© 1997 DWIA
Hvad enten man bygger vindmøller eller helikoptere, må man tage hensyn til materialernes og hele konstruktionens styrke, dynamiske opførsel og udmattelseslaster.
Ekstremlaster (kræfter)
Vindmøller er bygget, så de fanger vindens kinetiske (bevægelses-) energi. Man kan derfor undre sig over, hvorfor moderne vindmøller ikke er bygget med mange vinger, ligesom de gamle “amerikanske” vindmøller, som man tit ser i westernfilm.
Vindmøller med mange eller meget brede vinger, dvs. vindmøller med en meget solid rotor, vil blive udsat for meget stærke kræfter, når vinden blæser med orkanstyrke. (Husk på, at energiindholdet i vinden varierer med 3. potens af vindhastigheden).
Vindmøllefabrikanter skal certificere, at deres vindmøller er bygget, så de kan modstå ekstreme vinde, som opstår i måske 10 minutter hver 50. år.
For at begrænse de ekstreme vindes påvirkning foretrækker vindmøllefabrikanter at bygge vindmøller med få, lange og smalle vinger.
For at kompensere for vindmøllevingernes lave areal, vælger fabrikanterne at lade rotoren dreje relativt hurtigt. Derfor kaldes den type møller også for “hurtigløbere”.
Udmattelseslaster (kræfter)
Vindmøller er udsat for skiftende vinde og dermed skiftende kræfter. Dette er specielt tilfældet, hvis de er placeret et sted med megen turbulens.
Komponenter, som er udsat for gentagne bøjninger såsom rotorblade, kan udvikle revner, som i sidste ende får dem til at knække. Et historisk eksempel er den store tyske Growian vindmølle (100 m rotordiameter), som måtte tages ud af drift efter mindre en tre ugers kørsel. Metaltræthed er et velkendt fænomen inden for mange industrier. Derfor bruges metal i almindelighed ikke som vingemateriale til vindmøller.
Når man designer en vindmølle, er det meget vigtigt på forhånd at beregne, hvor meget de enkelte komponenter vil vibrere både hver især og samlet. Det er også vigtigt at beregne de kræfter, som er involveret i hver enkelt bøjning eller strækning af en komponent.
Dette er emnet for strukturdynamik, hvor fysikere har udviklet matematiske computermodeller, der kan analysere hele vindmøllens opførsel.
Modellerne bruges af vindmøllefabrikanterne til at designe sikre maskiner.
Strukturdynamik: Et eksempel *)
Et 50 meter højt vindmølletårn vil have en tendens til at svinge frem og tilbage i f.eks. intervaller af 3 sekunder. Frekvensen som tårnet svinger med, er kendt som tårnets egenfrekvens. Egenfrekvensen afhænger både af tårnhøjden, vægtykkelsen, ståltypen og vægten af nacelle og rotor.
Hver gang et rotorblad rammer vindmølletårnets vindskygge, vil rotoren skubbe en lille smule mindre til tårnet.
Hvis rotoren har en omdrejningshastighed, der bevirker, at en vindmøllevinge passerer tårnet, hver gang tårnet er i en yderposition, så kan rotoren enten dæmpe eller forstærke tårnets svingninger.
Rotorbladene er i sig selv fleksible og har en tendens til at vibrere flapvis f.eks. en gang i sekundet. Som du kan se, er det meget vigtigt at kende egenfrekvensen for alle komponenterne for at konstruere en vindmølle, der ikke svinger ud af kontrol.
*) Et meget dramatisk eksempel på strukturdynamiske kræfter i arbejde under vindpåvirkning (udæmpede torsionssvingninger) er det berømte kollaps af Tacoma Bridge tæt ved Seattle i USA. Der findes et filmklip (700 k) fra ulykken på Internettet.