Untersuchung von GFK-Bauteilen mit akustischen Verfahren am Beispiel der Rotorblätter von Windenergieanlagen

Abstract

Im Hinblick auf den Klimawandel und die endlichen Reserven fossiler Rohstoffe kombiniert mit der wachsenden Energienachfrage, gewinnt die Nutzung erneuerbarer Energien an Bedeutung. Die Europäische Union hat beschlossen, die Treibhausgase um 20 Prozent zu reduzieren und den Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch bis 2020 auf 20 Prozent zu erhöhen. In Deutschland und Mitteleuropa wird vor allem die Windenergienutzung eine große Rolle spielen. Die Nutzung der Windenergie hat eine lange Tradition. Windkraft wird zum segeln, Wasser pumpen und Korn malen seit Jahrhunderten verwendet. Die ersten Windmühlen zur Stromerzeugung wurden im 19. Jahrhundert gebaut. Moderne Windkraftanlagen nutzen den Auftrieb um Windenergie in elektrische Energie umzuwandeln und existieren seit dem frühen 20. Jahrhundert. Üblicherweise haben moderne Windenergieanlagen drei aerodynamisch geformte Rotorblätter. Windenergieanlagen sind großen Kräften ausgesetz. Verschleiß tritt an Maschinenteilen, der Gondel, dem Turm und den Rotorblättern auf. Alle diese Teile müssen regelmäßig überprüft werden. Obwohl Unfälle an Windkraftanlagen sehr selten sind, ist immer ein großer finanzieller Schaden damit verbunden. Um Ausfallzeiten zu verringern, ist der Einsatz moderner Prüftechniken sinnvoll. Rotorblätter von Windkraftanlagen bestehen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) und Leichtbaumaterialien wie Kunststoffschäumen oder Holz. Sie werden alle zwei bis vier Jahren von Sachverständigen begutachtet. Diese Untersuchungen sind auf Sichtprüfungen und einfache Klopfprüfungen beschränkt. Mit zerstörungsfreien Prüfmethoden können Schädigungen in den Rotorblättern bereits in einem frühen Stadium erkannt werden. Zerstörungsfreie Prüfungen an GFK sind in der Luft- und Raumfahrttechnik gängige Praxis. Leider können etablierte Techniken nicht unmittelbar auf die Nutzung an Rotorblättern übertragen werden. Darüber hinaus sind Schäden in Rotorblättern andersartig. Rotorblätter werden in Halbschalenbauweise gefertigt. Die Verklebungsbereiche sind sicherheitsrelevant und können nicht visuell von außen geprüft werden. Darüber hinaus können Delaminationen der unterschiedlichen Schichten im gesamten Blatt durch Erosion oder durch Ausbreitung von Vorschädigungen auftreten. In dieser Arbeit werden zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren vorgestellt, die Schall- und Ultraschallwellen verwenden. Das erste Verfahren ist das Ultraschall-Echo-Verfahren, das auch für die Schadensdetektion in Metallen oder Beton Anwendung findet. Der Einsatz an GFK erfordert spezielle Anpassungen. Aufgrund der Faserlagen werden die Ultraschallwellen im Material stark gestreut und gedämpft. Daher ist die Verwendung von niederfrequenten Ultraschallwandlern sinnvoll. Mit einem energiereichen Ultraschallimpuls können mehrere Zentimeter GFK durchdrungen und Schäden detektiert werden. Insbesondere die Verklebungen können mit diesem Verfahren geprüft werden. In dieser Arbeit werden die Unterschiede zwischen verschiedenen Ultraschallsensoren aufgezeigt. Ein trockener Ankopplung der Sensoren ist ein Vorteil beim Einsatz an Rotorblättern von Windenergieanlagen.Der Energieverlust durch eine trockenen Ankopplung im Vergleich zur Nassankopplungen wird in dieser Arbeit quantifiziert. Das Ultraschall-Echo-Verfahren wird an Rotorblattprobestücken und an einem kompletten Rotorblatt angewandt. Es wird deutlich, dass die Verklebungsbereiche detektiert und bewertet werden können. Schließlich wird das Messsystem mit einem automatisierten Prüfsystem verknüpft. Zur Detektion von oberflächennahen Delaminationen und Luftblasen wurde ein zweites Verfahren angewandt. Aus einfachen Klopfprüfungen wurde die sogenannte lokale Resonanzspektroskopie weiterentwickelt. Mit einem instrumentierten Impulshammer wird die Oberfläche abgeklopft und der erzeugte Klang mit einem Mikrofon aufgezeichnet. Aufgrund der Anregung beginnt die Struktur zu schwingen und ein Klang wird erzeugt. Dieser Klang hängt von der Kontaktsteifigkeit zwischen der Struktur und den Hammer ab. Eine Materialänderung bewirkt eine Änderung in der Kontaktsteifigkeit und somit eine Veränderung des erzeugten Klangs. Die Änderung kann über das Frequenzspektren der Mikrofondaten dargestellt werden. Darüberhinaus ist es möglich, die Anregungskraft und -dauer des Hammer auf der Oberfläche aufzeichnen. Eine Änderung der Kontaktsteifigkeit, bewirkt auch eine Änderung der Kontaktzeit. Dies liefert zusätzliche Informationen über den Zustand des Materials. Das Verahren ist sehr einfach anzuwenden und das Messystem ist klein, so dass es von Experten, auch beim Abseilen von der Rotornabe mitgeführt werden kann. Beide Verfahren werden verglichen und die Stärken und Schwächen werden in dieser Arbeit diskutiert. Abschließend wird ein Ausblick zur weiteren Verwendung der Verfahern, sowohl manuell als auch automatisiert, gegeben.

Facing the climate change and the limited supplies of fossile fuels combined with the growing energy demand, the use of renewable energy sources gains in importance. The European Union has decided to reduce greenhouse gases by 20 percent and to increase the rate of renewables at the overall energy consumption to 20 percent by 2020. In Germany and Central Europe especially the use of wind energy will play a major role. The use of wind energy has a long tradition. Wind power is used for sailing, water pumps and mills for centuries. The first windmills for electricity generation were built in the 19th century. Modern wind turbines use buoyancy to convert wind energy into electric energy and are used since the early 20th century. Nowadays common wind energy plants have three aerodynamicly shaped turbine blades. Wind energy plants have to withstand great forces. The abrasion affects the machine parts of the nacelle, the tower and the turbine blades. All these parts have to be inspected at regular intervals. Although accidents at wind energy plants are quite rare and generally no persons get injured, a great financial loss is linked to every failure. To reduce down-times the use of advanced inspection techniques is preferable. Wind turbine blades are mainly built from glass fiber reinforced plastics (FRP) and sandwich-compounds containing plastic foams or wood. The blades have to be inspected every two to four years by experts. These surveys are limited to visual insepctions and simple tapping tests. The use of non-destructive testing techniques can help to detect damages which are not visible at the surface at an early stage and avoid blade breakdowns. Non-destructive testing at FRP is common in aerospace industries. Unfortunately the material thicknesses and qualities in aerospace industries are different and therefore the established techniques can't bei transfered directly to the use at wind turbine blades. Furthermore, damages in wind turbine blades are multifaceted. The blades commonly are manufactured as two halves and glued together afterwards. The bonding areas are critical areas and can't be inspected from outside the blade. Moreover, delaminations of fiber layers or sandwich layers can arise in the whole blade due to abrasion or previous smaller damages. In this thesis two non-destructive testing techniques using sonic and ultrasonic waves are presented. The first technique is the ultrasound-echo techniques, which is well established for damage detection in metals or concrete. The use at FRP required special adaptions. Due to the fiber layers within the material, ultrasonic waves are highly scattered and damped. Therefore the use of low frequnency ultrasonic transducers is sensible. Combined with a high energy ultrasonic pulse, several centimeters of GFRP can be penetrated and damages can be detected. Especially the bonding areas can be inspected using this technique. In this thesis the differences between ultrasonic transducers is shown. A dry coupling of ultrasonic transducers is an advantage for the use at wind turbine blades. A technique for a dry coupling is shown in this thesis. The energy loss due to the dry coupling compared to a wet coupling is quantified. The ultrasound-echo techniques then is applied to small turbine blade pieces and to a entire blade. It is shown, that the bonding areas can be detected and evaluated. Finally the measurement equipment is linked to an automated system. Measurements can take place without the direct presence of an expert. For the detection of near-surface delaminations and air bubbles a second technique was developed. Based on the common simple tapping tests, the so-called local resonance spectroscopy was applied. Using a special impact hammer, the surface is tapped and the excited sound is recorded by a microphone. Due to the impact the structure starts to vibrate and a sound is generated. The sound depends on the contact stiffness between the structure and the hammer. A material change causes a change in contact stiffness and therefore a change in the excited sound. The change can be visualized using the frequency spectra of the microphone data. Furthermore it is possible to record the contact force and contact time of hammer and surface. A change in contact stiffness also causes a change in contact time. This provides additional information about the health of the structure. The technique is very simple to apply and the equipment is small, so it can be carried by experts even when they are roping from the nacelle to inspect the turbine blades. Both techniques are compared and the strengths and weaknesses of the techniques are discussed in this thesis. Finally an outlook concerning the application at wind turbine blades as manual an automated techniques is given.