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Eine modifizierte Hinterkante mit Bürstenverlängerung – Modellkonfiguration mit Winglet
© DLR, mit Genehmigung DNW-NWB

„Schnappschuss“ des Schallfeldes aus 2-D-Simulation von Hinterkantengeräusch (unten). Exemplarische Quellkarte aus Array-Messung bei 2,5 kHz mit Linienquelle an der Hinterkante (oben links) und Vergleich gemessenes vs. simuliertes Geräuschspektrum (oben rechts)
© DLR

Schallquellen am Rotorblatt mit Grenzschichtströmung um ein Profil (Grenzschichtedicke stark überhöht)
© Blake, W.K., Mechanics of Flow Induced Sound and Vibration, Vol. II (1986)
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Passive Technologien zur Lärmminderung

Ein Ziel war, die Potenziale passiver Techniken an der Hinterkante weiter auszureizen. Hierzu zählen Hinterkantenzahnung (Serrations), luftfahrterprobte poröse Materialien und verschiedene Formen von Hinterkantenbürsten. Eingang in die Praxis hat bisher nur die Zahnung gefunden. Die Messungen der verschiedenen Modifikationen ergaben, dass das Potenzial zur Lärmminderung der einzelnen Techniken unter Idealbedingungen im Laborversuch frequenzabhängig zwischen 3 und 10 dB liegt. Die in den Tests besonders berücksichtigte Bürstenverlängerung kann über weite Betriebsbereiche ca. 6 dB erreichen.

Ansätze für die Praxis

Mit Abschluss des aerodynamischen und akustischen Messprogramms liegt nun eine einzigartige Datengrundlage vor. Durch die Kombination verschiedener Windkanalumgebungen und Messtechniken konnten die Parameterbereiche früherer Untersuchungen deutlich erweitert werden. Dies betrifft Strömungsgeschwindigkeiten (40 – 80 m/s), Blattanstellwinkel über weite Betriebsbereiche sowie die gültigen Frequenzbereiche der Akustikmessungen. Diese wurden durch Oberflächendruck- und Windkanalwaagenmessungen begleitet. Durch Wahl eines relativ kleinen Modellkörpers im größeren Windkanal konnte eine exzellente Datenqualität erzielt werden, die mit größeren Testobjekten nicht erreicht werden kann.

Die Daten werden nun genutzt, neue 3-D-CAA-Simulationsverfahren zu validieren. Da diese physikbasiert und nicht empirisch sind, ist eine Übertragung auf die Originalabmessungen durch die Simulationen am Rechner möglich. Eine in Braunschweig vorhandene, nicht empirische 2-D-Methodik zur Vorhersage von Hinterkantenlärm konnte im Projekt bereits erfolgreich validiert und entwurfsunterstützend angewendet werden. Das neue RoH-Profil erreichte im Windkanalversuch eine Geräuschminderung von 2 dB im Vergleich zur NACA-Referenz und bestätigte damit die Prognosen der Forscher. Ebenso ließen sich die erwarteten, verbesserten aerodynamischen Eigenschaften des Profils experimentell nachweisen.

Der Einsatz modifizierter Hinterkanten hat sich als eine noch wirksamere Methode zur Geräuschminderung erwiesen. Künftig ist es möglich, eine Rangfolge der Maßnahmen zu treffen. Im Projekt wurden erste 3-D-Simulationen der Schallabstrahlung von den verschiedenen Blattspitzengeometrien durchgeführt. Ein interessantes Ergebnis ist die sehr unterschiedliche Winkelabhängigkeit des Blattspitzengeräuschs im Falle der Winglets – ein Ergebnis der detaillierten Messungen des Fernfeldschalls für diese Komponenten. Zukünftig sollen 3-D Simulationsprogramme den Konstrukteur bereits in der Vorentwurfsphase unterstützen.

Die Braunschweiger Wissenschaftler planen eine Phase 2 des Projekts, in der sie gemeinsam mit Industriepartnern den äußeren Blattbereich einer bestehenden WEA modifizieren möchten. Je nach Anlagentyp und Designphilosophie sollen die jetzt positiv erprobten Simulationstechniken, die demonstrierten Fähigkeiten zum Profilneuentwurf sowie passive Minderungstechnologien zum Einsatz kommen. Unter typischen Standortbedingungen soll ein derart modifiziertes Blatt einer heutigen WEA mindestens 3 dB weniger Lärm aufweisen als das Ursprungsblatt. Dieses Ziel klingt bescheiden, entspricht aber einer technisch höchst anspruchsvollen Halbierung der Schallleistung.

Wind strömt übers Rotorblatt

Stark vereinfacht dargestellt, trifft der Wind mit unterschiedlichen Anströmwinkeln auf die Vorderkante des Blatts auf. Durch die Reibung des Luftstroms an der Oberfläche reduziert sich die Geschwindigkeit. Direkt an der Blattoberfläche beträgt sie Null. Diese “abgebremste” Luft heißt Grenzschicht und ist für den großen Teil der Lärmemissionen prägend.

Auf der ersten Teilstrecke über die Blattoberfläche verläuft die Grenzschichtströmung im Idealfall laminar, d. h., die einzelnen Luftteilchen bewegen sich parallel. Ab einem Umschlagpunkt, der von der geometrischen Gestaltung, den Druckverhältnissen und der Reibung abhängt, treten auf dem Weg zur Hinterkante immer stärkere Turbulenzen (Luftwirbel) auf und die Grenzschicht wird dicker. Am Ende löst sich der Luftstrom wieder vom Profil, was Verwirbelungen im Nachlauf einer WEA verursacht. Ziel der Konstrukteure ist, den Energiegehalt der Grenzschichtturbulenzen im Bereich der Hinterkante möglichst klein zu halten. Dies bedeutet u. a. auch, dass Strömungsablösungen vor der Hinterkante über möglichst große Betriebsbereiche der WEA zu vermeiden sind.

Projektinfo 08/2018:
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