Gefährdungsbetrachtungen für Sport- und Segelflugzeuge im Nachlauf von großen Windkraftanlagen

Kurzfassung

Der Windenergiesektor hat in den vergangenen Jahren eine rasante Entwicklung durchlaufen. Dies zeigt sich nicht zuletzt bei der Größe heutiger Windkraftanlagen: Nennleistungen von 3 MW und mehr, Rotordurchmesser von über 100 m und Gesamtbauhöhen bis zu 200 m sind üblich. Mit den größer werdenden Anlagen geht eine Zunahme ihres Einflussbereichs einher, was besonders für die Nachlaufströmung gilt. Auch werden durch die zunehmende Häufigkeit die Bauabstände von neuen Windparks insbesondere zu Klein- und Segelflugplätzen immer geringer, was dann Folgen für den Start- und Landevorgang bzw. die Platzrunde haben kann. In diesem Beitrag wird untersucht, inwieweit die Nachlaufströmungen von heutigen großen Windkraftanlagen eine Gefährdung für Sport- und Segelflugzeuge darstellen. Dabei wird am Beispiel einer 3-MW-Anlage die Gefährlichkeit der Blattspitzenwirbel der Rotorblätter auf Segelflugzeuge und Schleppmaschinen untersucht. Die Blattspitzenwirbel bilden eine Helix aus, um deren Kerne jeweils - ähnlich wie bei der Wirbelschleppe eines Flugzeugs – hohe rotatorische Strömungsgeschwindigkeiten induziert werden. Die axialen Abstände der einzelnen Blatthelixe sind dabei abhängig von Blattanzahl, Rotordrehgeschwindigkeit und Windgeschwindigkeit. Insofern ist die aktuelle Gefährdung für ein einfliegendes Flugzeug nicht nur abhängig vom Einflugszenario, sondern auch wesentlich von den Anlagenbetriebsparametern und der Windgeschwindigkeit. Die auf ein einfliegendes Flugzeug wirkenden Störkräfte und –momente werden mit Hilfe der Streifenmethode berechnet und für verschiedene Anlagenbetriebspunkte u.a. mit dem Roll Control Ratio RCR bewertet. Es wird gezeigt, dass - solange die Helixstruktur im Nachlauf noch weitgehend intakt ist - besonders der transversale Einflug in einen Helixwirbelkern, aber auch der Durchflug genau zwischen zwei Wirbelkernen auf Blattspitzenhöhe eine Gefährdung besonders für langsame fliegende Segelflugzeuge darstellen kann. Dies gilt insbesondere für den horizontalen Flug in Bodennähe in Höhe des unteren Blattspitzenwirbels. Die Auswirkung der Durchflüge als Funktion des Abstands hinter einer Windkraftanlage wird über die Wirbelalterung mit Hilfe einer Worst-Case-Betrachtung bei reinem Diffusionszerfall bewertet.