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KUKATE
Rotorkonzepte

Vorbemerkungen: Diese Rotorkonzepte gehören nicht zu unseren exakten Bauanleitungen wie wir sie auf dieser OPEN WINDMILL-Website für die KUKATE34Kolbenpumpe präsentieren.
Sie sind jedoch ein Schatz für alle, die mit einem selbstgebauten Windrotor erfolgreich sein wollen.
Es sind keine ingenieurwissenschaftlichen und aerodynamischen Spezialkenntnisse erforderlich. Jeder Metallhandwerker wird erfolgreich sein, wenn er unsere Konstruktionsvorschläge an seine speziellen Bedürfnisse anpasst.

Drei verschiedene Rotorkonzepte für den Selbstbau

Sie können leicht nachgebaut werden und sind für den Einsatz in Entwicklungsländern konstruiert.

Durch die Veröffentlichung der Fertigungsunterlagen ermöglichen wir ihren weltweiten Nachbau.
Durch eine zusätzliche Klassifizierung der einzelnen Rotorkonzepte werden die spezifischen Vor- sowie Nachteile eines Konzepts verdeutlicht.

Mit diesem Angebot ermöglichen wir die Vorauswahl des passenden Rotortyps. Das gewährleistet eine den Bedürfnissen optimal angepasste Realisierung.

Rotor selbst dimensionieren

Der Rotor einer Windenergieanlage ist zweifellos die wichtigste Komponente, die die Energie aus der Luftströmung des Windes in technisch verwertbare Leistung umwandeln muss.

Wer einen Rotor selbst dimensionieren möchte, kann das nach der Anleitung Professor Dr. Horst Cromes machen. Er hat in seinem „Handbuch Windenergie Technik“ – Kapitel 5.4. „Rotorauslegung kurz und bündig“ in acht Schritten – beschrieben, wie es gemacht wird. Wer nach diesem „Rezept“ vorgeht, kommt zu den Ergebnissen, die er für seinen Bedarf braucht.

1

Segeltuchrotor

Segelwindmühle Rotorflügel

Sechsflügeliger Segeltuchrotor nach dem Vorbild der Segelwindmühlen – also mit Hilfe von aus Tuch gefertigten Segeln.
Vorteil: Er ist leicht zu variieren und zu reparieren. Die Konstruktion selbst verhindert auch im Sturmfall eine Überlastung.

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Bauplan

2

RoWiTool-Rotor

RoWiTool Rotor

Bei RoWiTool handelt es sich um ein kostenlos zugängiges, tabellenbasiertes Programm, mit dessen Hilfe es möglich ist eine Schablone für die Fertigung eines Rotorblattes zu generieren.

Zusammen mit den Grundkonstruktionselementen des Rotors der KUKATE34 lassen sich so Rotoren für verschiedene Anwendungen konstruieren, bauen und betreiben.

Ausgangsmaterial für die Rotorflügel sind dabei meistens Kunststoffrohre. Ihre runde Außenkontur bildet nach dem Zuschnitt die aerodynamische Saugseite des Flügelprofils.

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Bauplan

3

KUKATE34-Rotor

KUKATE34 Rotor

Der Rotorflügel, mit dem wir unsere KUKATE-Windräder antreiben.
Er besteht aus Wasserleitungs-Rohrholmen und zwölf Rotorblättern aus gewölbtem Blech.
Diese genial einfache und leicht zu bauende Konstruktion verhält sich aus aerodynamischer Sicht erstaunlich effektiv und ist für unsere Zwecke ideal.

Solche Rotorflügel nutzen wir für alle KUKATE34 Rotoren. Selbstbauer können mit diesem zwölfflügeligen Windrad Antriebe für beliebige Zwecke realisieren.

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Bauplan

Segelwindmühlenrotor

Die Hightech-Rotoren moderner großer Windräder lenken den Blick der Mühlenbauer gerne auf sehr stromlinienförmige Rotoren. Soll elektrischer Strom erzeugt werden, wird auch eine Schnelllaufzahl von mindesten 5 angestrebt. Für solche Anwendungen sind Segeltuchrotoren meistens nicht die 1.Wahl.
Sie drehen sich 40- bis 100-mal in der Minute. Der KUKATE-Segelrotor hat eine Schnelllaufzahl von 2,2. Für die Stromerzeugung muss dann meistens ein Getriebe zur Drehzahlerhöhung zwischen Rotorwelle und Generatorwelle installiert werden.

Leider haben auch die Selbstbauer von Wasserpumpen oft die vielen Vorteile alter Rotorkonzepte zu den Akten gelegt. Das wollen wir von OPEN WIND hier nicht. Wir freuen uns schon jetzt auf die Erfahrungs- und Erfolgsberichte der Betreiber, die Segeltuchwindräder bauen und betreiben.

Mit den folgenden Ausführungen schildern wir zunächst wie sie gebaut werden und dann am Schluss, warum sie so vorteilhaft sind.
Für den Einsatz der Segeltücher eignen sich unterschiedliche Materialien, wie beispielsweise Folien, Autoplanen oder auch Textilgewebe.
In den Fertigungsunterlagen, speziell in den Stücklisten wird somit kein spezieller Werkstoff für die Segel vorgeschrieben. Die trapezförmigen oder dreieckigen Segel werden aus mehreren Bahnen so genäht, dass sie vom Wind zu einem bauchigen Auftriebsprofil gedrückt bzw. gesogen werden.
Die Luftanströmung, die sich aus der Rotationsgeschwindigkeit und dem Wind zusammensetzt, wölbt sie zu einem wirksamen Auftriebsprofil.

Segelwindmühle Rotorflügel

Bei einer Segelwindmühle sind keine Rotorflügel der üblichen Bauweise montiert. Das Drehmoment des Rotors wird mit Hilfe von Segeln erzeugt. Diese werden vorne – luvseitig – auf Holme aus Holz oder Metall gesteckt. Der nachwachsende Rohstoff Holz spielt im traditionellen Mühlenbau eine sehr wichtige Rolle. Neben Holz aus Eschen hat sich Eichenholz für die Holme bewährt.

Am hinteren Ende (für Segler: dem Schothorn) sind die Tuchprofile am Umfangsseil befestigt und sind somit im Betrieb straff wie Schiffssegel. Es gibt je nach Anwendungsfall und Wind viele Justiermöglichkeiten.

Wählt man für die Verbindung vom Schothorn zum Umfangseil ein Gummiband so strafft sich das beim schneller werdenden Rotieren durch die Auftriebskraft immer mehr. Ab einer bestimmten Dehnungslänge des Gummibandes reißt die Strömung wegen des dann zu steilen Anstellwinkels ab und der Rotor wird nicht schneller. Das ist eine perfekte automatische Stallregelung!

Um die Modularität der einzelnen Rotorkonzepte zu erweitern, gehen wir bei der Konstruktion des Rotors der Segelwindmühle von der Rotornabe aus, die bereits in unseren anderen Rotorkonzepten verwendet wird. Diese passen wir konstruktiv so an, dass mittig eine Welle mit dem Durchmesser von 40mm durchgeführt werden kann.

Die Konstruktion des gesamten Rotors setzt sich aus der modifizierten Rotornabe, den Holmen, den Segeln und deren Abspannungen zusammen.

Für die Konstruktion haben wir zunächst Annahmen getroffen, die in der folgenden Tabelle stehen.

Bezeichnung

Annahme

Rotordurchmesser:

3,4 [m]

Rotorwirkungsgrad:

0,25 [-]

Blattanzahl:

6 [-]

Anstellwinkel:

17 bis 25 [°]

Wölbungsverhältnis der Segel im Betrieb:

1:10 bis 1:20 [-]

Schnelllaufzahl:

ca. 2,2 [-]

Segelwindmühle Rotor
Im Zentrum des Rotors befindet sich die auf der Welle befestigte Rotornabe.
Sie wird auf die Welle gesteckt und mit zwei 10 mm dicken durch Nabe und Welle gesteckten Schrauben oder auch durch geeignete Spannhülsen verbunden. An der Nabenscheibe sind durch Schraubverbindungen über Rohrschellen die einzelnen Rotorholme befestigt. Die Rotorholme sind durch Abspannungen miteinander sowie mit der Rotorwelle verbunden um während des Betriebs Schwingungen des Rotors zu unterbinden. Die Abspannungen sind aus 3–4 mm starkem Stahldraht, der mit Hilfe von genormten Drahtseilklemmen gespannt und befestigt wird.

Anders als in der Abbildung müssen die Seilenden nach der Kausche auf jeder Seite mit 4 Seilklemmen befestigt werden!

Vor allem bei Edelstahl-Drähten ist das wichtig. Sie sind glatt wie Seife und rutschen leicht. Die Seilklemmen sollten mindestens M6 Klemmbügel haben.

Für die Segeltücher eignen sich unterschiedliche Materialien, wie beispielsweise Folien, Autoplanen oder auch Textilgewebe. In den Fertigungsunterlagen, speziell in den Stücklisten, schreiben wir somit kein spezieller Werkstoff für die Segel vor. Die trapezförmigen oder dreieckigen Segel müssen aus mehreren Bahnen so genäht werden, dass sie vom Wind zu einem bauchigen Auftriebsprofil gedrückt bzw. gesogen werden. Die Luftanströmung, die sich aus der Rotationsgeschwindigkeit und dem Wind zusammensetzt, wölbt dann im Betrieb das Tuch zu einem wirksamen Auftriebsprofil.

Wenn wir die hintere Abspannung der Segel aus Gummibändern gestalten – man kann auch Stahlseile mit im Strang dazwischen montierten Stahlfedern nehmen – so ist der Rotor selbstsicher!
Hat der Rotor seine Nennleistung erreicht, dehnen sich die Abspannungen durch den stärker werdenden Sog zunehmend zur Leeseite hin. Die im Betriebsfall anliegende Luftströmung reißt dann an den Hinterkanten der Segel ab und verwirbelt. Die so entstehenden Verwirbelungen begrenzen in wünschenswerter Weise die Drehzahl. Eingebaute Sicherheit nennen wir so etwas.

Segelwindmühle Rotor

Diese Rotoren sind für viele Bedarfsfälle geeignet. Bei sehr starken Winden kann man einfach drei Segel abnehmen. Aber auch sonst gibt es beachtlich viele Varianten zum Experimentieren.
Ein weiterer Vorteil ist die größere Breite der Profile am äußeren Umfang. Sie erzeugen beim Anlauf und niedrigen Windgeschwindigkeiten ein großes Drehmoment. Dieses ist für Pumpe sehr erwünscht, da aus dem Stillstand heraus anfangs erst einmal die Haftreibung überwunden werden muss.

Bei zunehmendem Wind ist die Flügeltiefe außen – verglichen mit dem aerodynamischen Idealprofil – zu groß und die Pumpe wird geschont. Wird der Wind noch stärker, hat sie insgesamt drei Sicherheitssysteme:

 

  1. Die abreißende Strömung im äußeren Rotorbereich bei (zu) starkem Wind aufgrund der dann zu großen Flügeltiefe an den Enden.
  2. Die sich bei Starkwind dehnenden hinteren Abspannungen, die die Strömung abreißen lassen.
  3. Die Seiten- und Steuerfahnenregelung, die den Rotor bei Sturm aus dem Wind drehen.
    Wir von Green Desert sind schon sehr gespannt auf erfolgreiche Erfahrungsberichte, die wir gern mit Euren Änderungs- und Verbesserungsvorschlägen weitergeben.