Rotorakustik
Entwicklung von Lärmvorhersagemodellen
Am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart wurden verschiedene Modelle zur effizienten Berechnung des Hinterkantenlärms entwickelt (Xnoise, XEnoise und Rnoise). Die Berechnungsergebnisse dieser Modelle wurden mit Messungen aus dem Laminarwindkanal des Instituts verglichen und es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung, was die Methoden zur aeroakustischen Analyse und zum Entwurf lärmarmer Profile qualifiziert. Die oben genannten Modelle sind im Programm IAGNoise, das über eine grafische Oberfläche verfügt, eingebaut.
IAGNoise wurde zudem für die Anwendung auf 3D Geometrien erweitert. Dazu wird das Rotorblatt in mehrere 2D Profilschnitte unterteilt. Der Gesamtlärm der Anlage wird dann durch Aufsummierung der Anteile der einzelnen 2D Schnitte unter Berücksichtigung des Dopplereffekts für vorgegebene Beobachterpositionen bestimmt.
Lärmreduktion
Akustischer Entwurf und Windkanal-Vermessung von Profilen
Die Lärmentwicklung ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von On-Shore Windenergieanlagen. Der entstehende Lärm beeinträchtigt die Akzeptanz von Windenergieanlagen in der Bevölkerung. Die strengen Lärmschutzregularien fordern ernsthafte Bemühungen der Betreiber zur Lärmreduktion. Der strömungsinduzierte Lärm ist dabei rechnerisch schwierig zu erfassen und zu reduzieren.
Messungen weisen darauf hin, dass der Hinterkantenlärm die dominierende Lärmquelle ist. Dieser entsteht durch Interaktion der Druckfluktuationen in der Grenzschicht mit der Hinterkante der Rotorblätter. Die Druckfluktuationen wiederum entstehen durch turbulente Strukturen in der Grenzschicht. Da der Zustand der Turbulenz in der Nähe der Hinterkante durch die Entwicklung der Grenzschicht und somit durch die Form der Druckverteilung im Profilschnitt bestimmt wird, ist es nahe liegend, dass der Hinterkantenlärm durch einen adäquaten Profilentwurf reduziert werden kann. Ziel dabei ist es, den Lärm zu verringern, möglichst bei gleichzeitiger Erhöhung der aerodynamischen Leistung.
Akustische Bewertung von Profilen und Rotoren
Hinterkantenlärm wird als die dominierende Lärmquelle moderner Windenergieanlagen angesehen. Er entsteht durch Interaktion der turbulenten Strukturen und der damit verbundenen Druckfluktuationen innerhalb der Grenzschicht mit der Hinterkante des Rotorblattes.
Da die Turbulenz in der Grenzschicht in der Nähe der Hinterkante durch die Entwicklung der Grenzschicht und damit durch die Druckverteilung auf dem Profil bestimmt wird, ist es verständlich, dass das Lärmspektrum von der Form der Rotorprofile beeinflusst wird. Basierend auf umfangreichen Erfahrungen in der Aerodynamik und Aeroakustik von Profilen analysiert das IAG unter Verwendung eigener Akustikmodelle Profile in Hinblick auf die Identifikation potentieller Lärmquellen bei gleichzeitiger Erarbeitung von Maßnahmen zu deren Reduktion.
Numerische Simulation und Windkanalmessung von passiven und aktivem Maßnahmen zur Lärmreduktion
Das Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart untersucht das Potential aktiver und passiver Maßnahmen zur Reduktion des strömungsinduzierten Lärms der Rotoren von Windenergieanlagen. Die erzielte Lärmreduktion kann zur Erhöhung der Akzeptanz von On-Shore Anlagen beitragen sowie über eine Erhöhung der möglichen Rotordrehzahl zu einer Leistungssteigerung künftiger Windturbinen genutzt werden.
Die Arbeiten in diesem Bereich konzentrieren sich auf die Reduktion des grenzschichtinduzierten Hinterkantenlärms, der die dominante Lärmquelle darstellt. Dabei kommen passive (Profilentwurf, Hinterkantenmodifikation) und aktive Maßnahmen (Absaugen, Ausblasen) zum Einsatz. Es zeigte sich unter anderem, dass durch konstante, flächige Absaugung eine erhebliche Lärmreduktion erzielt werden kann. Am IAG werden sowohl numerische als auch experimentelle Studien in diesem Bereich durchgeführt.
- ActiQuiet (aktive Maßnahmen zur Lärmreduktion von Windturbinen)
- INFLOW-Noise (Numerische und experimentelle Untersuchungen zu inflow noise und Hinterkantenlärm von Windturbinen)
- IEA Annex MexNext III (Validierung aerodynamischer und akustischer Berechnungsmodelle für Windturbinen)