Regenerosion an Rotorblättern effektiv vorbeugen

Das Fraunhofer IWES betreibt seit 2015 einen Regenerosionsprüfstand, um Schadensverläufe nachvollziehen und wirkungsvolle Schutzmaßnahmen ableiten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes „BeLeB“ soll ein Beitrag zur Entwicklung zuverlässiger Prognosemodelle für Erosionsschäden geleistet und auf den Anlagenbetrieb angewendet werden. Dies beinhaltet insbesondere auch die Bewertung von praxisrelevanten Reparaturkonzepten. Um diese Ziele zu erreichen, wird der Prüfstand für einen  durchgängigen Prüfbetrieb sowie eine exakte Schadensdokumentation mit hochaufgelösten 3D-Aufnahmen aufgerüstet. Zur Validierung werden Offshore-Betriebsdaten für einen Abgleich herangezogen.

Die Flügelspitze einer Windenergieanlage erreicht im Betrieb eine Geschwindigkeit von 300 bis 350 km/h, so dass Regentropfen und Verunreinigungen in der Luft wie Schmirgelpapier auf der Materialoberfläche wirken. Besonders stark beanspruchte Teile wie die Flügelvorderkanten werden daher mit speziellen Schutzsystemen wie Folien oder Lacken ausgestattet. Die Entwicklung und Validierung einer Methode zur beschleunigten Lebensdaueranalyse von Beschichtungssystemen trägt dazu bei, Anlagenstillständen und Ertragsverlusten vorzubeugen.

Zu diesem Zweck werden im Rahmen des Forschungsprojektes BeLeb (Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der Lebensdauer von Rotorblatt-Beschichtungen) Tests im Prüfstand des Fraunhofer IWES durchgeführt. Diese werden mit den Messdaten einer Langzeitstudie an ausgewählten Anlagen, an denen ein bestimmtes Beschichtungsmaterial zum Einsatz kommt, abgeglichen. Der Vergleich von Schädigungsverläufen im Prüfstand und Schadensdokumentationen von Offshore-Anlagen im Betrieb stellt dabei sicher, dass der Prüfstand so realistische Bedingungen wie nur möglich erzeugt und die Wirksamkeit von Schutzmechanismen daher zuverlässig in beschleunigten Zeiträumen abbilden kann. Auf dieser Basis können praxistaugliche Schutzmaßnahmen entwickelt werden.

Im Regenerosionsprüfstand werden Materialproben bei variabler Drehgeschwindigkeit, Tropfengröße, Wassermenge und Temperatur getestet. (Bild: Jan Meier)

Tropfeneinschlagsystem verbessert Schadensprognose

Im Regenerosionsprüfstand kann die Menge und Größe der Tropfen, ebenso wie der Zeitpunkt und die Häufigkeit ihres Aufschlags, exakt reguliert werden. Im dreijährigen Projekt BeLeB soll überdies ein Tropfeneinschlagssystem messen, wo genau die Tropfen aufprallen und welche Schädigungen sie dabei verursachen. Mithilfe einer CFD-Simulation wird dazu der gesamte Prüfstand nachgebildet. Zur Schadensdokumentation wird ein laserbasiertes Inspektionssystem und eine Highspeed-Kamera eingesetzt, um die Topologie der Probe sowie Schäden im Mikrometer-Bereich zu dokumentieren. Die Entwicklung eines adäquaten Material- und Schadensmodells soll die Vorgänge auf Materialebene besser nachvollziehbar zu machen. Beides ist für Materialzulieferer für die Rotorblattproduktion von hohem Interesse, um ihre Produkte den praktischen Anforderungen bestmöglich anzupassen.

Automatische Inspektion verkürzt Prüfdauer

Durch den Einsatz eines laserbasierten, automatischen Inspektionssystems wird ein durchgängiger Prüfbetrieb möglich. Der Durchsatz der Materialproben steigt, und verlässliche Ergebnisse können somit in kürzeren Prüfzeiten erzielt werden.

„Heutige automatische Inspektionssysteme in Regenerosionsprüfständen erlauben keine detaillierte Schadensbewertung und stoßen daher bei der Ableitung von zuverlässigen Schädigungsmodellen an ihre Grenzen. Im Projekt BeLeB werden wir unseren Prüfstand auf ein neues Level bringen, um  die Entwicklung eines verläßlichen Schädigungsmodells effektiv zu unterstützen,“ so Benjamin Buchholz, Projektleiter am Fraunhofer IWES.

Folienapplikation bewerten, Reparatur verbessern

Eine weitere verfahrenstechnische Verbesserung wollen die Projektpartner mit einer Ultraschall-basierten Methode zur Feststellung der Qualität bei der Folienaufbringung erreichen. Nur wenn sichergestellt ist, dass die Aufbringung exakt vorgenommen wurde, kann das Produkt seine volle Schutzwirkung entfalten. Auch der Reparaturvorgang im Feld wird untersucht, um Optimierungsansätze zu finden. Dazu werden geschädigte Materialproben in der Klimakammer unter Umweltbedingungen repariert und dabei verschiedene Vorgehensweisen verglichen.

Die Projektpartner wollen die Wirksamkeit bekannter Schutzmechanismen für Rotorblätter spürbar erhöhen. Davon versprechen sie sich eine Reduktion des Reparatur- und Wartungsaufwands. Damit wäre ein wichtiger Schritt für eine verbesserte Wirtschaftlichkeit und damit eine gesteigerte Wettbewerbsfähigkeit von Windenergie getan. Die Bereitstellung von wirkungsvollem Regenerosionsschutz ist nicht nur für Betreiber und Wartungsfirmen, sondern auch für Zulieferer von Schutzsystemen sowie Hersteller von Matrixharzen und Gelcoats von hohem Interesse.

• Partner: Blade Care, DWT, Fraunhofer IWES (Koordinator) Fraunhofer IZFP, FreiLacke, Jadewind, Nordex, Ocean Breeze, Senvion
• Laufzeit: 3 Jahre
• Budget: 2,38 Mio. EUR
• Förderkennzeichen: FKZ 41V7647

Bild oben: Schadensanalyse einer Materialprobe, die Regentropfen bei hoher Geschwindigkeit ausgesetzt war (Bild: Jan Meier)