Kan et hammerslag afsløre, om en vindmølle er i fare for at styrte i havet?

Vindmøller holdes sammen af tusindvis af bolte, og det er vigtigt, de er strammet korrekt. De må hverken være for løse eller for stramme.

Begge dele kan lede til driftsvigt og i værste fald kollaps, som det for eksempel skete i 2015 i Lemnhult vindmøllepark i Sverige.

Her væltede en 129 meter høj landvindmølle efter kun tre års drift, fordi boltene ikke var stramme nok.

Løse bolte kan ikke holde vindmøllekomponenter ordentligt sammen, og for stramme bolte er i fare for at knække. Begge dele skal undgås.

Vindmølleindustrien bruger derfor mange kræfter og ressourcer på at sikre korrekt boltspænding, så vindmøller ikke styrter i havet.

Ét af problemerne er, at boltspændingsværktøjer er tunge, besværlige at bruge og ikke mindst upræcise. Oftest er det kun et fåtal af bolte, som løsner sig, men fordi man ikke kan risikere ulykker, efterspænder man mange flere end nødvendigt.

Hvad hvis man i stedet kunne bestemme boltspænding ved at give bolten et lille slag med en hammer? Så kunne man nøjes med at efterspænde de bolte, der faktisk har brug for det. Det er netop det, jeg forsøger at opnå med min forskning.

Men hvorfor skulle et hammerslag kunne bruges til noget? En løs og en stram bolt lyder simpelthen forskelligt, når man slår på dem. Og det har jeg udnyttet kvantitativt.

Hver bolt har sine egne toner

Når man slår direkte på en bolt, vil den vibrere, og det vil den gøre med sine egenfrekvenser. Egenfrekvenser er de toner, en bolt helst vil svinge ved. De afhænger af, hvor spændt bolten er, særligt de tværgående egenfrekvenser, hvor bolten svinger op og ned.

Det svarer lidt til at slå en tone an på en guitarstreng. Alt efter hvor stram strengen er, vil tonen være forskellig.

En bolts egenfrekvenser stiger, når bolten spændes, idet kontaktfladen mellem bolthovedet og den omkringliggende struktur gøres stivere, og fordi der trækkes i stålet (se her og her).

Jeg har fundet ud af, at svingningerne i en stram bolt vil vare i længere tid (de er mindre dæmpede), fordi kontaktfladen er fastspændt, så der er mindre friktion.

\ Læs mere

Hvorfor har vindmøller tre vinger?

En løs bolt har en kort, flad lyd

Hvordan hænger det sammen med lyden, man hører? Kling eller klonk kan det eksempelvis lyde, når man slår med en hammer.

Lyden er faktisk summen af en hel masse forskellige svingninger, med forskellige egenfrekvenser, der er dæmpet forskelligt.

Generelt vil en løs bolt give en kort, flad lyd, fordi de fleste egenfrekvenser er meget dæmpede, hvorimod en stram bolt vil give en mere længerevarende ringende lyd, fordi dæmpningen er lavere.

Lyden alene kan derfor indikere, at en bolt er meget løs, men den kan ikke afsløre, præcis hvor stram en bolt er.

Det har vi brug for tonerne (egenfrekvenserne) til. De stiger nemlig systematisk, når bolten spændes og er oplagte at bruge som mål for boltspænding.

Egenfrekvenserne rummer nøglen

Vi er dog stadig ikke i mål. Problemet er, at boltens egenfrekvenser er afhængige af boltens dimensioner og materialeegenskaber.

Vi har derfor brug for referenceværdier for samtlige typer af bolte (vi taler tusindevis) for at estimere boltspænding.

Det er upraktisk.

Jeg har derfor fået den idé at slå to gange på bolten. Ved det andet slag tilføjer jeg en lille ekstra vægt for enden af bolten. På den måde kan man måle en ændring i egenfrekvensen.

Det gør referenceværdier unødvendige.

Man kan forestille sig det sådan: En stram bolt sidder godt fast, og det er kun boltens skaft, imellem bolthoved og møtrik, der svinger.

Tilføjes der en ekstra lille møtrik for enden af bolten, ændrer det ikke noget. Ved en løs bolt, derimod, svinger møtrik og bolthoved med.

Tilføjes der yderligere vægt for enden af bolten, vil den også svinge med. Det sænker egenfrekvensen, og nu kan vi måle en ændring.

\ Læs mere

Vindmøller gavner fuglene mere, end de skader dem

Fra laboratorie ud i virkeligheden?

Jeg har tilpasset en matematisk model, så den kan forudsige en bolts egenfrekvenser. Modellen styres af flere parametre, blandt andet boltspænding.

Disse parametre er desværre ukendte, så det er her, mine målinger kommer i spil. Jeg regner ’baglæns’ og tilpasser parametrene, indtil modellen forudsiger de samme egenfrekvenser, som jeg har målt.

Når model og målinger stemmer overens, vil modellens bud på boltspændingen være meget nøjagtigt.

På nuværende tidspunkt er teknologien ikke i brug i industrien.

Indtil videre har jeg testet den i et laboratorium under kontrollerede forhold.

Før at det kan anvendes i virkeligheden, skal måleteknik og den matematiske algoritme testes på rigtige vindmøller og tilpasses virkelighedens mange udfordringer, såsom hvordan man skalerer konceptet op til store bolte eller håndterer påvirkning fra vindmøllestøj i målingerne.

Ikke desto mindre er der nu baggrund for at bruge en bolts toner i samspil med matematisk modellering til at estimere boltspænding med høj præcision.

Vibrationer er derfor meget mere end noget, som blot skal undgås – de kan potentielt bruges aktivt til at afsløre farlige situationer i vindmøller.

Mit ph.d.-projekt er støttet af Danmarks Frie Forskningsfond (DFF-6111-00385), og jeg har udført arbejdet på DTU Mekanik under hovedvejledning af lektor, dr. techn., Jon Juel Thomsen.

\ Læs mere

Vindmøllens historie: Sådan tæmmede danskerne vindens energi

\ Læs mere

Forskere: Millioner af landvindmøller i Europa kunne skabe mere strøm, end hele verden bruger