Projekt 06307/01

Entwicklung einer aktiven Schwingungslagerung zur Reduzierung der Schallemissionen von Windkraftanlagen

Projektträger

Entwicklung und Realisation adaptiver Systeme(ERAS) GmbH
Hannah-Vogt-Str. 1
37085 G√∂ttingenZielsetzung und Anlass des Vorhabens Bei einer Windkraftanlage entstehen im Betrieb eine Reihe von Ger√§uschen. Die wesentlichen Schallquellen sind dabei die Rotorbl√§tter und der Triebstrang. Entsprechend sind dabei ein breitbandiges Rauschen, einige Einzelt√∂ne und eventuell periodische Ereignisse zu h√∂ren, die eine erhebliche Umwelt- und Gesundheitsbelastung zur Folge haben k√∂nnen. Infolge der durch akustische Optimierung der Rotorbl√§tter und geringere Blattspitzengeschwindigkeiten verringerten Abstrahlung von Str√∂mungsger√§uschen, die bisher den Hauptteil der Schalleistung darstellten, treten die k√∂rperschallerregten Maschinenger√§usche immer st√§rker in den Vordergrund. Die Maschinenger√§usche werden in Form von K√∂rperschall √ľber die Lagerelemente weitergeleitet und f√ľhren auf der extrem gro√üen Fl√§che des Turms zu starker Schallabstrahlung. Zur Reduktion der Schallemission ist es daher erstrebenswert, die K√∂rperschall√ľbertragung vom Getriebe auf den Turm auf ein Minimum zu reduzieren. Daher bestand die Zielsetzung, die Entwicklung einer neuartigen schwingungsisolierenden Lagerung, die die K√∂rperschall√ľbertragung vom Getriebe auf den Mast verhindert, vorzunehmen und deren Wirksamkeit an einem Laboraufbau zu untersuchen und zu qualifizieren. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEntsprechend dem Ziel, eine Entwicklung einer aktiven schwingungsisolierenden Lagerung vorzunehmen, wurden zun√§chst die Eckdaten und das Anforderungsprofil f√ľr die Lagerung mittels einer K√∂rper- und Luftschallmessung an einer Windkraftanlage gewonnen und formuliert. Basierend auf diesen Ergeb-nissen wurde ein L√∂sungskonzept f√ľr eine aktive k√∂rperschallisolierende Lagerung entwickelt, konstruktiv ausgestaltet und umgesetzt. In einem weiteren Schritt wurde ein Versuchsstand konstruiert, gefertigt und aufgebaut, um das L√∂sungsprinzip zu verifizieren und die endg√ľltige Konstruktion der schwingungsisolierenden Schnittstelle festzulegen. Zeitlich parallel zu der Konstruktion, der Fertigung und dem Bau des endg√ľltigen Demonstrators, in dem die Isolationswirkung in mehreren Freiheitsgraden untersucht wurde, wurde die Reglerentwicklung und Implementierung zur aktiven Ansteuerung der Festk√∂rperaktuatoren vorgenommen. Zur Erprobung der schwingungsisolierenden Schnittstelle wurden Labortests durchgef√ľhrt und eine Beurteilung der Wirksamkeit des Systems gegeben. Ergebnisse und Diskussion Das Ziel, Lagerelemente zu entwickeln, die hohe statische Lasten aufnehmen k√∂nnen und dar√ľber hinaus im K√∂rperschallbereich sowohl longitudinale als auch transversale Wellen isolieren, fordert eine frequenzselektive Lagerung, die im tieffrequenten Bereich eine m√∂glichst steife und im h√∂heren Frequenzbereich eine weiche Lagerung darstellt. Diese Forderungen f√ľhrten zu in Stabstruktur ausgebildeten Lagerelementen mit integrierten Festk√∂rperaktuatoren. Anhand von Rechnersimulationen, mittels derer das K√∂rperschall√ľbertragungsverhalten von Stabelementen untersucht wurde, wurden Stabelemente ausgew√§hlt, die eine L√§nge von 20-40 mm und einen Durchmesser von 3 mm besitzen. Die Untersuchungen an entsprechenden Stabelementen best√§tigen, da√ü diese Elemente in dem Frequenzbereich von 200 bis 1000 Hz Longitudinalwellen gut √ľbertragen, w√§hrend Transversalwellen mit erheblich verminderten Amplituden √ľbertragen werden. Jeweils 9 Stabelemente wurden parallel zueinander angeordnet zu einer schwingungsisolierenden Schnittstelle zusammengefa√üt, wobei jeweils an der isolationsseitigen Stirnseite der St√§be Festk√∂rperaktuatoren 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. Ein Konstruktionsentwurf f√ľr 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√∂gliche Belastung in radialer Richtung bzw. die zul√§ssige Biegebeanspruchung ist geringer. Die M√∂glichkeit, die Lagerelemente, bestehend aus einer seriellen Anordnung der Interfaces, mit den bisher eingebauten passiven Isolationselementen so anzuordnen, da√ü bei einer Lagerung in allen 6 Freiheitsgraden die wesentliche Beanspruchung der Interfaces nur in axialer Richtung erfolgt, ist denkbar, erfordert jedoch f√ľr 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√ľr die aktiven Interfaces zun√§chst als reine Mehrkosten dar, da die herk√∂mmlichen Lagerelemente weiterhin eingesetzt werden. Diesen Investitionen stehen Einsparungen beim Getriebe gegen√ľber. Es kann auf aufwendige Fertigungsverfahren f√ľr besonders leise Getriebe (die aber nicht das notwendige Ma√ü an Ger√§uschreduzierung erbringen) verzichtet werden. Vom umwelttechnischen Standpunkt aus ist zu erwarten, da√ü die Amplituden der Frequenzen, die zur Tonhaltigkeit des Ger√§uschs f√ľhren, soweit abgesenkt werden, da√ü sie der Amplitude des Hintergrundrauschens ent-sprechen. Dies w√ľrde bedeuten, da√ü ein Tonhaltigkeitszuschlag f√ľr die entsprechende Anlage entfallen w√ľrde. Dar√ľber hinaus ist aufgrund der z.T. breitbandigen Wirksamkeit der k√∂rperschallisolierenden Schnittstelle (10-40 dB f√ľr transversale Schwingungsanteile) eine weitere merkliche Reduktion des Schallpegels zu erwarten. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation Die Ergebnisse bilden zum einen die Grundlage einer Deutschen Patentanmeldung Lagerelement mit richtungsselektiver Schall√ľbertragung zur aktiven K√∂rperschallreduktion (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√∂ffentlicht. Eine Pr√§sentation des Demonstrators auf dem Dritten Anwenderforum Windenergie im Binnenland am 15./16.10.1998 in Kassel sowie auf dem Adaptronic Congre√ü im Fr√ľhjahr 1999 in Berlin ist angedacht. Bestehende Kontakte zu Windkraftanlagenherstellern und -betreibern bzw. zu Herstellern von medizinischen Ger√§ten oder Institutionen, die in vergleichbaren Anwendungsgebieten t√§tig sind, bestehen bereits und k√∂nnen auf Basis der positiven Ergebnisse des Vorhabens intensiviert werden. Fazit Es wurde ein neuartiges Schwingungsisolationskonzept f√ľr K√∂rperschall 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√ľr K√∂rperschall im Bereich von 200 bis 1000 Hz auf. Eine konstruktive Integration der Interfaces in die Lagerung eines Getriebes einer Windkraftanlage ist m√∂glich, erfordert jedoch f√ľr die Umsetzung eine detaillierte Auslegung und Konstruktion der Getriebelagerung. F√ľr Lagerungen von Ger√§ten im niedrigen Lastbereich ist ein Einsatz der neuartigen k√∂rperschallisolierenden Lagerelemente mit vergleichsweise geringem Konstruktionsaufwand durchf√ľhrbar. Um den enormen Performancegewinn bez√ľglich der K√∂rperschallisolation bzw. der damit verbundenen Luftschallabstrahlung m√∂glichst bald f√ľr 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√∂rperschallisolierenden Lagerung im niedrigen Lastbereich zu realisieren. Eine gegenseitig Befruchtung der Arbeiten ist durchaus vorstellbar und w√ľnschenswert.

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Telefon

0551/370700

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Bundesland

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97.665,44 ‚ā¨

Förderzeitraum

09.04.1996 - 23.11.1998