Today's largest class wind turbine rotor blades reach a length of more than 75 m. Testing fatigue strengths on full scale parts is dicult due to the dimensions of the parts and due to the complex load situations. For certication, only a quasi static strength test to a certain load limit or to the nal failure is required. The in-service strength is only accounted by calculations. For this reason, a test rig for conducting load tests on rotor blades with reduced dimensions was developed. Systematic fatigue tests for the validation and evaluation of a condition monitoring system were performed additionally.
The loads for the test rotor blade are calculated based on manufacturer's data considering the tare mass of the blade and aerodynamic ow around the blade tip. The results indicate a dominant strain in atwise load direction and a signicantly lower strain level in edgewise load direction. The determination of the inner stress and strain conditions for each structural component is based on the design loads considering the geometry, material data and the laminate structure of the original rotor blade. The inner structure is designed according to the original blade with a reduced number of layers using the original semi nished materials.
The induced loads are dimensioned to realise the required inner stress and strain conditions in the laminate of the test rotor blade. The internal structure consisting of two webs and four straps corresponds to the original rotor blade. The test rig allows inducing atwise and edgewise loads simultaneously and forced vibrations independently in two axis on the test rotor blade. The bending moment of the original rotor blade is reproduced suciently with three discrete forces in each atwise and edgewise direction in combination with a free moment to create a jump in the shear force curve. FBG sensors are appropriate to realise a condition monitoring system due to the minimally invasive application and the simple installation with a variety of FBG sensors in a single sensor ber. In comparison to FBG patches the structure-integrated sensors show a signicantly longer service life.

1 Einleitung 1

1.1 Stand der Technik 2

1.2 Zielsetzung 9

2 Stellvertreter-Prüfstand für Rotorblätter 13

2.1 Lastannahmen für das Originalrotorblatt 13

2.2 Betrachtung der Lastsituation am Rotorblatt 20

2.3 Strukturmechanisches Modell des Versuchsrotorblattes 21

      2.3.1 Denition der Schnittlasten 22

      2.3.2 Laminataufbau 27

      2.3.3 Kerndicken des Sandwich-Aufbaus 30

      2.3.4 Anfertigung des Versuchsrotorblattes 31

2.4 Beschreibung des Rotorblatt-Prüfstandes 34

      2.4.1 Lasteinleitung 34

      2.4.2 Prinzip der kinematischen Umkehr 37

      2.4.3 Meÿtechnik des Prüfstandes 37

      2.4.4 Sicherheitskonzept 38

      2.4.5 Gesamtübersicht des Prüfstandes 40

3 Faserbragg-Sensorik zur Zustandsüberwachung 45

3.1 Grundlagen der Faserbragg-Sensorik 45

      3.1.1 Funktionaler Aufbau 45

      3.1.2 Physikalisches Meÿprinzip 46

      3.1.3 Applikationsverfahren 47

3.2 Experimentelle Untersuchungen zum Applikationsverfahren 49

      3.2.1 Druckfestigkeitsuntersuchungen 50

      3.2.2 Dauerfestigkeitsuntersuchungen mit FBG-Patches und strukturintegrierten FBG-Fasern 52

      3.2.3 Temperaturkompensation 57

3.3 Applikation im Original- und Versuchsrotorblatt 59

      3.3.1 Applikation im Originalbauteil 59

      3.3.2 Applikation im Versuchsrotorblatt 61

4 FEM-Analyse des Versuchsrotorblattes 65

4.1 Einführung und Grundlagen der Finite-Elemente-Methode 65

4.2 Modellierung des Versuchsrotorblattes 67

4.3 Einbringung realitätsnaher Bauteilschäden 69

      4.3.1 Delamination der Blatthinterkante 69

      4.3.2 Querriÿ in der Blattschale 70

4.4 Numerische Modalanalyse 70

4.5 Statische Analyse 78

5 Experimentelle Untersuchungen am Versuchsrotorblatt 83

5.1 Übersicht der Versuche 83

5.2 Erstellung eines repräsentativen Lastkollektivs 83

5.3 Einstufenversuche 85

      5.3.1 Einstufenversuche mit Nennlast 85

      5.3.2 Einstufenversuche mit 50a-Böenlast 87

5.4 Mehrstufenversuche mit Lastkollektiv 90

5.5 Experimentelle Modalanalyse 90

      5.5.1 Grundlagen zum Meÿverfahren 90

      5.5.2 Meÿplan der Geophone 92

      5.5.3 Messergebnisse der Eigenfrequenzanalyse 93

      5.5.4 Messergebnisse der Eigenformanalyse 95

6 Diskussion der Ergebnisse 97

6.1 Dehnungsmessungen am Originalrotorblatt 97

6.2 Möglichkeiten der Schadensidentikation 100

      6.2.1 Analyse der Dehnungsmessungen 100

      6.2.2 FFT bei Lastkollektiv-Anregung 101

      6.2.3 Eigenfrequenzverschiebungen 102

      6.2.4 Identikation der Lastanteile der Lastrichtungen 105

7 Ausblick 109

8 Zusammenfassung 111

Literaturverzeichnis 115

Anhang 121

A Fertigungsplan des Versuchsrotorblattes 121

B Darstellung der numerisch berechneten Eigenformen des Versuchsrotorblattes 128

C Darstellung der gemessenen Eigenformen des Versuchsrotorblattes 134

中国计量科学院文献馆