Indirekte Charakterisierung lokaler Oberflächendefekte an Rotorblättern von Windenergieanlagen

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Avila Canellas; Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540652448

Die Vorderkante der Rotorblätter von Windenergieanlagen wird durch mechanische Einflüsse wie Regentropfen, Sandkörner oder Insekten stark beansprucht, und die resultierenden Erosionsschäden sowie Kontaminationen an der Oberfläche der Rotorblätter führen zu aerodynamischen Leistungsverlusten bis 25 % und frühzeitiger Materialermüdung. Deshalb wird eine Zustandsüberwachung der Rotorblätter mit einer frühzeitigen Detektion und Charakterisierung der initialen Oberflächendefekte an in Betrieb befindlichen Windenergieanlagen benötigt. Die von den Antragstellern verfolgte und im Rahmen der Vorarbeiten begründete Arbeitshypothese ist, dass bereits kleine überströmte Oberflächendefekte im Millimeterbereich charakteristische turbulente Strukturen induzieren, welche zu defektabhängigen, thermografisch messbaren thermischen Signaturen führen. Unser Ziel ist es hier, den Störeinfluss eines lokalen Defekts auf die Grenzschichtströmung als Messeffekt zu nutzen, und mit Hilfe der thermografischen Strömungsvisualisierung eine indirekte, berührungslose Messung der Defekteigenschaften Typ (additiv/subtraktiv), Größe, Form (Aspektverhältnis) und Position zu ermöglichen, insbesondere zur Charakterisierung beginnender Oberflächendefekte, die sich vom Boden aus bislang nicht auflösen lassen. Zur Realisierung des Messverfahrens sollen mit numerischen und experimentellen Methoden die strömungsmechanischen Wechselwirkungen zwischen den gesuchten Defekteigenschaften und den messbaren thermischen Signaturen erforscht, und darauf basierend ein inverses Messmodell erstellt werden. Die hierzu erforderliche Daten- und Wissensbasis wird mit einem großen Umfang an Experimenten mit thermographischen Messungen realisiert, sowie mit detaillierten Einblicken in die Strömungsphysik mittels direkter numerischer Simulationen der Nachlaufströmungsfelder. Beispielsweise werden die durch das Modell auflösbaren Parameterbereiche bestimmt, indem die thermografisch minimal auflösbare Elementhöhe und die Unterscheidbarkeit zwischen den Defekttypen sowie verschiedenen Defektaspektverhältnissen und -positionen untersucht wird. Zudem wird die über die Auswertung eines einzelnen Thermogramms hinausgehende Auswertung einer Thermogrammserie untersucht, und damit die ergänzende Bewertung von charakteristischen Strömungsfluktuationen. Im Ergebnis werden die mit dem indirekten Messansatz erreichbaren Messunsicherheiten bestimmt, sowohl für Windkanalmessung mit idealen Messbedingungen als auch für Freifeldmessungen an in Betrieb befindlichen Windenergieanlagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen