Auswertung und Vergleich von Schwingungsmessdaten einer Forschungswindturbine auf Basis optischer und konventioneller Messtechniken

Resonanzprobleme in modernen Windkraftanlagen erfordern aufgrund der zunehmenden strukturellen Flexibilität eine genaue Analyse des dynamischen Gesamtverhaltens. Dafür kann die Operationelle Modalanalyse (OMA) genutzt werden, die natürliche Anregungsquellen verwendet, um die modalen Parameter - Eigenfrequenz, Dämpfungsgrad und Eigenvektor - zu bestimmen. Die vorliegende Arbeit überprüft und vergleicht das Potenzial von vorhandenen Schwingungsmessdaten unterschiedlicher Messtechniken zur Durchführung der OMA bei Windkraftanlagen. Weiterhin wird die Qualität der unterschiedlichen Verfahren zur stochastischen Systemidentifikation miteinander verglichen. Die Grundlage für diese Auswertung ist eine bereits durchgeführte Messkampagne an einer 600 kW Forschungswindturbine. Das Ergebnis zeigt, dass sich insbesondere die Daten des optischen Messsystems BladeVision dazu eignen, die modalen Parameter mit dem Zeitbereichsverfahren Stochastic Subspace Identification (SSI) abzuschätzen. Das BladeVision nutzt verbaute Reflektoren entlang der Spannweite im Inneren jedes Blattes, um die Verformung anhand von Kameras in der Blattwurzel zu erfassen. Insgesamt werden 13 Schwingungsformen in einem Frequenzbereich von 0 - 15 Hz bestimmt. Durch eine automatisierte Filterung der Datensätze mit vorgegebenen Randbedingungen wird zusätzlich der Einfluss der Umgebungstemperatur und der Windgeschwindigkeit auf die Eigenfrequenzen und Dämpfungsgrade untersucht

Application of time-periodic stochastic subspace identification on operating wind turbine rotor data

The stochastic subspace identification (SSI) algorithm is a robust-working method to identify mode shapes, eigenfrequencies and damping ratios from response time histories of linear time-invariant systems (LTI), which are operated under random excitation. In case of rotating substructures, e.g. wind turbine rotors, the periodic responses contain participation of several higher harmonics of the rotor speed. For such timeperiodic systems the modal analysis can be described by characteristic exponents called Floquet multipliers, which postulate periodic modal deformation except for the total amplitude (determined by damping ratio) after one period of revolution. The presented periodically expanded subspace algorithm (SSI-LTP) projects the system response from one period to the next. The algorithm is applied to the evaluation of simulated and experimental rotor blade deformation data of a wind turbine operating at different wind and rotor speeds, which were measured with a commercially available optical rotor blade deformation measurement system

German research wind farm WiValdi: Planning, installation and testing of innovative research instrumentation for six wind turbine rotor blades

Together with the partners from the German Research Alliance the German Aerospace Center is building the German research wind farm WiValdi (Wind Validation). The wind farm will consist of two standard wind turbines of type E-115 EP3 E4 and a smaller custom build research turbine. The setup of the wind farm is supported by national funding in the research project DFWind. Within DFWind the wind turbine rotor blade research instrumentation has been planned, installed during manufacturing and tested during rotor blade tests at IWES in Bremerhaven. The research instrumentation covers various fields of research from aeroelasticity, structural dynamics, structural health monitoring, vibroacoustic to loads and control. Different types of sensors and measurement systems have been integrated. The sensors vary from classical acceleration sensors over fiber optical acceleration, strain and temperature sensors to innovative continuous fiber optical strain sensors, ultrasonic sensor arrays and finally markers for digital image correlation from inside the blade and on the outer surface. The presentation will give insights in the sensor planning and testing, the instrumentation campaign during manufacturing process and the rotor blade tests before installation on the turbines