Full-scale fatigue testing of a cast-iron wind turbine rotor shaft

Spheroidal graphite cast iron (EN-GJS), which provides a high degree of design flexibility and the possibility for lightweight design, has benefits as a material for use in structural parts in wind turbines. Comparing components made using the sand casting technique to those made using the chill casting process reveals significant potential to boost strength. However, at present, there is neither a proven design guideline nor reliable material input data for a lightweight component based on this material and fabrication process. This publication presents the results from the Gusswelleproject in chronological order. It starts with the explanation of the final setup and test plan for the full-scale rotor shaft fatigue experiment. The elaborated sensor and operational concept are then presented together with an adequate finite element method (FEM) model of the specimen and relevant neighboring components. The validation of this FEM model to ensure that the loading and the resulting local strains representing the real test bench situation is described. The usage of non-destructive testing to document the condition of the specimen from initial crack formation until integrity loss is explained followed by a comparison between the component fatigue test results and the material-based life-time forecast. A strength increase for chill-cast large components in the range of 50% is indicated. Simulation-based crack propagation studies are performed to qualitatively verify the loads responsible for the observed cracks of the component test and to further develop the possible method for crack predictions.

Gusseisen mit Kugelgraphit (EN-GJS) bietet durch seine großzügigen Gestaltungsmöglichkeiten ideale Voraussetzungen für den konstruktiven Leichtbau insbesondere im Bereich der Strukturkomponenten von Windenergieanlagen. Hierbei bietet das Kokillengießverfahren gegenüber dem traditionellen Sandgussverfahren ein erhebliches Potenzial zur Festigkeitssteigerung. Allerdings gibt es derzeit weder eine erprobte Konstruktionsrichtlinie noch verlässliche Materialeinsatzdaten für diese Kombination aus Anwendung, Werkstoff und Fertigungsverfahren. Die vorliegende Publikation stellt die Ergebnisse des Projektes Gusswelle in chronologischer Reihenfolge vor. Zu Beginn werden der realisierte Prüfaufbau und der Versuchsplan für den Ermüdungsversuch an der Rotorwelle in Originalgröße erläutert. Das ausgearbeitete Sensor- und Betriebskonzept wird zusammen mit einem adäquaten Finite-Elemente-Modell (FEM) des Versuchskörpers (Rotorhohlwelle) und der relevanten benachbarten Komponenten vorgestellt. Die Validierung dieses FEM-Modells, um sicherzustellen, dass die Belastung und die daraus resultierenden lokalen Dehnungen der realen Prüfstandssituation entsprechen, wird beschrieben. Der Einsatz von zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Dokumentation des Zustands der Probe von der anfänglichen Rissbildung bis zum Integritätsverlust wird erläutert, gefolgt von einem Vergleich zwischen den Ergebnissen der Bauteilermüdungsprüfung und der materialbasierten Lebensdauervorhersage. Weiterhin wird für im Kokillengießverfahren hergestellte Großbauteile eine Festigkeitssteigerung in der Größenordnung von 50 % nachgewiesen. Abschließend werden Ergebnisse simulationsbasierter Rissausbreitungsstudien, mit dem Ziel die beobachteten Rissausbildungen in Einklang mit der Belastungssituation zu bringen, vorgestellt.