Aerodynamik und Aeroakustik von Windturbinen

Rotoraerodynamik

Entwurf und Windkanalvermessung von Profilen

Die aerodynamischen Eigenschaften eines Rotorblattes und damit die Leistungsfähigkeit einer Windenergieanlage werden von der Auslegung der Profilschnitte maßgeblich mitbestimmt.

Das IAG hat eine langjährige Erfahrung in der aerodynamischen und akustischen Auslegung von Profilen für Windenergieanwendungen sowie der Bewertung von Profilen. Die Profile werden gezielt auf die spezifischen Anforderungen der betrachteten Anlage entwickelt. Eine Überprüfung der theoretischen Ergebnisse ist für den Unterschallbereich im Laminarwindkanal des Instituts möglich, der einen außergewöhnlich niedrigen Turbulenzgrad aufweist. Neben Polaren, Druckverteilungs- und Grenzschichtmessungen sind in diesem Kanal Messungen des Hinterkantenlärms unter Anwendung der so genannten CPV Methode möglich. Die dort durchgeführten umfangreichen experimentellen Untersuchungen kommen der Weiterentwicklung der Profilentwurfs- und Analyseverfahren zu Gute.

• Analyse, Entwurf und numerische Optimierung von Profilen
• Aeroakustischer Entwurf "leiser Profile"
• Verfahrensentwicklung
  • Grenzschichtmethoden, Umschlagsermittlung, Modellierung laminarer Ablöseblasen
  • Lärm-Vorhersagemodelle
  • Optimierungsverfahren
• Windkanalvermessung von Profilen
  • Bau von Windkanalmodellen
  • Aerodynamische Messungen (Polaren-, Grenzschicht- und Druckverteilungsmessungen)
  • Aeroakustische Messungen

CFD Simulationen zur Rotoraerodynamik und Nachlaufentwicklung und Interaktion mit atmosphärischen Grenzschichten

Die Untersuchung der Aerodynamik einer Windenergieanlage ist nicht nur wichtig zur Bestimmung der Leistung, sondern auch bei der Bestimmung von Lasten und Lastfluktuationen. Da die Größe und Leistung von Windenergieanlagen immer weiter zunehmen sind experimentelle Messungen oft nicht möglich oder zu teuer. Daher werden numerische Methoden verwendet um die aerodynamischen Eigenschaften der Windenergieanlagen zu untersuchen. Aus diesem Grund wurde am IAG eine hochgenaue, CFD-basierte Prozesskette entwickelt. Diese besteht aus einem Gittergenerator, der eine skriptbasierte, automatisierte Vernetzung der Geometrie ermöglicht, dem blockstrukturierten CFD Code FLOWer vom DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) und optional einem Mehrkörper Simulationsmodell für aeroelastische Simulationen.

Die atmosphärische Grenzschicht hat einen beträchtlichen Einfluss auf die Blatt-Aerodynamik. Daher wurde der verwendete CFD-Code mit einer instationären Einströmrandbedingung erweitert. Diese Randbedingung erlaubt die Simulation von instationären Atmosphärengrenzschichten. Dadurch ist es möglich Windenergieanlagen unter realitätsnahen atmosphärischen Bedingungen (Windgeschwindigkeiten, Dichte und Turbulenz) zu simulieren und die Wechselwirkung zwischen atmosphärischer Grenzschicht inklusive aufgelöster Turbulenz und der Anlage sowie deren Nachlauf zu berechnen.

Es existiert ein zunehmendes Interesse in der numerischen Simulation von instationären aerodynamischen Effekten und der Berechnung der Wechselwirkung des Nachlaufs mit der turbulenten Atmosphärengrenzschicht, um den Einfluss auf die Anströmbedingung für nachfolgende Anlagen, die Lasten und Lastfluktuationen zu bestimmen. Hierzu wird der Nachlauf fein aufgelöst und mit Verfahren höherer Ordnung berechnet.

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.

Akustischer Entwurf, Bewertung und Vermessung von Rotorprofilen

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.

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.

Passive und aktive Maßnahmen zur Lärmreduktion

Das IAG 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.