Das Ziel dieses Projektes ist, die von Windkraftanlagen ausgehenden Schall- und Erschütterungsemissionen besser zu verstehen. Diese Emissionen spielen eine wichtige Rolle bei der Entscheidung darüber, an welchen Standorten Windkraftanlagen aufgebaut werden dürfen. Da Gesundheit oder Lebensqualität der Menschen, die in der Nähe von Anlagen wohnen, beeinträchtigt werden können, ist es wichtig die Emissionen besser zu verstehen, um die Akzeptanz der Anlagen zu erhöhen. Weiterhin sollten die Ergebnisse dieses Projektes helfen, neue Lösungen für die Reduktion der Emissionen zu finden, die von der Industrie umgesetzt werden können. Der Beitrag der TU München zu diesem Projekt wird die Entwicklung der Simulation der Schallemissionen sein. Insgesamt wird das geplante Projekt die Vernetzung der deutschen Windenergieforschung fördern und die Verwertungsaussichten, einschließlich der Schutzrechtssituation für die deutsche Windenergieindustrie, weiter verbessern. Im Projekt wird die TUM die Ffowcs-Williams-Hawkings (FW-H) Methode verwenden, um die Schallemissionen der Windkraftanlagen zu berechnen. Die auf FW-H Methode basierte Simulation wird mit den Windkraftanlagesimulationen von USTUTT-SWE und USTUTT-IAG gekoppelt. Das Projekt besteht aus drei Phasen: Phase 1: Die Struktur der FW-H Simulation und die erforderlichen Eingaben werden definiert. Weiterhin wird ein angemessenes Interface zwischen FW-H und den Windkraftanlagesimulationen entwickelt. Phase 2: Die FW-H Simulation wird entwickelt. Die Angaben von Blatt-Oberfläche-Druck und Blattnahfeld werden verwendet, um die Schallemissionen zu berechnen. Um die Genauigkeit der entwickelten FW-H Methode zu erhöhen, wird auf den Messungen basierend, eine Kalibrierungsmethode entwickelt. Phase 3: Die entwickelte FW-H Methode wird verwendet, um die Schallemissionen für repräsentative Betriebsbedingungen, einschließlich turbulenter Windanströmung, zu berechnen. Eine statistische Abhandlung der Simulationsergebnisse wird durchgeführt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Beurteilung einer Methode zur Minderung des werkzeugbedingten Lärms mittels der im Drehbereich eines schnell rotierenden Werkzeugs zusätzlich eingeleiteten Luftmengen. Die durchgeführten Untersuchungen umfassten als erstes eine gründliche Recherche der messtechnischen und rechnergestützten Möglichkeiten zur Ermittlung der Strömungsverhältnisse der umgebenden Luft bei rotierenden Systemen wie z.B. Turbinen, Lüfter, Rotoren und spanenden Werkzeugen. Unter Bezugnahme auf die wesentlichen Aspekte am Markt vorhandener Simulationsprogramme wurde eine auf strömungstechnische Anwendungen hin gerichtete Auswahl von Software-tools zur numerischen Simulation und Visualisierung durchgeführt. Dadurch konnten die spezifischen Luftströmungs- und Akustikparameter numerisch prognostiziert und Strömungsfelder in der Nähe schnell rotierender Werkzeuge visualisiert werden. Während des Projektablaufs wurden typische Zerspanungswerkzeuge hinsichtlich der Entstehung von turbulenten Luftströmungen analysiert und einige davon experimentell untersucht. Als beispielhafte Repräsentanten wichtiger Werkzeuggruppen wurden massive Hobelmesserköpfe und Kreissägeblätter verwendet. Um die akustischen Parameter und das mögliche Lärmminderungspotenzial der neuen Methode bei diesen Werkzeugen messtechnisch korrekt zu erforschen, wurde ein Rotationsprüfstand mit laufruhigem Spindelantrieb und universeller Werkzeugaufnahme entwickelt und in Betrieb genommen. Der Prüfstand wurde bei den experimentellen Untersuchungen eingesetzt. Zur Durchführung der betriebsbezogenen Versuche wurde eine Fräsmaschine mit Düsensystem ausgerüstet und im Schallmessraum der Klasse 1 des Instituts aufgebaut. Das Luftdüsensystem wurde zur Durchführung von betriebsnahen Untersuchungen bzw. zur Beurteilung der Schallminderungsmethode angepasst und an der Versuchsmaschine angebracht. Dafür wurden ausgewählte Luftdüsen hinsichtlich ihrer Luftstrahlgeschwindigkeit, Blasmuster und Schallemission verwendet. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen eine deutliche Senkung des Schallpegelparameters LAeq bis zu 8 dB bei der Anwendung von z.B. massiven Hobelwerkzeugen und dem gleichzeitigen Einsatz von zwei Düsen. Es wurde festgestellt, dass sowohl das Leerlauf- und werkstückbedingte Geräusch mit dem entwickelten Düsensystem effektiv bekämpft werden kann. Weiterhin ist es gelungen, die zweckmäßigen Luftdüsenkombinationen für die untersuchten Hobelmesserwerkzeuge zu finden, die bestmöglichen Düsenpositionen für diesen Werkzeugtyp festzustellen sowie eine Definition der minimal benötigten Luftdruckmengen für eine effiziente Schallsenkung zu treffen. Da das Düsensystem effektiv bei geringen Luftdruckwerten eingesetzt werden kann und einen niedrigen Luftverbrauch aufweist, kann die entwickelte Lärmminderungsmethode als wirtschaftlich anerkannt und für eine weitere, breitere industrielle Anwendung - auch bei anderen Maschinen- und Werkzeugtypen - empfohle
Durch den Einsatz von Wärmepumpen in Wäschetrocknern wird der Energieverbrauch gegenüber konventionellen Wäschetrocknern signifikant reduziert. Eine weitere Verbreitung wird durch deren höheres Geräuschniveau erschwert, welches durch den prinzipiell erhöhten Strömungswiderstand und den höheren Volumenstrom für den Wärmepumpen-Prozess bedingt ist. Für die Vorhersage und Optimierung der Strömungsgeräusche stehen derzeit keine geeigneten Methoden zur Verfügung. Im Rahmen von HELNOISE sollen entsprechende Werkzeuge für Wärmepumpentrockner, speziell für die Luftführung und den neuen Ventilator, weiterentwickelt werden. Ziel ist es, Radiallüfter und Luftführungen zu entwickeln, die im Hinblick auf die Gesamtakustik und den Energieverbrauch optimiert sind. Hierzu sollen die folgenden Arbeiten durchgeführt werden. Unter Berücksichtigung der Aeroakustik werden verschiedene hoch-effiziente Radiallüfter entworfen und die Kennlinien mit Hilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD) berechnet. Darauf basierend werden die für die Akustik entscheidenden instationären Strömungsfelder berechnet (Arbeitsgruppe Strömungssimulation von Prof. Frank, HTW, Teilprojekt A). Verschiedene hochauflösende, experimentelle Methoden dienen zur Validierung der numerischen Ergebnisse. Diese Datensätze der instationären Druckschwankungen bilden die Rechenbasis, mit deren Hilfe die Schallabstrahlung von Ventilatoren in das akustische Fernfeld vorherbestimmt werden kann (Arbeitsgruppe Akustiksimulation von Prof. Ochmann, Beuth, Teilprojekt B). Hierfür werden die Randdaten der Geschwindigkeit und des Druckes auf einer die Strömungsmaschine umgebenden Hüllfläche bestimmt und als Eingabedaten für ein Randelementeverfahren (Boundary Element Method, BEM) verwendet. Als integrale Optimierungsgröße wird die abgestrahlte Schallleistung berechnet. Die gemeinsam erzielten Ergebnisse werden an einem realen Lüfter-Prototypen experimentell überprüft, die Methoden validiert und das Gesamtsystem optimiert.
In dem beantragten Vorhaben sollen die Emissionen von Erschütterungen und Infraschall von Windenergieanlagen modelliert und verstanden werden. Dazu wird ein Mehrkörpersimulationsmodell des Triebstrangs einer Windenergieanlage entwickelt, um den Transfer von Vibrationen zu erkennen. Ein Schwerpunkt liegt in der Entwicklung eines rheologischen Modells der Elastomerlager zur Triebstrangentkopplung. Des Weiteren ist geplant die Emissionen von Windenergieanlagen zu reduzieren. Dazu werden Empfehlungen abgegeben wie der Lastpfad verändert werden kann, um die Vibrationen die für eine Emission von Infraschall und Erschütterungen ursächlich sind gezielt zu dämpfen. Dieses Teilvorhaben bearbeitet insbesondere 4 Teil-Arbeitspakete. Im Teil-AP A2.2 wird die Modellierung der Triebstrangkomponenten der Referenz-Windenergieanlage inklusive elastischer Kopplungselemente vorgenommen. Teil-AP D1.3 widmet sich der Ermittlung des notwendigen und hinreichenden Detaillierungsgrads des MKS-Modells des Triebstrangs. Im Teil-AP D2.2 wird eine Optimierung der Triebstrang-Lagerung erarbeitet. Zudem werden Modellierungs- und Auslegungshinweise hinsichtlich der Triebstrangkomponenten abgegeben (AP D4).
Das Konsortium entwickelt im Gesamtvorhaben ein innovatives geräuschemissionsarmes Rotorblatt für Senvions nächste Anlagengeneration der 3 - 4 MW-Klasse und stellt es in einem Demonstrator-Blattsatz dar. Parallel dazu werden im hier beantragten Teilprojekt an der Universität Siegen neue geräuschmindernde Maßnahmen wie Zackung von Bereichen der Blatthinterkante und aktives Ausblasen eines Luftstroms im Bereich der Blatthinterkante theoretisch und experimentell erforscht. Diese Maßnahmen sind abgestimmt auf die Konstruktionsmerkmale des neuen Rotorblatts und werden entweder bereits in dem Demonstratorblattsatz umgesetzt und getestet oder in Form von Handlungsrichtlinien so dokumentiert, dass eine Erprobung unmittelbar in der nachfolgenden Blattgeneration erfolgen kann. Im Rahmen des Gesamtprojekts RENEW werden in diesem Teilprojekt die Arbeitspakete 2 und 3 bearbeitet. AP2: Übertragung der durch Modellvorversuche erarbeiteten Schalloptimierungsmaßnahmen auf die Großausführung (Ausgangspunkt ist eine dazu an der Universität Siegen abgeschlossene Vorstudie); weitere akustische Optimierung des Tragflügelprofils unter Berücksichtigung von Ausblasen und Hinterkantenzackung; Konstruktion und Bau eines zweidimensionalen Schaufelblattsegments im Maßstab 1:1 mit den Schallminderungsmaßnahmen 'Ausblasen' und 'gezackter Hinterkante' (Serrations); experimentelle Untersuchung der o.g. Schallminderungsmaßnahmen durch Vermessung des 1:1 Schaufelblattsegments in einem aeroakustischen Windkanal; dabei auch Vermessung der schallrelevanten turbulenten Strömung im Bereich des Segments. AP 3: Entwicklung eines integrierten Prognoseverfahrens, mit dem das Leistungsverhalten, das aeroelastische Betriebsverhalten sowie die Schallemission unter Berücksichtigung atmosphärischer Bedingungen von Full-Scale Windturbinen bereits im Entwurfsstadium vorhergesagt und optimiert werden kann; Validierung des integrierten Prognoseverfahrens durch Messungen am Demonstrator.
Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) werden in Sandwich-Leichtbauweise aus GFK bzw. CFK gefertigt. Die bis zu 60m langen Blätter werden in aus mehreren, in Formen ausgehärteten Teilen zusammengesetzt. Die Übergänge zwischen den einzelnen Formteilen werden manuell bearbeitet um eine glatte Endkontur zu erreichen. Aufgrund des Fertigungsprozesses und der großen Dimensionen der Rotorblätter können sich signifikante Abweichungen der Blattgeometrie von der Auslegungsgeometrie ergeben. Diese Varianz der Realgeometrie wirkt sich auf die Kennwerte wie Wirkungsgrad und Schallemission der WEA aus. Ziel dieses Vorhabens ist es, realistische Fertigungstoleranzen zu entwickeln, die das strömungsmechanische Verhalten von Rotorblättern berücksichtigen. Das Institut für Mess- und Regelungstechnik der Leibniz Universität Hannover entwickelt zusammen mit Enercon ein Messsystem zum systematischen Erfassen der Geometrieabweichungen der neu gefertigten Rotorblätter. Die Auswirkungen dieser erfassten, realen Abweichungen auf den Wirkungsgrad werden vom Institut für Turbomaschinen und Fluiddynamik mit der Hilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD) sowohl basierend auf 2D-Schnitten als auch auf der realen 3D Geometrie berechnet. Der Einfluss der Fertigungsabweichungen auf die Schallemission wird von Enercon berechnet. Am Ende des Projekts steht das notwendige Handwerkszeug zur Bewertung des aerodynamischen und aeroakustischen Einflusses fertigungsbedingter Geometrieabweichungen von Rotorblättern zur Verfügung. Durch diese Arbeiten wird es nun möglich eine einfache und aussagekräftige Tolerierung der Bauteilgeometrie für die Fertigung vorzugeben.
Dass eine Schallreduktion mittels Grenzschichtabsaugung möglich ist, wurde bereits im Vorgängerprojekt gezeigt. Allerdings ging es in diesem Projekt um ein Profil, welches numerisch und unter Laborbedingungen experimentell untersucht wurde. Eine Übertragung der Technologie auf ein reales Rotorblatt einer Windturbine führt zu einer deutlich gesteigerten Komplexität. Auf die wesentlichen Punkte wird im Folgenden kurz eingegangen: Struktur, Blitzschutz, Energieversorgung, Werkstoffe, Prozesstechnik, Kosten. Alle diese Punkte werden im Rahmen des Projektes betrachtet, um eine Aussage über die Realisierbarkeit der Absaugtechnologie zu tätigen. Das Vorhaben ist in vier Arbeitspakete gegliedert. Im ersten Arbeitspaket wird ein Konzept zur Lärmreduktion an einem kommerziellen Rotor einer Windenergieanlage entwickelt, welches auf einem kombinierten Absaug- und Ausblassystem basiert. Im folgenden Arbeitspaket wird dieses Konzept hinsichtlich seines Verhaltens bei komplexeren Anströmzuständen und Off-Design-Bedingungen untersucht. Im dritten Arbeitspaket werden aus industrieller Sichtweise Untersuchungen zur Implementierbarkeit des Konzepts an einem kommerziellen Rotor erfolgen. Im finalen Arbeitspaket werden alle gewonnenen Erkenntnisse in einer breit gefächerten Bewertung des Konzepts münden, um eine belastbare Aussage zur Wirtschaftlichkeit des Konzepts zu erarbeiten und die Entscheidungsgrundlage für eine eventuelle prototypische Umsetzung zu liefern.
Der Gesamtlärm einer Windenergieanlage umfasst neben mechanischen Lärmquellen durch verschiedene Maschinenteile auch strömungsinduzierte Lärmmechanismen. Ansätze zur Reduktion des als dominant geltenden Hinterkantenlärms sind hauptsächlich passiver Natur. Hinsichtlich aktiver Maßnahmen konnte im Rahmen von Vorgängerprojekten das Potenzial flächiger Absaugung zur Reduktion von Hinterkantenlärm an einem Profil experimentell und numerisch erfolgreich demonstriert werden. Das wesentliche Ziel des Vorhabens besteht in der Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf einen industrienahen Rotor unter Berücksichtigung industrieller Randbedingungen. Aufbauend auf Vorarbeiten des Instituts im Bereich der Aeroakustik von Windrotoren sollen Berechnungsmethoden zur konsistenten Simulation und Auslegung eines Absaugsystems an einem industrienahen Rotor spezifisch erweitert und angewendet werden. Alle Arbeiten erfolgen hierbei unter enger Abstimmung zwischen wissenschaftlicher und industrieller Seite. Neben der Untersuchung des Absaugsystems bei gängigen Betriebspunkten soll auch dessen Potenzial bei Off-Design-Bedingungen verifiziert werden. Die numerischen Betrachtungen werden synergetisch von Windkanalmessungen zur Vorbereitung einer praktischen Umsetzung an der Universität Tel-Aviv begleitet. Die gewonnenen Erkenntnisse münden in eine wissenschaftliche und industrielle Bewertung des Konzepts, welche wiederum die Entscheidungsgrundlage für eine prototypische Umsetzung bildet.
An Windenergieanlagen (WEA) tritt strömungsinduzierter Lärm aufgrund von verschiedenen Ursachen auf. Dieser Lärm spielt eine erheblich Rolle bei der Akzeptanz von WEA im Onshore-Bereich. In diesem Projekt wird versucht mögliche Ursachen von strömungsinduziertem Lärm zu erfassen und zu lokalisieren. Insbesondere im Hinblick auf durch die Anströmbedingungen ausgelöste Geräuschemission soll Untersucht werden, ob, mit welcher Quantität und wie turbulente Einströmungsbedingungen zu Lärmentwicklung von WEA beitragen. Zu diesem Zweck werden primär numerische Simulationen durchgeführt. Diese beinhalten aerodynamische Large Eddy Simulationen (LES) aus der Computational Fluid Dynamic (CFD), wie auch aufwendige aeroakustische Simulationen. Diese sollen unter unterschiedlichen turbulenten Einströmbedingungen in verschiedenem Detailierungsgrad durchgeführt werden. ForWind führt in dem Projekt zum Einen Validierungsmessungen im Windkanal durch. Zu diesem Zwecke werden aerodynamische Messungen an Blattprofilen hinter einem fraktalen Gitter durchgeführt. Dieses dient dazu, ein, der atmosphärischen Turbulenz möglichst nahe kommendes, intermittentes Windfeld zu erzeugen, welches auf das Blattprofil trifft. Zusätzlich sollen akustische Simulationsergebnisse mit Messergebnissen validiert werden. Zum Anderen, werden numerische Turbulenzmodelle, die intermittente Eigenschaften der Windströmung erfassen können in CFD-Codes implementiert, um die Windcharakteristik möglichst genau zu erfassen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 13 |
| Land | 1 |
| Wissenschaft | 5 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 12 |
| Text | 1 |
| unbekannt | 1 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 2 |
| Offen | 12 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 13 |
| Englisch | 3 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 1 |
| Keine | 6 |
| Webseite | 8 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 9 |
| Lebewesen und Lebensräume | 10 |
| Luft | 14 |
| Mensch und Umwelt | 14 |
| Wasser | 10 |
| Weitere | 14 |