Browsing by Author "Jüngert, Anne"

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    Untersuchung von GFK-Bauteilen mit akustischen Verfahren am Beispiel der Rotorblätter von Windenergieanlagen
    (2010) Jüngert, Anne; Große, Christian (Prof. Dr.-Ing.)
    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.