Faser-Bragg-Gitter-Sensoren erfolgte kontinuierlich die Überwachung der Blatteigenschwingungen an mehr als 60 Positionen.

(2) HF-Verfahren:
Die Steg- und Kantenverklebungen wurden mit aktiv durch Piezostacks und Piezofaserwandler in das Prüfobjekt eingetragenen geführten elastischen Wellen im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 100 kHz überwacht. Der Vergleich der Messsignale von ungeschädigtem und aktuellem Zustand gab Hinweise auf Art und Umfang der Schädigung. Neben dem gezielten Einbringen von geführten Wellen erfolgte die Zustandsüberwachung des Rotorblattes mit Schallemissionsmessungen.

Die Lokalisierung der Schallereignisse lieferte Hinweise auf Schädigungsorte und damit besonders belastete Stellen. Auf der Basis von Burstparametern der Schallemissionssignale erfolgte eine Bewertung der Signalquellen. Dabei spielen Algorithmen zur Erkennung von Störsignalen eine wichtige Rolle. Abbildung 1 zeigt einen Ortungsplot der Druckseite des Rotorblattes, bei dem die Anzahl aller georteten Ereignisse (Hits) pro Volumenelement von 10 cm Kantenlänge farblich gekennzeichnet ist. Der deutliche Einfluss der beiden Stege auf das Schallemissionsregime im Rotorblatt ist erkennbar. In der Darstellung sind die künstlich eingebrachten Fehler an der Schleppkante und beim Radius 20 m hervorgehoben. Von diesen Fehlern gehen unmittelbar keine akustischen Emissionen aus, dies ist insbesondere beim Fehler in der Schleppkante dem quer zur Blattebene (flapwise) angeordneten Anregungsregime und der relativ geringen Auslenkung des Rotorblatts nach Einbringen der Fehler geschuldet. In der Umgebung der Enthaftung der Schleppkante wurden jedoch nach Einbringen des Fehlers vermehrt Schallemissionsereignisse geortet, die auf Spannungsumlagerungen im Rotorblatt deuten.

Abb. 1: Ortungsplot Druckseite, Parameter: 92917 geortete Ereignisse (Hits) pro Volumenelement.

Ergebnis

Die Messergebnisse belegen die prinzipielle Eignung des für komplizierte Blattgeometrien und Materialparameter entwickelten akustischen Mess- und Auswertesystems zur permanenten Überwachung von Windkraftrotorblättern. Derzeit wird intensiv an der Übertragung der am Versuchsstand gewonnenen Ergebnisse auf eine im Betrieb befindliche Windenergieanlage gearbeitet.

Auftraggeber

Die Arbeiten wurden im Rahmen der Verbundvorhaben »Innovatives Condition Monitoring System« (CMS) zur nachhaltigen Überwachung sicherheitsrelevanter Komponenten und »Modellgestütztes Structural Health Monitoring für Rotorblätter von Windenergieanlagen« (SHM Wind) durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.