Schadensfrüherkennung an Rotorblättern von Windenergieanlagen und deren Bedeutung für die Konstruktion

Im Rahmen der Entwicklung dieses SHM-Systems hat sich die Möglichkeit eröffnet einen realen Ermüdungstest auf einem Rotorblattprüfstand messtechnisch zu begleiten. Der Test umfasste mehre Millionen Lastwechsel in Schwenkrichtung des Blattes und dauerte mit Unterbrechungen ca. 2.5 Monate.

Bei diesem Test wurde die bereits skizzierte Sensorkonfiguration in das Blatt eingebaut. Zwei Deflektionssensoren , die Verschiebungsamplituden des Blattes in Schlag- und Schwenkrichtung in 23m Entfernung vom Blattanschluss erfassen sowie vier faseroptische Dehnungssensoren wurden appliziert. Diese Dehnungssensoren wurden jeweils 90° versetzt installiert und sind in Längsrichtung des Blattes verklebt, um die Biegedehnungen erfassen zu können. Ziel der Tests war, die bemessene Struktur des Rotorblattes auf die von der Zertifizierungsbehörde geforderten Dehnungsamplituden an definierten Orten des Blattes zu prüfen.

Eine solche Struktur muss über eine geforderte Anzahl von Lastwechseln die aufgebrachte dynamische Beanspruchung unbeschadet überstehen. Nach offiziellem Abschluss des Fatiguetests wurde ein Schaden eingebracht und der Test erneut gestartet. Dieser Schaden konnte am Blatt messtechnisch erfaßt werden. Danach wurde der Test erneut unterbrochen, der Schaden repariert und der Test nach einer baulichen Veränderung erneut gestartet. Die Auswertung nach der angewandten Methodik auf Grundlage der Proportionalitätsmethode ist in den Abbildungen 11 und 12 nachzuvollziehen. Zu sehen sind die Ergebnisse der Proportionalitätsfaktoren ermittelt aus den beiden Deflektionssensoren und den korrelierenden faseroptischen Dehnungssensoren.

Auf den Abbildungen (Abbildung 11, Abbildung 12) ist zu sehen, dass zwei Tage nach Beginn der Aufzeichnungen der Test gestoppt wurde. Beide Proportionalitätsfaktoren haben kurz vorher ihr Ausgangsniveau durch das Wachstum des eingebrachten Schadens deutlich bis zur eingezeichneten roten Linie verlassen. Nach einiger Stillstandzeit, die durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet ist wurde der Test wieder neu gestartet, gekennzeichnet durch Punkt 2. Während der Stillstandszeit wurde der eingebrachte Schaden wie oben bereits erwähnt repariert und es wurden im Bereich der Transition Plate bauliche Veränderungen vorgenommen. Der Test wurde bis zum Ende nicht mehr unplanmäßig unterbrochen. Auffällig ist, dass nach dem Neustart des Tests das Niveau der Proportionalitätsfaktoren deutlich verändert haben.

Abb. 11: Zeitlicher Verlauf des Proportionalitätsfaktors des linken Sensor (Hinterkante)

Abb. 12: Zeitlicher Verlauf des Proportionalitätsfaktors des rechten Sensors (Vorderkante)

Der Grund dafür sind die signifikantensignifikante baulichen Veränderungen im Bereich der Transition Plate, die das dynamische Verhalten des Blattes stark verändert haben. Darüber hinaus ist auch nach Test-Neustart ein langsames Abfallen der Faktoren zu beobachten, das durch weitere, offenbar unkritischere Strukturveränderungen zu erklären ist.

Grundsätzlich müssen die Proportionalitätsfaktoren über die Zeit betrachtet werden, da nur so die Veränderung gesichert erkennbar ist. Einzelne Werte haben nur eine bedingte Aussagekraft, können jedoch logischerweise keine Schadensentwicklung aufzeigen.

Ausblick

Die entwickelte Messtechnik, bestehend aus Deflektionssensor, faseroptischen DMS, Datenaufbereitung der elektrischen und optischen Messinformationen, Funk-Netzwerkanbindung und batteriegebufferter Stromversorgung ist optimiert für die Anwendung in Rotorblättern. Sinnvollerweise sollte der Einbau paarweise erfolgen, um einerseits Ovalisierungen des Querschnitts erfassen zu können, und andererseits ein redundantes System zu bilden, was die Zuverlässigkeit der Zustandsanalyse erhöht.

Die simulierten Ergebnisse sowie die auf einem Rotorblatt-Prüfstand gemessenen realen Daten zeigen, dass Sensorik und Methodik Potential als Schadensfrüherkennungs- und Monitoring-System für Rotorblätter haben. In Kürze wird dieses System erstmalig in einem Rotorblatt einer operierenden Windenergieanlage eingebaut und betrieben. Die beteiligten Partner sind zuversichtlich, dieses Produkt in absehbarer Zukunft zur Marktreife zu bringen.

Bild: Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES)

Um Schäden frühzeitig zu erkennen und die wirtschaftlichen Folgen gering zu halten, ist es notwendig geeignete Sensorik einzusetzen.

Die rasante Entwicklung der Windenergie in den letzten Jahren in Deutschland hat dazu geführt, dass die Ziele der deutschen Bundesregierung, bis zum Jahr 2020 bis zu 30% des Energiebedarfs aus erneuerbaren Energiequellen zu stillen, in greifbare Nähe gerückt sind. Rotorblätter von WEA erreichen heutzutage bereits Längen von mehr als 60m und sind die Schlüsselkomponente für die Leistung einer Windenergieanlage.

Das Design auch kleinerer Blätter wird immer wieder optimiert, um Kosten zu sparen und die Effizienz weiter zu steigern. Die Fertigung von Rotorblättern von Windenergieanlagen nach wie vor wenig automatisiert und am fertigen Rotorblatt sind Fertigungsungenauigkeiten und Abweichungen von der Spezifikation nur bedingt feststellbar. In Einzelfällen ist es in der Geschichte der Windkraft bis zum heutigen immer wieder vorgekommen, dass Rotorblätter im Feld strukturelle Schäden aufweisen, die auf zuvor nicht erkannte Fertigungsfehler zurückgehen.

Um Schäden frühzeitig zu erkennen und die wirtschaftlichen Folgen gering zu halten, ist es notwendig geeignete Sensorik einzusetzen. Diese muss selbstverständlich , den anspruchsvollen Umgebungsbedingungen standhalten und selbst eine hohe Verfügbarkeit aufweisen. Ergänzt werden muss diese Technik durch Auswerteverfahren, die einerseits schnellstmöglich Schäden in wichtigen Bereichen der Struktur erkennen und andererseits dieses unmisverständlich anzeigen. Structural Health Monitoring - Systeme (SHM) dürfen nicht irren, ansonsten sind sie unbrauchbar, da sie ihren Zweck nicht erfüllen!

Moderne, neuartige Messtechnik für Rotorblätter

Messtechnik für den Einsatz in Rotorblättern muss vielen Ansprüchen genügen. Große Temperatur- und Luftfeuchtigekeitsunterschiede in kurzen zeitlichen Perioden, hohe dynamische mechanische Beanspruchung der Sensorik sowie eine blitzschlagempfindliche Umgebung bilden die grundlegenden Ansprüche an die Technik. Ungeachtet dieser erschwerenden Bedingungen wird eine minimale Messunsicherheit über einen langen Zeitraum der Verfügbarkeit vorausgesetzt.

Deflektionssensor

Für den Einsatz in Rotorblättern bzw. lang ausgedehnten Strukturen erscheint ein speziell von HBM entwickelter Deflektionssensor geeignet. Dieser Sensor ist durch seine Bauart absolut unempfindlich gegen Blitzschlagereignisse, die, auch wenn sie keine Schäden an der Struktur verursachen, in den meisten Fällen die verbaute Sensorik im Rotorblatt zerstören.
Der Sensor, der entweder während der Blattfertigung oder auch nachträglich in das Blatt eingebaut werden kann, arbeitet nach dem in Abbildung 1 dargestellten Prinzip.

Eine spezielle glasfaserverstärkte Kunststoffsaite (GFK) wird zwischen zwei Befestigungspunkten gespannt. Dabei ist ein Befestigungspunkt im Blattinneren angesiedelt und bildet den eigentlichen „Messpunkt“ (passive Sensoreinheit), der andere Befestigungspunkt befindet sich an der Blattwurzel und bildet den „messenden Punkt“, die aktive Sensoreinheit. Die Abbildung zeigt, dass sich der Hauptsteg des Blattes hervorragend für die Installation des Deflektionssensors eignet. Die Bewegungsamplitude des Blattes im Bereich des „Messpunkts“ verursacht eine Winkeländerung der GFK-Saite an der aktiven Sensoreinheit. Diese Winkeländerung wird über zwei orthogonal angeordnete Kraftaufnehmer in ein Deflektionssignal umgerechnet [1].

Die Empfindlichkeit des Sensors wird über die Spannung der Saite bestimmt, die mithilfe einer mechanischen Feder konstant gehalten wird. Der Sensor wird sowohl an der passiven als auch an der aktiven Seite an GFK-Patches befestigt, die an den Steg laminiert sind (siehe Abbildungen 4 und 5). Die aktive Einheit befindet sich derart dicht im Bereich der Rotornabe, dass ein ausreichender Blitzschutz vorhanden ist. Sämtliche Sensorteile weiter im Blatt sind nichtmetallisch und dementsprechend ungefährdet.

Abb. 3: Aktive Sensoreinheit des Deflektionssensors

Abb. 4: Befestigungspunkt im Blatt (Messpunkt)

Bei einem Abstand zwischen aktiver und passiver Sensoreinheit von 20m und einer Spannung der Saite von konstant 300N ergeben sich folgende relevanten Kennwerte des Deflektionssensors:

Abb. 5: HBM-Deflektionssensor mit eingebauten AEDs

Nicht-Linearität: < 0.1%
Temperaturkoeffizient des Nullsignales des Aufnehmers (TK0): < 3*10^-5/K
Temperaturkoeffizient des Kennwertes des Aufnehmers (TKC): < 3*10^-5/K
mpfindlichkeit: 20µm bei 20m Sensorlänge
Messbereich: ±200mm
Auflösung: 1:10⁴

Die Auswerteelektronik der Aufnehmer, die ebenfalls Forderungen nach extremer Langzeitstabilität genügt, weist einen entsprechenden Schutzgrad auch hinsichtlich der EMV-Festigkeit auf. Wie aus Abbildung 3 hervorgeht, sind diese Baugruppen direkt im Deflektionssensor verbaut. Die Signalkopplung zwischen digitaler Aufnehmerelektronik und Datenfunksystem erfolgt über eine digitale Schnittstelle und entspricht modernsten Standards.

Abb. 6: Optischer Dehnungssensor in Bragg-Gitter-Technologie

Dehnungssensorik

Als zweite Eingangsgröße zur Bewertung der strukturellen Integrität wird im hier beschriebenen Anwendungsfall die Dehnung, bzw. abgeleitet die mechanische Spannung benutzt. Seit Jahrzehnten sind Dehnungsessstreifen (DMS) für solche experimentellen Spannungsanalysen unverzichtbares Mittel [2].

Faseroptische Dehnungsmessstreifen eignen sich hervorragend für den Einsatz in Faserverbund-Rotorblättern, denn Im Unterschied zu elektrischen DMS besitzen sie bei Unempfindlichkeit gegenüber EMV oder Hochspannungseinfluss eine deutlich höhere Dauerschwingstabilität bzw. Lebensdauer, die den Dehnungsniveaus und Lastspielzahlen (Schadensakkumulationen) in Rotorblättern entgegenkommt.

Enorme technologische Fortschritte in der faseroptischen Technologie, insbesondere getrieben durch Bedarfe der Telekommunikation rücken auch Anwendungen von optischen Sensoren mit mikrostrukturierten Bereichen ins Blickfeld. Sogenannte Bragg-Gitter, Gebiete mit periodischen Schwankungen des optischen Brechungsindex im Kern der Kristallfaser ändern ihre Wellenlängeneigenschaften, wenn sie durch externe Belastungen beeinflusst werden [3]. Schematisch geht dies aus Abbildung 6 hervor. Das zur Messung beutzte Bragg-Gitter ändert die Wellenlänge des am Gitter reflektierten Spektrums infolge Dehnung.

Abb. 7: Optischer Linear-DMS und optische Rosette

Da optische Fasern gleichzeitig als Sensorelement und Übertragungsmedium für die Sensor-Signale fungieren, erwachsen zusätzliche Anwendervorteile hinsichtlich des Installationsaufwands, der Robustheit und Betriebssicherheit. Abbildung 7 zeigt handelsübliche optische DMS [4].

Das im folgenden beschriebene SHM-System nutzt ein Sensornetzwerk aus acht faseroptischen Dehnungssensoren (4 Temperaturkompensatoren) und zwei Deflektionssensoren. Die Signalauswertung erfolgt über ein hybrides Messsystem [5], das im Master-Slave-Prinzip mit einer Netzwerkstation per Paket-Datenfunk verbunden ist. Damit ist die Auswertung der Messdaten per Internetanbindung möglich und kann multivalent gestaltet werden.

Intelligente, neuartige Methodik zur Schadensfrüherkennung

Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Methodik eines Schadensfrüherkennungs- bzw. Monitoring-Systems sind nicht minder anspruchsvoll, verglichen mit den Anforderungen an die einzusetzende Messtechnik. Grundsätzlich gilt, dass Fehlalarme auszuschliessen sind. Stillstand infolge Reparatur- oder Wartungsarbeiten ist wirtschaftlich unrentabel und zu vermeiden. Darüber hinaus muss das System dem Betreiber ausreichend Zeit zur Reaktion auf einen Schaden lassen. Das bedeutet der Schaden muss früh genug erkannt und sein Gefährdungspotential ermittelt werden. Daraus muss resultieren, ob die Anlage sofort stillzulegen ist oder ob noch weitere Zeit für die Beobachtung zur Verfügung steht.

Bei dem vorgstellten Ansatz zur Schadensfrüherkennung handelt es sich um eine globale Methode des SHM. Das heißt das gesamte Rotorblatt wird mit einer minimalen Anzahl von Sensoren überwacht, die den globalen Zustand der Struktur erfassen. Die Sensoren arbeiten nicht mehr als Hotspot-Monitor, sondern werden im Verbund betrachtet [7, 8].

Dazu dient die „Proportionalitätsmethode“, eine Methode, die sich der Proportionaliät von maximaler Schwinggeschwindigkeit und maximaler dynamischer Dehnung bzw. Spannung während einer Eigenschwingung zu Nutze macht [6].

Diese beiden korrelierenden Messgrößen werden je nach angeregter Eigenschwingungsrichtung an definierten Orten der Blattstruktur erfasst und in Relation gesetzt. Die Schwinggeschwindigkeitsamplitude wird in diesem Fall aus dem Deflektionssignal differenziert. Der zu Beginn erfasste Referenzzustand der ungeschädigten Struktur mit dem Referenzfaktor p_System wird in der Folge immer wieder mit einem neu ermittelten Proportionalitätsfaktor p_System verglichen. Verlässt der beobachtete Proportionalitätsfaktor dauerhaft sein Ausgangsniveau, so ist dieses ein Indiz für einen beginnenden Schaden.

Der Proportionalitätsfaktor p_System ist ein Systemfaktor, der sämtliche Eigenschaften der Struktur, wie Materialeigenschaften, Lagerungsbedingungen, Querschnittsform usw. beinhaltet. Somit kann dieser Faktor sehr gut als Schadensindikator verwendet werden.

Abb. 8: Einzelkomponenten und Aufbau eines Rotorblattes mit eingesetzter Sensorik

Abb. 9: Seitenansicht der Hinterkante eines Rotorblattes - Implementierung eines wachsenden Schadens

Abb. 10: Veränderungen der Proportionalitätsfaktoren während Tests in Schlag- und Schwenkrichtung infolge Schädigung an der Hinterkante

Numerische Simulation mit Schadensapplikation

Das numerische Modell eines aktuellen Rotorblatttyps wurde verschiedenen typischen Schadensszenarien unterzogen, die während eines Ermüdungstests entstehen können. Hierbei ist nachwievor das Klebestellenversagen ein sehr wahrscheinlicher Schadensfall, der durch die extremen Belastungen über lange Zeiträume auftreten kann.

Der grundsätzliche Aufbau vieler moderner Rotorblätter zeigt, dass vor allem sog. Blind-Klebestellen potentielle Schadensorte darstellen. Dieses sind z.B. bestimmte Klebestellen der Stege, die während der Montage aufgrund ihrer Lage nicht mehr ausreichend auf Qualität geprüft werden können. Aber auch die Fügestellen der Ober- und Unterschale können unter den hohen dynamischen Belastungen versagen.

In das numerische Modell eines Rotorblattes wurden Schäden eingebaut, die mit einer virtuellen Sensorkonfiguration, wie sie auch im begleitenden realen Test verbaut wurde, erkannt werden sollen. Simuliert wird der Einsatz zweier Deflektionssensoren, die entlang der beiden Hauptstege verbaut sind sowie vier faseroptische Dehnungssensoren, die im Bereich der Blattwurzel die Längsdehnungen im 90° Abstand erfassen (siehe Abbildung 4).

Die Fügestellen der Hinterkante sind von besonderer Komplexität im Bereich der sog. Transition Plate. In diesem Bereich muss mithilfe dieses Bauteils ein Übergang zwischen Zylinderform des Blattanschluss an die Nabe und aerodynamischer Form des Rotorblatts geschaffen werden. Die Implementierung des Schadens „Fügestellenversagen“ wird dadurch realisiert, dass im Modell zwei übereinanderliegende Elementreihen der Schale angewählt werden und veränderte Eigenschaften erhalten. Die Eigenschaften des geschädigten Elements beinhalten vor allem einen stark verringerten E-Modul.

Im Folgenden wurde ein Fügestellenversagen an der Hinterkante des Rotorblattes, oberhalb der Transition Plate eingebaut, s. Abbildung 9. Dieser Schaden beginnt 7m entfernt von der Nabe mit einer Länge von 1m und wächst auf 3m an. Die Anregung des Blattes erfolgt wie beim realen Ermüdungstest jeweils separat in Schlag- und Schwenkrichtung.

Abbildung 10 zeigt die Veränderungen der beiden Proportionalitätsfaktoren infolge der zunehmenden Schädigung. Hierbei werden zwei unterschiedlich lange Deflektionssensoren simuliert, um herauszufinden, wie weit der Messpunkt im Rotorblatt positioniert werden muss. Es hat sich gezeigt, dass der optimale Ort ca. bei 2/3 der Blattlänge angesiedelt ist.

Es ist zu erkennen, dass der wachsende Schaden an der Hinterkante bei Betrachtung einer Bewegung in Schwenkrichtung des Blattes sehr viel stärkere Veränderungen der Proportionalitätsfaktoren erzeugt als die Beobachtung der Schlagrichtung. Es ist darüber hinaus klar zu erkennen, dass die Eigenfrequenz der jeweiligen Richtung sich kaum nenneswert verändert. Die Proportionalitätsmethode reagiert also sehr viel sensitiver auf strukturelle Veränderungen am Rotorblatt als die Eigenfrequenz.

Die Autoren:

Dr. Karl-Heinz Haase Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, in Darmstadt.

Dipl.-Ing. Stephan Zerbst Institut für Statik und Dynamik (ISD), Leibniz Universität Hannover

Dr.-Ing. Martin Knops REpower Systems AG

Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes Institut für Statik und Dynamik (ISD), Leibniz Universität Hannover

Windenergie

Opto-elektrische Interrogatoren

Literatur

[1] Patent pending PCT/EP 2008/000942
[2] Hoffmann, K.: Eine Einführung in die Technik des Messens mit Dehnungsmeßstreifen. Hottinger Baldwin Messtechnik, Darmstadt.
[3] VDI/VDE/GESA 2660: Experimentelle Strukturanalyse; optischer Dehnungssensor, basierend auf Faser-Bragg-Gitter. Grundlagen sowie Kenngrößen und deren Prüfung.
[4] Produktkatalog Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Experimentelle Spannungsanalyse.
[5] Haase, K.-H.: AIAS – Associazione Italiana per l‘analisi delle sollecitazioni XXXVIII Convegno nazionale, 2009, Politenico di Torino: Benefits of Using Fiber Optics Strain Gages in Experimental Stress Analysis.
[6] Gasch, R.: Eignung der Schwingungsmessung zur Ermittlung der dynamischen Beanspruchung in Bauteilen, Berlin 1968
[7] Zerbst, S.; Haake, G.; Reetz, J.; Lynch, J.; Rolfes, R.: Integral SHM-System for Offshore Wind Turbines using Smart Wireless Sensors, Proceedings of the 6th International Workshop of Structural Health Monitoring 2007, Volume 2, p. 1889-1896, San Francisco, Sept. 11-14, 2007.
[8] R. A. Swartz, J. P. Lynch, B. Sweetman, R. Rolfes and S. Zerbst: Structural Monitoring of Wind Turbines using Wireless Sensor Networks. To be published in Smart Structures and Systems, Techno Press.

Acknowledgements

The authors are grateful to the Bundesministerium für Umwelt und Reaktorsicherheit (BMU) (Federal Environment Ministry), and Projektträger Jülich (PTJ ) (Jülich Project Management) for their support in a combined research project.