Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei einer Windkraftanlage entstehen im Betrieb eine Reihe von Ger\u00e4uschen. Die wesentlichen Schallquellen sind dabei die Rotorbl\u00e4tter und der Triebstrang. Entsprechend sind dabei ein breitbandiges Rauschen, einige Einzelt\u00f6ne und eventuell periodische Ereignisse zu h\u00f6ren, die eine erhebliche Umwelt- und Gesundheitsbelastung zur Folge haben k\u00f6nnen. Infolge der durch akustische Optimierung der Rotorbl\u00e4tter und geringere Blattspitzengeschwindigkeiten verringerten Abstrahlung von Str\u00f6mungsger\u00e4uschen, die bisher den Hauptteil der Schalleistung darstellten, treten die k\u00f6rperschallerregten Maschinenger\u00e4usche immer st\u00e4rker in den Vordergrund. Die Maschinenger\u00e4usche werden in Form von K\u00f6rperschall \u00fcber die Lagerelemente weitergeleitet und f\u00fchren auf der extrem gro\u00dfen Fl\u00e4che des Turms zu starker Schallabstrahlung. Zur Reduktion der Schallemission ist es daher erstrebenswert, die K\u00f6rperschall\u00fcbertragung vom Getriebe auf den Turm auf ein Minimum zu reduzieren. Daher bestand die Zielsetzung, die Entwicklung einer neuartigen schwingungsisolierenden Lagerung, die die K\u00f6rperschall\u00fcbertragung vom Getriebe auf den Mast verhindert, vorzunehmen und deren Wirksamkeit an einem Laboraufbau zu untersuchen und zu qualifizieren.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEntsprechend dem Ziel, eine Entwicklung einer aktiven schwingungsisolierenden Lagerung vorzunehmen, wurden zun\u00e4chst die Eckdaten und das Anforderungsprofil f\u00fcr die Lagerung mittels einer K\u00f6rper- und Luftschallmessung an einer Windkraftanlage gewonnen und formuliert. Basierend auf diesen Ergeb-nissen wurde ein L\u00f6sungskonzept f\u00fcr eine aktive k\u00f6rperschallisolierende Lagerung entwickelt, konstruktiv ausgestaltet und umgesetzt. In einem weiteren Schritt wurde ein Versuchsstand konstruiert, gefertigt und aufgebaut, um das L\u00f6sungsprinzip zu verifizieren und die endg\u00fcltige Konstruktion der schwingungsisolierenden Schnittstelle festzulegen. Zeitlich parallel zu der Konstruktion, der Fertigung und dem Bau des endg\u00fcltigen Demonstrators, in dem die Isolationswirkung in mehreren Freiheitsgraden untersucht wurde, wurde die Reglerentwicklung und Implementierung zur aktiven Ansteuerung der Festk\u00f6rperaktuatoren vorgenommen. Zur Erprobung der schwingungsisolierenden Schnittstelle wurden Labortests durchgef\u00fchrt und eine Beurteilung der Wirksamkeit des Systems gegeben.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das Ziel, Lagerelemente zu entwickeln, die hohe statische Lasten aufnehmen k\u00f6nnen und dar\u00fcber hinaus im K\u00f6rperschallbereich sowohl longitudinale als auch transversale Wellen isolieren, fordert eine frequenzselektive Lagerung, die im tieffrequenten Bereich eine m\u00f6glichst steife und im h\u00f6heren Frequenzbereich eine weiche Lagerung darstellt. Diese Forderungen f\u00fchrten zu in Stabstruktur ausgebildeten Lagerelementen mit integrierten Festk\u00f6rperaktuatoren. Anhand von Rechnersimulationen, mittels derer das K\u00f6rperschall\u00fcbertragungsverhalten von Stabelementen untersucht wurde, wurden Stabelemente ausgew\u00e4hlt, die eine L\u00e4nge von 20-40 mm und einen Durchmesser von 3 mm besitzen. Die Untersuchungen an entsprechenden Stabelementen best\u00e4tigen, da\u00df diese Elemente in dem Frequenzbereich von 200 bis 1000 Hz Longitudinalwellen gut \u00fcbertragen, w\u00e4hrend Transversalwellen mit erheblich verminderten Amplituden \u00fcbertragen werden. Jeweils 9 Stabelemente wurden parallel zueinander angeordnet zu einer schwingungsisolierenden Schnittstelle zusammengefa\u00dft, wobei jeweils an der isolationsseitigen Stirnseite der St\u00e4be Festk\u00f6rperaktuatoren positioniert sind. Die Lagerelemente zeigen im Frequenzbereich von 200 bis 1000 Hz in transversaler Richtung breitbandig Schwingungsreduktionen von 10-40 dB und in longitudinaler Richtung wird in einzelnen markanten Frequenzen eine Absenkung der Schwingungsamplituden um mehr als 30 dB erreicht.
\nEin Konstruktionsentwurf f\u00fcr die Integration der Interfaces in die Lagerung eines Getriebes einer Windkraftanlage wurde vorgestellt. Die Interfaces sind mit Lasten bis zu 2 to in axialer Richtung belastbar, die m\u00f6gliche Belastung in radialer Richtung bzw. die zul\u00e4ssige Biegebeanspruchung ist geringer. Die M\u00f6glichkeit, die Lagerelemente, bestehend aus einer seriellen Anordnung der Interfaces, mit den bisher eingebauten passiven Isolationselementen so anzuordnen, da\u00df bei einer Lagerung in allen 6 Freiheitsgraden die wesentliche Beanspruchung der Interfaces nur in axialer Richtung erfolgt, ist denkbar, erfordert jedoch f\u00fcr die Umsetzung an der Windkraftanlage u.a. unter Gesichtspunkten der Standfestig-keit eine detaillierte Auslegung und Konstruktion der Getriebelagerung. Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet, stellen sich die Kosten f\u00fcr die aktiven Interfaces zun\u00e4chst als reine Mehrkosten dar, da die herk\u00f6mmlichen Lagerelemente weiterhin eingesetzt werden. Diesen Investitionen stehen Einsparungen beim Getriebe gegen\u00fcber. Es kann auf aufwendige Fertigungsverfahren f\u00fcr besonders leise Getriebe (die aber nicht das notwendige Ma\u00df an Ger\u00e4uschreduzierung erbringen) verzichtet werden. Vom umwelttechnischen Standpunkt aus ist zu erwarten, da\u00df die Amplituden der Frequenzen, die zur Tonhaltigkeit des Ger\u00e4uschs f\u00fchren, soweit abgesenkt werden, da\u00df sie der Amplitude des Hintergrundrauschens ent-sprechen. Dies w\u00fcrde bedeuten, da\u00df ein Tonhaltigkeitszuschlag f\u00fcr die entsprechende Anlage entfallen w\u00fcrde. Dar\u00fcber hinaus ist aufgrund der z.T. breitbandigen Wirksamkeit der k\u00f6rperschallisolierenden Schnittstelle (10-40 dB f\u00fcr transversale Schwingungsanteile) eine weitere merkliche Reduktion des Schallpegels zu erwarten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse bilden zum einen die Grundlage einer Deutschen Patentanmeldung Lagerelement mit richtungsselektiver Schall\u00fcbertragung zur aktiven K\u00f6rperschallreduktion (Nr. 198 12 748.0), Deutsches Patentamt), zum anderen werden sie im Rahmen einer Dissertation von Dipl. Phys. H. Siebald mit dem gleichnamigen Titel ver\u00f6ffentlicht. Eine Pr\u00e4sentation des Demonstrators auf dem Dritten Anwenderforum Windenergie im Binnenland am 15.\/16.10.1998 in Kassel sowie auf dem Adaptronic Congre\u00df im Fr\u00fchjahr 1999 in Berlin ist angedacht. Bestehende Kontakte zu Windkraftanlagenherstellern und -betreibern bzw. zu Herstellern von medizinischen Ger\u00e4ten oder Institutionen, die in vergleichbaren Anwendungsgebieten t\u00e4tig sind, bestehen bereits und k\u00f6nnen auf Basis der positiven Ergebnisse des Vorhabens intensiviert werden.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Es wurde ein neuartiges Schwingungsisolationskonzept f\u00fcr K\u00f6rperschall vorgestellt. Eine Umsetzung in Form von lasttragenden Interfaces wurde vorgenommen. Die aktiven Interfaces weisen im Vergleich zu passiven Lagerelementen, die dem Stand der Technik entsprechen, ein wesentlich besseres Isolations-verhalten f\u00fcr K\u00f6rperschall im Bereich von 200 bis 1000 Hz auf. Eine konstruktive Integration der Interfaces in die Lagerung eines Getriebes einer Windkraftanlage ist m\u00f6glich, erfordert jedoch f\u00fcr die Umsetzung eine detaillierte Auslegung und Konstruktion der Getriebelagerung. F\u00fcr Lagerungen von Ger\u00e4ten im niedrigen Lastbereich ist ein Einsatz der neuartigen k\u00f6rperschallisolierenden Lagerelemente mit vergleichsweise geringem Konstruktionsaufwand durchf\u00fchrbar. Um den enormen Performancegewinn bez\u00fcglich der K\u00f6rperschallisolation bzw. der damit verbundenen Luftschallabstrahlung m\u00f6glichst bald f\u00fcr die Entlastung der Umwelt nutzbar zu machen, scheint es sinnvoll zu sein, parallel zur Verfolgung des Ziels eine Integration in der Getriebelagerung einer Windkraftanlage vorzunehmen, um eine Umsetzung der k\u00f6rperschallisolierenden Lagerung im niedrigen Lastbereich zu realisieren. Eine gegenseitig Befruchtung der Arbeiten ist durchaus vorstellbar und w\u00fcnschenswert.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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