Rotorkonzept

[Home]

Das auf dieser Seite beschriebene Rotorkonzept verdeutlicht �berzeugend die Vereinfachung des theoretischen "Idealfl�gels" hin zum technisch vern�nftigen des bew�hrten KUKATE-Typs.
Bedenken Sie bitte: Eine kleiner Windkonverter ist kein "kleiner Gro�er"! Durch die bei kleinen Anlagen m�gliche Abspannung der Rotorfl�gel (ab KUKATE 4 kann sie sinnvoll sein) sind sehr gute Vereinfachungen m�glich.

Bemerkung: Im "Handbuch Windenergie-Technik" habe ich in den Abschnitten 5.3. "Der technisch vern�nftige Fl�gel" und 5.4 "Rotorauslegung kurz und b�ndig" detailliert dargestellt, was hier nur kurz angerissen werden kann.

Vor�berlegungen zum KUKATER Rotorkonzept:
Nun folgen drei Gedankenschritte, der erste besch�ftigt sich mit dem zu erbringenden Materialaufwand f�r die Fl�gel,
der zweite Schritt befasst sich mit der "Erntefl�che". (Das ist die Fl�che, die vom Rotor �berstrichen wird, aus der die Windkonverterfl�gel die Energie aus der Luftstr�mung entnehmen.)
Der dritte Gedanke besch�ftigt sich mit der stets perfekt wirkenden Verwindung des Fl�gelprofils von der Nabe zur Spitze.

1.) Materialaufwand f�r die Fl�gel:
 

Ein theoretisch aerodynamisch optimal gerechnetes Rotorprofil ist an der Wurzel (im Nabenbereich) breit und an der Spitze schmal. (Man nennt dieses Ma� die "Fl�geltiefe".)

Oben sind 14 Spantenrisse eines 26m langen Fl�gels beispielhaft vom (kreisrunden) Flansch im Nabenbereich bis zur Spitze hin aufgezeichnet.
Die ersten sieben Schnitte zeigen anschaulich mit den Spanten 0-7 das immense "Konstruktionsvolumen" der inneren Fl�gelh�lfte im Verh�ltnis zum Konstruktionsvolumen zwischen den Spanten 7-14 der �u�eren Fl�gelh�lfte.
Wobei zwischen den Spanten 0-5 ohnehin keine nennenswerte Auftriebsaerodynamik wirksam wird, sondern "nur" die Statik �bertragen wird und der �bergang zum kreisf�rmigen Nabenflansch geformt ist.
�berlegung:
Teilen  wir zun�chst gedanklich die L�nge des Rotorblattes von der Nabe bis zur Spitze in der Mitte der L�nge durch zwei.
Wir erhalten so eine innere und eine �u�ere H�lfte. Jetzt untersuchen wir den Material- und damit den Kosten- und Gewichtsaufwand der beiden "St�cke".
ERGEBNIS:
Wie oben die Darstellung des "idealen Fl�gels" veranschaulicht, ist der Material- und damit der Kosten- und Gewichtsaufwand f�r die innere H�lfte um ein Vielfaches h�her als der f�r die �u�ere.
(In den obigen Grafiken wurde - wie auch bei allen konkreten Ausf�hrungen solcher Rotorbl�tter - die theoretisch  zum Zentrum  hin immer volumin�ser werdende Profiltiefe abgebrochen und auf den kreisf�rmigen Anschlussflansch der Nabe zur�ckgef�hrt.)

2.) Die effektive Erntefl�che
Wie man m�helos beim Betrachten einer Kreisscheibe - zum Beispiel der vom Rotor �berstrichene "Erntefl�che" - erkennt, �berstreichen die inneren Fl�gelh�lften des Rotors nur ein Viertel der Erntefl�che, die �u�eren jedoch drei Viertel.

Aus str�mungstechnischen Gr�nden (geringe Umstr�mungsgeschwindigkeiten, kurze Hebel) m�sste aber in der inneren H�lfte bei dem oben genannten Beispiel ca. achtmal soviel Konstruktionsmasse f�r die innen liegenden Rotorblatth�lften verbaut werden, wenn auch die Windleistung in diesem inneren Fl�chenviertel (!!!) von den Fl�geln gut  �abgeerntet� werden soll. Im nabennahen Bereich ist das jedenfalls praktisch unm�glich.

Schlussfolgerung:
Erstens: Alle Rotorbl�tter �berstreichen mit ihrer inneren H�lfte nur 1/4 der Erntefl�che.
Zweitens: Sie sind aus technisch und wirtschaftlich vern�nftigen Gr�nden zur Mitte hin aerodynamisch ohnehin nicht optimal gestaltet.
Man spart gro�e Fl�gelmassen im f�r den Ertrag uninteressanten inneren Erntefl�chenbereich und kann mit einem Bruchteil an Masse die Rotorfl�gel sehr wirksam verl�ngern, um die 25% Innenfl�che auszugleichen (L�ngere Hebel, gro�e �berstrichene Erntefl�che!!!
Die Sturmbelastung f�llt geringer aus, da in der Summe eine kleinere Windwiderstandsfl�che die Anlage belastet !!!

(Bei den gro�en, nicht abgespannten Rotorfl�geln macht eine - str�mungstechnisch nie ideale - Vergr��erung des Konstruktionsvolumens zur Mitte hin deshalb Sinn, weil man in ihr "mehr Statik" f�r die Nabenverbindung unterbringen kann.)

3.) Die Verwindung
Als dritter Schritt  f�r die "ideale" Rotorauslegung m�ssen die unterschiedlichen Anstr�mrichtungen der Luft auf das Rotorblatt ber�cksichtigt werden.
Die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Anstellwinkel des Fl�gelprofils von der Nabe zum Ende sind die Folge von Vor�berlegungen des Konstrukteurs.
Bei der Auslegung eines konkreten Rotors muss der Konstrukteur drei Entscheidungen treffen: Er muss erstens die Schnelllaufzahl, zweitens die sogenannte "Auslegungswindgeschwindigkeit"  und drittens die Fl�gelanzahl festlegen. Als Resultat daraus ergeben sich dann f�r jeden Einzelfall Fl�geltiefen und Verwindungswinkel.
Ein konkret mit verwundendem Rotorblatt und ver�nderlichen Profiltiefen gestalteter Rotor ist n�mlich nur f�r eine einzige "Auslegungs"-Windgeschwindigkeit ideal, f�r die sich der Konstrukteur entscheiden musste.  Bei allen anderen Windgeschwindigkeiten sind Verluste vom maximal M�glichen unausweichlich.

Erl�uterungen zum Sachverhalt:
Die unten aufgef�hrte Grafik veranschaulicht beispielhaft Fl�geltiefen und Verwindungswinkel eines 5m-Rotors mit einer Schnelllaufzahl von ca. λ=3.

Die Windumstr�mung des Rotorblattprofils (W) soll m�glichst  immer die gr��te Kraft f�r die Energienutzung erzeugen.
Der Vektor der mittleren Windgeschwindigkeit von vorn auf die Rotorerntefl�che (V��Wind) bleibt immer gleich.
Zur Nabenmitte hin wird der Rotorumdrehungsgeschwindigkeitsvektor (UR) immer kleiner (genau im Zentrum ist er Null).
Folgt das Profil der aus Umdrehungs- und Windgeschwindigkeit zusammengesetzter resultierenden Anstr�mungsrichtung (W) vern�nftigerweise , so wird die Verwindung zur Nabenmitte hin immer st�rker. Die gr��te Verwindung hat demzufolge die innere Rotorh�lfte, die kleinste die �u�ere.
Die untere Darstellung zeigt links die Str�mungsverh�ltnisse anhand der Str�mungsvektoren, rechts verdeutlichen die gezeichneten Spanten den dazu passenden "idealen" Rotor. (Angenommener Durchmesser 5m, Schnelllaufzahl λ=3)

Ende der Vor�berlegungen:
Das von uns entwickelte Rotorkonzept unterscheidet sich in drei Punkten von der oben beschriebenen theoretischen Idealkonstruktion:
1: Die Fl�geltiefe �ndert sicht nicht.
3: Das Fl�gelprofil bleibt �ber die ganze L�nge unverwunden.
3. Der Fl�gel �berstreicht als Halbfl�gler die �u�eren 75% der theoretisch 100% Erntefl�che.

Echter Halbfl�gler mit Fl�geln aus Schiffsbausperrholz, Spanten und Holmen.

Zur Wiederholung: Das mit unterschiedlichen Profiltiefen und verwunden gebaute und Rotorblatt "stimmt nur" f�r eine einzige "punktuelle" Windstr�mungsgeschwindigkeit, die im Betriebsfall nur minutenweise oder sogar nur sekundenweise vorkommt. Bei allen anderen Geschwindigkeiten nimmt die Leistungsentnahme des "Idealfl�gels" �ber die gesamte Erntefl�che gleichzeitig ab.

Der geniale Trick ist somit wie folgt begr�ndet:
Ein Rotorfl�gel, dessen Profil sich in seiner Tiefe nicht �ndert und der unverwunden ist, hat Vorteile. Denn in  niedrigen Rotornaben h�hen mit hohen Turbulenzanteilen in der Windstr�mung schw�chelt ein auf eine Auslegungsgeschwindigkeit optimierters Hochleistungsprofil.
Erfahrungswert:
Praktische Versuche haben ergeben, dass die Leistungsentnahme maximal wird, wenn der optimale Anstr�mwinkel und die (gleichbleibende) Fl�geltiefe f�r das Profil auf 5/6 der Fl�gell�nge (entspricht 2/3 der Profill�nge unseres Halbfl�glers) eingestellt wird.
Dann ist der Rotor  in einem weiten Windgeschwindigkeitsbereich selbstregelnd.
Die Generatorbelastung (Leistungsentnahme) und der sich bei den dann vorliegenden Drehzahlen anliegende Anstr�mwinkel sind dann meist gut angepasst.
1. Fall: Geringere Windgeschwindigkeit als f�r die Auslegung:
Es wird dann bei geringerer als der (Auslegungs-) Windgeschwindigkeit der �u�ere Bereich der vom Rotor �berstrichenen Fl�che am optimalsten genutzt. Der Rotor l�uft leicht an.
Die Erntefl�che ist dann gro�, die wirksamen Hebel sind lang.
2. Fall: H�here Windgeschwindigkeit als f�r die Auslegung:
Erreicht die Windgeschwindigkeit Werte, die die Pumpe bzw. den Generator �berlasten w�rden, "verlegt" der Rotor KUKATER Bauart sein str�mungstechnisches Wirkungsoptimum in den inneren Bereich, ohne dass die Windstr�mung auf der ganzen L�nge des Profils auf einmal abreisst.
Die effiziente Erntefl�che ist dann kleiner und die Hebelarme sind k�rzer.
Somit kann sich der Rotor automatisch in einem gro�en Betriebsbereich gut der Kennlinie eines Generators anpassen - bis in hohe Windgeschwindigkeiten gemeinsam mit Steuer- und Seitenfahne genau auf der Generatorkennlinie betreiben.
Sind B�en stark, rei�t die Str�mung zuerst an den dann �falsch� angestellten Blattspitzen ab und schont so die Konstruktion.
Passive Selbstregelung und passive Selbstsicherheit nennen wir das.
Bei Starkwind bleiben die windbelasteten Rotorfl�chen und damit die Windkr�fte optimal klein.

Wer den nach unseren Messungen ermittelten Leistungsverlust des "technisch vern�nftigen Fl�gels KUKATE" von ca. 15% vom optimalen Idealfl�gel (immer f�r nur eine einzige ideale Windgeschwindigkeit optimal!) ausgleichen will, brauch den Durchmesser des KUKATE-Rotors nur um 10% zu erh�hen, das hei�t konkret, die Profile um 5% zu verl�ngern !

Oben mitte ein  "klassische Spantenfl�gel" aus Bootsbausperrholz - gleiche Tiefe und unverwunden.
Daneben eine typischer KUKATE-Halbfl�gler mit dem genial vereinfachten Rotor zur Netzeinspeisung und unserem CK220 Alu-Profil

Der geniale Trick: Unverwunden mit einer Fl�geltiefe
 

Hier ein KUKATE-Einfachfl�gel aus einem1:10 gew�lbten Blechrechteck. In Entwicklungsl�ndern eine praktische Verwirklichungsm�glichkeit.

Das Anlaufverhalten eines Rotors ohne besondere Anlaufhilfe ist abh�ngig vom Verh�ltnis aus "Schattenfl�che" der Rotorbl�tter zur �berstrichenen (Ernte-)Fl�che

Das Verh�ltnis der Erntefl�che- das ist die von den Fl�gelprofilen �berstrichene Fl�che - zur Schattenfl�che der Fl�gel selbst ist abh�ngig von der Schnelllaufzahl SL. Bei Rotoren, die keine besondere Anlaufhilfe haben, soll das Verh�ltnis wenigstens 15% betragen, damit sie bei 2 bis 3 Windst�rken von selbst anlaufen. Bei einer SL von 3 oder kleiner ist das praktisch immer gew�hrleistet.