Probenbalken als Träger für die eigentlichen Prüfobjekte – hier mit aufgeklebten Serrations
Fraunhofer IGP
Die Windenergiebranche gilt mit ihrem Anteil von 13 % am deutschen Netto-Stromverbrauch seit langem als wichtiges Instrument zur Realisierung der Energiewende. Der Trend bei Windenergieanlagen (WEA) geht infolge des hohen Preisdrucks in Richtung immer effizienterer Anlagen. Eine wesentliche Komponente der Anlagen sind die Rotorblätter. Auf die Oberfläche applizierte Aerodynamikbauteile, wie Serrations und Vortex-Generatoren, steigern den Wirkungsgrad und erhöhen durch geringere Lärmemission die Akzeptanz in der Bevölkerung. Moderne Windenergieanlagen werden für eine Nutzungsdauer von bis zu 30 Jahren ausgelegt. Während dieser Zeit beansprucht zum einen die wechselnde Biegung des Rotorblattes die Klebschichten enorm. Hält die Klebschicht der Beanspruchung nicht stand, führt dies im schlimmsten Fall zu Ausfallzeiten und teuren Reparaturen.
Belastung und Beanspruchung der Klebschichten am Rotorblatt
Die Klebverbindungen von Rotorblatt-Anbauteilen sind während ihrer vorgesehenen Lebenszeit einer kombinierten thermo-mechanischen Belastung ausgesetzt. Aufgrund der wechselnden Biegung des Rotorblattes bei einer Umdrehung werden die Randfasern des Blattes infolge des Eigengewichtes abwechselnd gedehnt und gestaucht. Dadurch wird die Klebverbindung auf dem Rotorblatt während des Betriebs einer zyklischen Wechselbelastung ausgesetzt. Bei größeren Anbauteilen summieren sich die Verformungen der darunter liegenden Oberfläche infolge der Dehnung und Stauchung der Randfaser so weit, dass es – abhängig von der gewählten Materialkombination – neben der Längsdehnung auch zu kritischen Schubverformungen in der Klebschicht kommt. Dies kann bei zyklischer Belastung zum Versagen der Klebschicht führen. Abhängig vom Aufstellungsort können zudem große Temperaturschwankungen über den Tagesverlauf und über die Jahreszeiten auftreten.
Prüfmethode für bauteilähnliche Proben
Mit Hilfe der neuen Prüfmethode ist es möglich, die Anbindung von Anbauteilen an die Rotorblattoberfläche in Realgröße auf ihr Tragverhalten bei dynamisch schwingender Last hin zu untersuchen. Dazu werden die Prüfkörper den Bedingungen am Rotorblatt entsprechend einer wechselnden Dehnung und Stauchung ausgesetzt. Das zentrale Objekt der Prüfung ist ein Probenbalken. Dieser dient als Träger für die eigentlichen Prüfobjekte. Die nötige Dehnung und Stauchung der Randfasern des Balkens wird durch eine zyklische 4-Punkt-Biegung erzeugt. Beim Prinzip der 4-Punkt-Biegung wird ein Balken auf zwei äußeren Auflagern abgestützt, während er durch zwei innenliegende Druckstempel belastet wird. Im Bereich zwischen den Druckstempeln entsteht dadurch in den Randfasern eine konstante Dehnung beziehungsweise Stauchung. Dies entspricht annähernd den Bedingungen, die am realen Rotorblatt vorherrschen.