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13.01.2014 | Konstruktion + Entwicklung | Im Fokus | Online-Artikel

Mit Aktoren Schwingungen kompensieren

verfasst von: Dieter Beste

2 Min. Lesedauer
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Um eine hohe Energieausbeute zu erlangen, ragen Windkraftanlagen immer höher in den Himmel. Schwingungen, hervorgerufen durch extreme Wind- und Fliehkräfte,
setzen diesen exponierten Energiemühlen allerdings erheblich zu.

Hersteller von Windkraftanlagen kennen die Schadensbilder der Materialermüdung, die auf schädliche Vibrationen zurückzuführen sind. Daher setzen sie bereits während der Entwicklung darauf, die Anlagen möglichst schwingungsarm zu konstruieren. Zyklische Lasten stellen enorme Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit, insbesondere der Rotorblätter und des Getriebes einer Windkraftanlage.

Unter Materialermüdung wird die Schädigung oder das Versagen von Werkstoff und Bauteil unter zeitlich veränderlicher, häufig wiederholter Beanspruchung verstanden, erklären die Springer-Autoren Dieter Radaj und Michael Vormwald gleich zu Anfang ihres Buches „Ermüdungsfestigkeit“: „Es bilden sich bevorzugt an Fehlstellen, Kerben und Querschnittsübergängen nach kleinerer oder größerer Schwingspielzahl Anrisse. Die Risse vergrößern sich mit den weiteren Schwingspielen, schließlich tritt der Restbruch ein.“ Und: „Je höher die Beanspruchung, desto kürzer die Lebensdauer.“

Höhere Inspektions- und Wartungsintervalle

Ergänzend zu konstruktiven Maßnahmen wollen nun Forscher am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mit einer Aktorik zusätzliche Kräfte in eine Windkraftanlage einleiten, um die in der Struktur vorhandenen Schwingungen zu kompensieren. Dazu haben sie eine Kleinwindanlage auf einem der Institutsgebäude in Darmstadt installiert. In einem ersten Schritt führen die Wissenschaftler eine Experimentelle Modalanalyse (EMA) durch.

Die Anlage wird dabei mit 20 Sensoren mit jeweils drei Raumrichtungen versehen und an verschiedenen Positionen mit einer definierten Kraft in Schwingungen versetzt. Aus den Ergebnissen generieren sie ein computergestütztes Simulationsmodell, das Aussagen über das dynamische Verhalten der Anlage bei vorgegebenen Belastungen zulässt – und wie ein geeigneter Aktor zu dimensionieren ist, um ausreichend Gegenkräfte zur Schwingungsreduktion in die Struktur einleiten zu können. Erklärtes Ziel der Forschung ist es, Inspektions- und Wartungsintervalle zu erhöhen, was insbesondere bei Offshore-Anlagen zu hohen Kosteneinsparungen führen kann.

Neben der Erprobung aktiver und passiver Maßnahmen zur Schwingungskontrolle bietet sich die Experimentalanlage, so die Darmstädter Forscher, auch als Plattform zur Demonstration von Structural Health Monitoring Systemen (SHM) an. Hierbei wird über Sensoren das strukturdynamische Verhalten der Anlage erfasst. Veränderungen der Schwingformen an einer oder mehreren Resonanzfrequenzen lassen dann Rückschlüsse auf die Position und das Ausmaß von Schäden innerhalb der Struktur zu.

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