Noise and load calculations on wind power systems using a method for calculating free/hybrid wakes in consideration of aeroelastic effects; Schall- und Lastberechnungen an Windkraftanlagen mit einem Verfahren zur Berechnung eines freien/hybriden Nachlaufes unter Beruecksichtigung aeroelastischer Effekte

Calculations of noise emissions and rotor loads of wind power systems require appropriate methods of prediction, especially for the complex flow conditions of inland sites. The contribution describes the coupling of an aerodynamic 3D method for calculation of load and noise with a method for simulating the aeroelastic response of wind power systems. In the framework of the EU programme JOULE, the panel method ROVLM for calculation of the flow fields, loads, and low-frequency noise emissions of wind power plants was developed at the IAG. The transient method simulates the time curve of the rotor wake together with the unrolling of the blade tip and root vortices. The calculation procedure is simplified by assuming a hybrid wake in the far field. The MILLx method was developed for investigating the dynamic response of wind power systems to axial flow conditions. the wind power system is represented by 4 degrees of freedom for the baldes, 4 degrees of freedom for the tower/basket, and one nonlinear degree of freedom for rotation of the rotor. The coupling of the two methods permists investigations of nonaxial rotor inflow. Each degree of freedom can be included in the calculations or not, as desired. The aeroelastic, aerodynamic and acoustic processes can be modelled by different time steps, so that the time steps can be adapted to the observed processes. The equations of motion were derived by applying the Hamiltonian principle using the MAPLE V program system. This helps to reduce the calculation procedure for extension of the dynamic model at a later stage. [Deutsch] Die Berechnung von Laermemissionen and Windkraftanlagen und der auftretenden Rotorlasten insbesondere auch unter komplexen Zustroembedingungen, wie sie z.B. im Binnenland auftreten, erfordert geeignete Vorhersageverfahren. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Kopplung eines aerodynamischen 3D-Verfahrens zur Last- und Schallberechnung mit einem Verfahren zur Simulation des aeroelastischen Antwortverhaltens von Windkraftanlagen. Am IAG wurde im Rahmen des EU-Programmes JOULE das Panelverfahren ROVLM fuer die Berechnung des Stroemungsfeldes, der Lasten und der niederfrequenten Schallabstrahlung bei Windkraftanlagen entwickelt. Das instationaere Verfahren simuliert die zeitliche Entwicklung des Rotornachlaufes zusammen mit dem Aufrollvorgang des Blattspitzen- und des Wurzelwirbels. Ein partielles Einfrieren der Nachlaufschicht (`hybrid wake`) im Fernfeld reduziert den sonst ueblichen Rechenaufwand erheblich. Das Verfahren MILLx wurde entwickelt, um das dynamische Verhalten von Windkraftanlagen bei axialen Stroemungszustaenden zu untersuchen. Dabei wird die Windkraftanlage durch 4 Blattfreiheitsgrade, 4 Turm/Gondelfreiheitsgrade und einen nichtlinearen Freiheitsgrad fuer die Rotordrehung repraesentiert. Die Kopplung der beiden Verfahren erlaubt nun auch die Betrachtung nichtaxialer Rotoranstroemung, mit der Moeglichkeit jeden Freiheitsgrad fuer die Simulation gezielt ein- oder auszuschalten. Fuer die Simulation der Aeroelastik, der Aerodynamik und der Akustik koennen verschiedene Zeitschritte gewaehlt werden, so dass die Zeitschritte an die betrachteten Vorgaenge angepasst werden koennen. Die Bewegungsgleichungen wurden durch die Anwendung des Hamilton`schen Prinzips unter Verwendung des Programmsystems MAPLE V hergeleitet. Der Aufwand fuer eine nachtraegliche Erweiterung des dynamischen Modells wird dadurch reduziert. (orig.)