Vingeafprøvning

Udmattelsestest af rotorblade

Videoen viser, hvordan et 32 m rotorblad bliver afprøvet for udmattelse ved at blive bøjet cyklisk i flapvis retning 5 millioner gange. En fuld flapvis afprøvning tager således ca. 3 måneder.

Hvis man ser nøjere på billedet, kan man se en anden (kortere) vindmøllevinge, som bøjes cyklisk i kantvis retning.

I begge tilfælde bøjes vingerne med en periode, der ca. svarer til rotorbladets egenfrekvens.

Egenfrekvensen er den frekvens, som bladet vil svinge med, hvis man skubber til det i en bestemt retning og derefter lader det svinge selv. Egenfrekvenserne er forskellige i flapvis og kantvis retning. Rotorblade er stivere i kantvis retning, dvs. de har en højere egenfrekvens for kantvis bøjning.

Hver vinge sættes i bevægelse ved hjælp af en elektromotor, som er monteret øverst på bladet og svinger en vægt op og ned. Fundamentet, som bærer soklen til vingen må nødvendigvis være meget solidt: Fundamentet til soklen til den store vinge består af 2.000 ton beton.

Denne video er optaget på vingeafprøvningscenteret i Sparkær ved Viborg, som er en del af forskningscenter Risø. (Kravene til typegodkendelse af vindmøllevinger er meget strenge i Danmark. Der kræves således en fysisk afprøvning af vindmøllevinger for både udmattelseslaster og ekstremlaster. Andre lande har i almindelighed mindre strenge krav til typegodkendelsen af rotorblade).

Materialer til rotorblade

Rotorblade fremstilles oftest ud fra en armering bestående af glasfibermåtter som imprægneres med et materiale som polyester (GRP = Glass fibre reinforced polyester), som efterfølgende hærdes. Epoxy kan bruges i stedet for polyester. Armeringen kan også helt eller delvis fremstilles af kulfiber, som er et lettere, men dyrere materiale med høj styrke. Træ/epoxylaminater benyttes også til store rotorblade.

Formålet med at afprøve rotorblade

Formålet med at afprøve vindmøllevinger er at godtgøre, at laminaterne er sikre, dvs., at lagene i bladet ikke skiller ad (delaminering). Afprøvningen bruges desuden til at kontrollere, at der ikke sker brud på fibrene under gentagen belastning (udmattelsesbelastning).

Måling af stræk

Strain gauges, (dvs. flade elektriske modstande, som limes på overfladen af vingerne under afprøvningen) bruges til at måle bøjningen og strækningen af vindmøllevingerne meget nøjagtigt.

Overvågning af udmattelsestest

Computer monitor Måleresultaterne fra disse strain gauges bliver konstant overvåget af computere. Ikke-lineære variationer i mønsteret af bøjninger kan afsløre skader på strukturen i rotorbladene.

Infrarød inspektion (termografi)

Infrarøde videokameraer bruges for at studere lokal opbygning af varme i vingen. Dette kan enten indikere et område med strukturdæmpning, dvs. et område, hvor vingekonstruktøren bevidst har udlagt fibre, der kan omsætte bøjningenergi til varme for at stabilisere bladet - eller det kan udpege et område, hvor der er ved at ske en delaminering eller et brud på fibrene.

Modalformer for vibrationer

Fra år 2000 omfatter test af rotorblade i Danmark også en måling af de forskellige modalformer for svingningerne i hvert rotorblad. Dette gøres ved at bruge en særlig type udstyr, som vibrerer bladene med forskellig frekvens i forskellige retninger.

Forskellige modalformer for svingninger kendes også fra konstruktionen af musikinstrumenter. En violinstreng kan svinge med sin grundtone dvs. dens midtpunkt svinger op og ned. Men den vil normalt også svinge med sin første overtone (første harmoniske) med to centre for svingningerne placeret 1/4 af strenglængden fra hver ende af strengen, idet svingningen sker med den dobbelte frekvens af grundtonen (egenfrekvensen).

Grunden til at vindmøllefabrikanter er interesserede i at studere og verificere de forskellige svingningsformer for vindmøllevinger er at de skal være sikre på, at den vindmølle, som vingen monteres på, ikke har nogle af de samme egenfrekvenser som rotorbladet. Ellers kan der optræde resonans i hele møllestrukturen, så der optræder udæmpede svingninger, som eventuelt kan komme ud af kontrol og ødelægge vindmøllen. Vi vender tilbage til dette emne på siden om strukturdynamik i designafsnittet senere i rundturen.

Statisk test af rotorblade

Rotorblade testes også for deres styrke (og dermed deres evne til at klare ekstremlaster) ved at blive bøjet med en meget stor kraft. Denne afprøvning laves efter bladene har været udsat for udmattelsesafprøvning for at sikre at bladets styrke er tilstrækkelig, selv efter mange driftstimer.