Schwingungsanalyse Lebensdauer verlängern und Emissionen reduzieren

Redakteur: Jan Vollmuth

Forscher des Fraunhofer LBF untersuchen an einer Kleinwindanlage schädliche Vibrationen an Windkraftanlagen, um zu klären, mit welchen Maßnahmen sich diese am wirksamsten reduzieren lassen.

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Kleinwindanlage bestückt mit Sensoren
Kleinwindanlage bestückt mit Sensoren
(Bild: Fraunhofer LBF)

Bei der Energieausbeute wollen die Hersteller von Windkraftanlagen hoch hinaus, aber auch bei der Sicherheit der rotierenden Stromproduzenten ist noch Luft nach oben. Insbesondere Schwingungen aus dem Betrieb und durch das Wetter setzen den exponierten Energiemühlen zu. Mit Versuchen an einer Kleinwindanlage hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF am LOEWE-Zentrum AdRIA ein neues Projekt mit dem Ziel gestartet, die Konstruktion von Windkraftanlagen sicherer zu machen. Dazu werden die Schwingungen der Anlage analysiert, um zu klären, mit welchen Maßnahmen sich diese am wirksamsten reduzieren lassen.

Hersteller von Windkraftanlagen sind mit verschiedenen Schadensbildern konfrontiert, die auf schädliche Vibrationen zurückzuführen sind. Daher setzen sie bereits während der Entwicklung darauf, die Anlagen möglichst schwingungsarm zu konstruieren. Das Fraunhofer LBF bietet im Gegensatz dazu zusätzliche Schwingungsreduktionsmaßnahmen an. Aktive Maßnahmen leiten mit einer Aktorik zusätzliche Kräfte ein, um die in einer Struktur vorhandenen Schwingungen zu kompensieren. Diese Maßnahmen können die Lebensdauer verlängern und die an die Umgebung abgegebenen Emissionen gering halten.

Bereits vorhandene Technologien weiterentwickeln

Um die bereits in verschiedenen Projekten umgesetzten Technologien für den Einsatz in Windenergieanlagen weiterentwickeln zu können, hat das Fraunhofer LBF eine Kleinwindanlage auf einem der Institutsgebäude in Darmstadt installiert. Die Firma Gödecke Energie- und Antriebstechnik, ein Hersteller mit über 20 Jahren Marktpräsenz, stellte dem Institut das Modell AeroCraft 752 für die Versuche zur Verfügung.

Im Rahmen des vom Land Hessen geförderten Projekts LOEWE Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz konnte das Fraunhofer LBF seine Expertise zur aktiven und passiven Schwingungsminderung am Zentrum AdRIA (Adaptronik – Research, Innovation, Application) stark erweitern und neue Technologien erproben, die jetzt auch für die Windkraft eingesetzt werden sollen.

Ziel: Aktor aufbauen und testen

In einem ersten Schritt führen die Wissenschaftler an der Windkraftanlage 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. Anhand des Modells kann beispielsweise der Schwingweg des Mastes errechnet werden, wenn eine Windbelastung auf ein oder mehrere Rotorblätter wirkt. Umgekehrt kann auch die anregende Windlast errechnet werden, wenn die Schwingung des Mastes bekannt ist.

In einem zweiten Schritt wird deshalb ein Beschleunigungssensor an der Spitze des Mastes platziert, um die Schwingungsamplituden des Mastes in Langzeitmessungen im Betrieb zu messen. Daraus wird die Windanregung bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und Rotordrehzahlen bestimmt. Anhand der Ergebnisse können die Forscher Aussagen darüber treffen, wie ein geeigneter Aktor zu dimensionieren ist, um ausreichend Gegenkräfte zur Schwingungsreduktion in die Struktur einleiten zu können. Das Ganze dient dem Ziel, einen solchen Aktor aufzubauen und zu testen.

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