Minderung des strömungsinduzierten Schalls bei axialen Kleinwindturbinen – Methoden und experimentelle Validierung
Kevin Volkmer
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, verschiedene Maßnahmen zur Reduktion des strömungsinduzierten Schalls von sehr kleinen, horizontalachsigen Windturbinen mit Nennleistungen im maximal zweistelligen Kilowattbereich zu untersuchen. Das Besondere an diesen Maschinen ist, dass sie zwar im Vergleich zu großen Turbinen mit hoher Drehzahl betrieben werden, aber die charakteristische Reynoldszahl der Blattumströmung trotzdem in der Größenordnung von nur 100000 liegt. Dies verursacht in der Regel auf den Blättern ausgedehnte Gebiete mit einer laminaren Grenzschichtströmung und laminare Ablöseblasen mit begleitenden Schallphänomenen. Drei konstruktive Schallminderungsmaßnahmen wurden ausgewählt und untersucht:
•Grenzschichttripping mit einem dünnen aufgeklebten Zackenband, mit dem die laminar-turbulente Transition nahe an der Vorderkante des Profils erzwungen wird
•Hinterkantenzacken als Zusatzbauteil zur Reduktion des Hinterkantenschalls
•Einsatz eines akustisch optimierten Blattprofils, ebenfalls mit dem Ziel, den Hinterkantenschall zu reduzieren.
Im Ergebnis konnte mit allen untersuchten Maßnahmen das Geräusch einer Turbine mit vergleichsweise dickem Blattprofil teilweise deutlich unterboten werden. Insgesamt erscheinen dicke Profile nicht nur aus aerodynamischer, sondern auch akustischer Perspektive ungünstiger als dünne. Bei dicken Profilen kann Tripping zwar den strömungsinduzierten Schall signifikant reduzieren, führt aber letztendlich zu Einbußen bei der Turbinenleistung. Hinterkantenzacken reduzieren den Schall in geringerem Umfang als Tripping, jedoch sind auch die Leistungseinbußen geringer. Bei einem dünnen Profil erscheinen Hinterkantenzacken vorteilhafter als Tripping zu sein.
Die angewendeten semi-empirischen Modelle zur Schallvorhersage zeigten Schwächen.
