Aeroakustische Optimierung von Rotorblättern durch Variation des Anstellwinkelsfür den Lastfall Turmvorstau

Abstract

Im Rahmen dieser Bachelorthesis erfolgt die aeroakustische Optimierung einer Windenergieanlage durch Variation des aerodynamischen Anstellwinkels. Im Speziellen wird die Geräuschentwicklung während des Turmdurchgangs des Rotorblatts untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung, Anwendung und Auswertung eines zweidimensionalen Modells für die Berechnung der Akustik. Dies geschieht mithilfe der Strömungssimulations- Software ANSYS FLUENT und der Integralmethode von Ffowcs-Williams & Hawkings. Auÿerdem werden die aerodynamischen Schallentstehungsmechanismen an Rotorbl ättern und allgemeine Lärmminderungsmaÿnahmen beschrieben, sowie ein Überblick über die numerischen Methoden der aeroakustischen Simulation gegeben. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass während des Turmdurchgangs die Schallentwicklung eindeutig beein usst wird. Auÿerdem ist mit steigendem Anstellwinkel eine Zunahme der ermittelten Schalldruckpegel verbunden. Unter rein akustischen Gesichtspunkten erweist sich unter allen sieben untersuchten Anstellwinkeln daher der Anstellwinkel von -3 ° als optimal bezüglich der Schallentwicklung im betrachteten Berechnungszeitraum. Der optimale Anstellwinkel in Bezug auf die Windenergieausbeute ist für den betrachteten Rotorblattpro lausschnitt allerdings bei etwa 6° zu nden, weshalb für ein sinnvolles Verh ältnis zwischen geringen Geräuschemissionen und vernünftiger Windenergieausbeute die Wahl eines Anstellwinkels zwischen ca. 0° und 5° erfolgen sollte.

The main part of this bachelor thesis is the aero-acoustic optimization of a wind turbine by variation of the aerodynamic angle of attack. In particular, the noise generation during the tower passage of the rotor blade is examined. Furthermore, the focus is on the development, application and evaluation of a twodimensional model for acoustic calculations. This is done using the ow simulation software ANSYS FLUENT and the integral method of Ffowcs-Williams & Hawkings. In addition, the aerodynamic mechanisms of sound generation on rotor blades and general noise reduction opportunities are described and an overview of the numerical methods of aero-acoustic simulation is given. The results of the acoustic simulation show, that the sound generation is clearly in uenced by the tower passage of the blade. Besides, the increase of the angle of attack results in higher levels of the detected sound pressure. Taking into account only the acoustic aspects proves, that, regarding all seven investigated angles of attack, the angle of -3° turns out to be the optimum with respect to the sound emissions in the considered time space of the calculation. However, the best angle of attack for getting the most out of the wind energy using the considered rotor blade pro le is found at about 6°. Finally, the angle of attack for achieving a useful relationship between low noise and a reasonable energy yield should be selected in between 0° and 5°.