Viel Wind – wenig Lärm

Redakteur: Anne Richter

>> Die Modernisierung von Aero-Akustik-Windkanälen stellt besonders hohe Anforderungen nicht nur an die Akustik, sondern auch an das Engineering- und Projektmanagement der beteiligten Unternehmen. Als Schallschutzspezialist ist die Faist Anlagenbau GmbH an Projekten beteiligt, bei denen Akustik-Windkanäle für die Luftfahrtechnik grundlegend modernisiert, erweitert und schalltechnisch optimiert wurden – unter anderem auch der weltweit bekannte aero-akustische Windkanal in Braunschweig.

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Nabenschalldämpfer.
Nabenschalldämpfer.
(Bild: Faist)

Ein Ventilatorantrieb mit mehreren 100 kW erzeugt neben einem beachtlichen Luftstrom auch ein nicht zu unterschätzendes Geräusch, und die Turbulenzen des Luftstroms sind nochmals lauter. In einem «normalen» Windkanal, der die Aerodynamik von Fahrzeugen oder Flugzeugen misst, stören diese Geräusche nicht. In der Automobil- und der Luftfahrtindustrie gibt es aber auch aero-akustische Windkanäle, die zum Ziel haben, die Windgeräusche von Komponenten oder gesamten Fahr- bzw. Flugzeugen zu reduzieren. Um die Schallquellen am Messobjekt genau zu erfassen, sind niedrige Ruhegeräuschpegel in der Teststrecke unabdingbar. Hierbei sind teilweise bei Volumenströmen in einer Grössenordnung von ca. 800 m³/s bis zu 60 dB Schallreduktion gefordert, die unter Anwendung des gesamten akustischen Know-Hows umgesetzt werden muss.

Grosse Erfahrung bei Akustik-Windkanälen

Die Faist Anlagenbau GmbH verfügt über grosse Erfahrung in der Realisierung von akustischen, aerodynamisch optimierten Komponenten für AAWT und hat seit 1997 weltweit verschiedene Projekte durchgeführt.

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Der erste Windkanal, den Faist 1997 mit akustischen Komponenten ausrüstete, setzt auch 15 Jahre später mit einem Schalldruckpegel von 55 dB bei einem maximalen Luftstrom von 717 m3/s, erzeugt von einem 2 MW-Ventilator, noch Massstäbe in Sachen akustischer Performance. Bei diesem und anderen Windkanälen, speziell im Plenum und Kanal, kommt die patentierte Technologie der Breitband-Kompaktabsorber(BKA) zum Einsatz, die auf kleinem Raum und bei glatter Oberfläche eine schalldämpfende Wirkung von αs = 0,99 gemäss ISO 3745 erzielen.

Verbundplattenresonator und poröser Absorber

Bei der Auskleidung von akustischen Messräumen und AAWT arbeitet Faist mit der sogenannten Breitband-Kompaktabsorber (BKA)-Technologie. Die akustische Wirksamkeit basiert auf einer einzigartigen Kombination aus Verbundplattenresonator für tiefe Frequenzen und porösem Absorber für mittlere und hohe Frequenzen. Ein grosser Vorteil der BKA-Technologie ist der deutlich geringere Platzbedarf im Vergleich zu konventionellen Absorbern: eine Bautiefe von nur 35 cm, unabhängig von der unteren Grenzfrequenz.

Technisch noch anspruchsvoller als die Geräuschdämpfung von neuen Aero-Akustik-Windkanälen ist die Modernisierung und Optimierung vorhandener Anlagen. Diese Aufgabe hat Faist aktuell zweimal übernommen. Auftraggeber war in beiden Fällen die Stiftung Deutsch-Niederländische Windkanäle (DNW), die u.a. Fahr- und Triebwerke sowie andere Komponenten auf ihre aero-akustischen Eigenschaften hin überprüft.

Aero-Akustikprüfungen für die Luftfahrttechnik

In Braunschweig betreibt DNW einen seit 1958 bestehenden Aerodynamik-Windkanal, der zu einem Aero-Akustik-Windkanal erweitert wurde. Per Schneider, Vertriebsingenieur bei Faist Anlagenbau: «Zu unseren Aufgaben gehörte u.a. der Bau der über 7 Meter hohen Umlenkmodule an den vier Ecken des Kanals. Sie lenken den bis zu 90 m/s schnellen Luftstrom so, dass keine Verwirbelungen und möglichst geringe Druckverluste entstehen und der Geräuschpegel wirkungsvoll gedämpft wird.»

Ergebnis der Konstruktionsarbeit von Faist, die in enger Zusammenarbeit mit Experten für Strömungstechnik und Akustik von DNW und DLR erfolgte, sind individuell ausgelegte, aerodynamisch und akustisch optimierte Profile, die den Luftstrom exakt lenken und dabei den entstehenden Schall weitestgehend absorbieren. Diese Aufgabe übernehmen Umlenk-Schalldämpfer, bestehend aus einer Lochblech-Aussenverkleidung und einem innenliegenden Absorber. Die gesamte Konstruktion wird gehalten von einem inneren Stahlskelett, vergleichbar mit dem inneren Aufbau eines Flugzeugtragflügels.

Ansprüche an Masshaltigkeit und Flexibilität der Fertigung

Eine Herausforderung war dabei die Fertigung dieser Elemente. Vlado Lazić, Gruppenleiter für akustische Messräume und Prüfstände bei Faist: «Anstellwinkel, Höhe und Querschnitte der insgesamt 27 Umlenkschalldämpfer wurden individuell festgelegt. Die Modulkontur musste strömungsgünstig geformt sein.» Für die Ermittlung der optimalen Kontur dienten Werte, die mittels eines CFD-Programms von DLR berechnet wurden. Diese Datensätze dienten Faist als Basis für die Planungsumsetzung in der Konstruktion. Aufwendige Details dieser Konstruktion wurden mit CAD erstellt und anschliessend in die CAM-Systeme der Produktion eingelesen. Wichtig dabei war, die vorgegebenen Konturen sehr präzise umzusetzen. Nur so konnten krümmungssprungfreie Profile hergestellt werden, die ein Designmerkmal der strömungsgünstigen Umlenkecken darstellen.

Faist fertigte verschiedene Prototypen an, die der Kunde vor Ort am Hauptsitz und Fertigungsstandort von Faist im süddeutschen Krumbach/Niederraunau prüfte und dann für die Serienfertigung freigab. Die Montage der Module erwies sich als ebenso anspruchsvoll wie die Fertigung. Lazić: «Die Herausforderung bestand darin, dass der Boden nur begrenzt belastbar war und die Module weder oben noch aneinander befestigt werden konnten. Die Kraft musste also gut verteilt in den Boden eingeleitet werden und die Module mussten eine sehr hohe Stabilität gewährleisten, denn beim Betrieb wirken auf die einzelnen Umlenkecken Windlasten von 13 kN.»

Nabenschalldämpfer dämpft Lärm an der Quelle

Auch der Nabenschalldämpfer an der Achse des Ventilators, der einen Durchmesser von knapp fünf Metern aufweist, wurde von Faist gemeinsam mit der Firma TLT projektiert und gefertigt. Schneider: «Seine Aufgabe ist es, die vom Ventilator stammenden Lärmemissionen schon an der Quelle zu dämpfen. Das gilt vor allem für tiefe Frequenzbereiche, die besondere Anforderungen an die Geräuschunterdrückung stellen. Zugleich soll der Nabenschalldämpfer aerodynamisch wirken und den guten Wirkungsgrad des Ventilators sicherstellen. Die strömungsoptimierten Konturen schaffen einen wesentlich geringeren Druckverlust. Dieser ermöglicht einen niedrigeren Energieverbrauch am Ventilatorantrieb, was sich positiv auf die Betriebskosten der Anlage auswirkt.»

Ergebnis: sehr geringer Schallpegel

Nach der Modernisierung und Leistungssteigerung betreibt DNW jetzt am Standort Braunschweig einen hochleistungsfähigen Windkanal und kann die aero-akustischen Eigenschaften von Objekten wie Triebwerken oder Tragflächen umfassend untersuchen. Dr. Bergmann: «Die Investition in den Umbau hat sich für uns gelohnt. Um den Lärmanforderungen an zukünftige Flugzeuge zu genügen, ist es erforderlich auch Lärmquellen kleinster Intensität detektieren zu können, die erst in ihrer Summe die gesamte Lärmemission ausmachen. Dies ist derzeit nur im ultraleisen Windkanal DNW-NWB möglich.»

Leiser und trotzdem sparsam im Energieverbrauch

Ein zweiter Windkanal, den die DNW in Marknesse/Niederlande betreibt, wurde ebenfalls mit Unterstützung von Faist optimiert. Projektleiter Vlado Lazic erklärt dazu: «Ziel war es hier, den extrem grossen Windkanal an zwei der vier Ecken so zu optimieren, dass er deutlich leiser ist und zwar unter der Prämisse, den Druckverlust auf dem gleichen Niveau zu halten, um somit die Betriebskosten nicht zu erhöhen. In einem leiseren AAWT kann der Betreiber seinen Kunden ein erweitertes Produktportfolio an akustischen Messungen anbieten.» Nach einer ersten Prüfung hatte Faist zugesagt, eine Verbesserung um 7 bis 8 dB zu erreichen – mit einem Kulissenschalldämpfer von 20 Metern Höhe.

Anspruchsvolle Logistik, kurze Montagezeit

Faist entwickelte eine Lösung, die aus vorgefertigten Kulissenschalldämpfer-Modulen besteht. Die Fertigung dieser Module stellte hohe Ansprüche an die Präzision: um eine optimale Strömungsführung zu erreichen, musste auch der geringste Überstand von Schrauben und anderen Verbindungselementen ausgeschlossen werden.

Als Herausforderung stellte sich auch die logistische Abwicklung des Projekts heraus. Aufgrund der engen baulichen Situation mussten die Module und alle Montagehilfsmittel mit einem 300 t Autokran über eine vorgegebene Öffnung im Dach eingebracht werden. Das bedeutete, die Teile in der richtigen Reihenfolge zu fertigen, zu liefern und zu montieren, und zwar innerhalb von vier Wochen.

Dr. Bergmann äussert sich nach Projektabschluss: «Die geforderten Spezifikationen und Zeitvorgaben wurden allesamt eingehalten. Der Lärmpegel in der Messstrecke konnte ohne zusätzliche Erhöhung der Antriebsleistung um 8 dB verringert werden. Die Leistung entspricht voll und ganz unseren Erwartungen.» <<

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