Geniales
Rotorkonzept
Für die Kollegen, die es genauer wissen wollen.
Das auf dieser Seite beschriebene Rotorkonzept verdeutlicht überzeugend die Vereinfachung des theoretischen „Idealflügels“ hin zum technisch vernünftigen Flügel des bewährten KUKATE-Typs.
Die Inhalte setzen aerodynamisches Grundwissen voraus.
Bedenken Sie bitte: Ein kleiner Windenergie-Konverter ist kein „kleiner Großer“!
Bei kleineren Rotoren sind sehr gute Vereinfachungen möglich.
Bemerkung: In meinem „Handbuch Windenergie-Technik“ habe ich in den Abschnitten 5.3. „Der technisch vernünftige Flügel“ und 5.4 „Rotorauslegung kurz und bündig“ detailliert dargestellt, was ich hier nur kurz erklären kann.
Vorüberlegungen zum KUKATER Rotorkonzept:
Drei pragmatische Aspekte
Nun folgen drei Gedankenschritte. Der erste beschäftigt sich mit dem zu erbringenden Materialaufwand für die Flügel. Der zweite Schritt befasst sich mit der „Erntefläche“ (Das ist die Fläche, die vom Rotor überstrichen wird. Aus dieser Fläche entnehmen die Rotorflügel die Energie aus der Luftströmung.).
Der dritte Gedanke beschäftigt sich mit der perfekt wirkenden Verwindung des Flügelprofils von der Nabe zum Ende der Flügel.
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Materialaufwand für die Flügel
Aerodynamisch vernünftig und 85% Material gespart
Ein theoretisch aerodynamisch optimal gerechnetes Rotorprofil ist an der Wurzel (im Nabenbereich) breit und dick und an der Spitze schmal und schlank. (Man nennt dieses Maß die „Flügeltiefe“ T )
Überlegung: Teilen wir gedanklich die Länge des Rotorblattes von der Nabe bis zum Ende des Flügels in der Mitte der Länge in zwei gleich lange Teile.
Wir erhalten so eine innere und eine äußere Hälfte. Jetzt Betrachten wir auf der Grafik den Material- und damit den Kosten- und Gewichtsaufwand der beiden halben Flügel.
Aerodynamische Theorie
Aus strömungstechnischen Gründen (geringe Umströmungsgeschwindigkeiten, kurze Hebel) müssten bei einem idealen Flügel in der inneren Hälfte des Flügels ca. achtmal mehr Konstruktionsmasse verbaut werden als in der äußeren. Nur dann wird die Windleistung in diesem inneren Flächenviertel (!!!) von den Flügeln gut „abgeerntet“. Schön, wenn das KUKATE-Rotorprinzip da spart.
ERGEBNIS: In der Grafik ist ein „theoretisch-idealer Flügel“ abgebildet.
Wie man sieht, sind der Material- und damit der Kosten- und Gewichtsaufwand für die innere Hälfte eines „idealen“ Rotors um ein Vielfaches höher als der für die äußere Hälfte.
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Die effektive Erntefläche
Wie die Kreisscheibe verdeutlicht, überstreichen die inneren Flügelhälften des Rotors nur ein Viertel der Erntefläche, die äußeren jedoch drei Viertel.
Fakten:
- Alle Rotorblätter überstreichen mit ihrer inneren Hälfte nur 1/4 der Erntefläche.
- Sie sind meistens aus technisch und wirtschaftlich vernünftigen Gründen zur Mitte hin aerodynamisch nicht optimal gestaltet.
Schlussfolgerung für das KUKATE-Prinzip: Die OPEN WIND KUKATE-Rotoren haben innen kein Profil. Sie sparen deshalb große Flügelmassen im für die Leistung uninteressanten inneren Ernteflächenbereich.
Die KUKATE-Rotoren haben deshalb als Erntefläche einen Kreisring. Bei den außen liegenden Flügelprofilen sind die wirksamen Hebel länger und der Flügel wird schneller als innen umströmt.
Auch die Sturmbelastung ist viel geringer, wenn auf großflächigen Materialeinsatz im Bereich der Rotormitte verzichtet wird.
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Die Verwindung
Als dritter Schritt für eine „ideale“ Rotorauslegung müssen die unterschiedlichen Anströmrichtungen der Luftströmung auf das Rotorblatt berücksichtigt werden.
Die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Anstellwinkel des Flügels von der Nabe zum Ende sind das Ergebnis von theoretischen Vorüberlegungen 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 Flügelanzahl festlegen.
Als Resultat daraus ergeben sich dann für diesen Einzelfall eine Flügeltiefe und ein Verwindungswinkel an einer bestimmten Stelle des Rotorblattes.
Ein konkret mit verwundendem Rotorblatt und veränderlichen Profiltiefen gestalteter Rotor ist nämlich nur für eine einzige „Auslegungs-Windgeschwindigkeit“ ideal. Für diese muss sich der Konstrukteur entscheiden. Bei allen anderen Windgeschwindigkeiten sind Verluste vom maximal möglichen unausweichlich.
Die Grafik zeigt die Vereinfachung vom idealen Flügel bei einer Windgeschwindigkeit zum rechteckigen nicht tordierten „Halb-Flügel“ der KUKATE Bauart (schraffierte Rechteckfläche mit dem Auslegungsspant rechts oben).
Vom Komplexen zum Einfachen:
Ende der Vorüberlegungen
Das von uns entwickelte KUKATE-Rotorkonzept unterscheidet sich in drei Punkten von einer theoretischen Idealkonstruktion:
- Die Flügeltiefe ändert sich nicht.
- Der Flügel überstreicht als Halbflügler eine effektive (äußere) Kreisring-Erntefläche.
- Das Flügelprofil bleibt über die ganze Länge ohne Torsionswinkel.
Theorie und Praxis
Zur Wiederholung: Das mit unterschiedlichen Profiltiefen und verwunden gebaute Rotorblatt „stimmt“ nur für eine einzige „punktuelle“ Windströmungsgeschwindigkeit.
Diese kommt im praktischen Betriebsfall nur sekundenweise vor.
Bei allen anderen Geschwindigkeiten nimmt die optimale ausgerechnete Leistungsentnahme des „Idealflügels“ ab, weil dann alle Annahmen über die gesamte Rotorblattlänge nicht mehr genau stimmen.
Der geniale Trick der KUKATE-Rotoren ist somit wie folgt begründet:
Die aerodynamischen Vorteile für die Vereinfachung
Ein Rotorflügel, dessen Profil sich in seiner Tiefe nicht ändert und nicht verwunden ist, hat Vorteile.
Praktische Versuche haben ergeben, dass die Leistungsentnahme maximal wird, wenn der berechnete optimale Anströmwinkel und die errechnete Flügeltiefe für das Profil bei 5/6 der Gesamtrotorflügellänge stimmen.
Dann ist der Rotor in einem weiten Windgeschwindigkeitsbereich sogar selbstregelnd.
Die Leistungsentnahme und der sich bei den dann vorliegenden Drehzahlen anliegende Anströmwinkel sind dann gut an den Anwendungsfall angepasst.
- Geringere Windgeschwindigkeit als für die Auslegung:
Es wird dann bei geringerer als der (Auslegungs-) Windgeschwindigkeit der äußere Bereich der vom Rotor überstrichenen Fläche am optimalsten genutzt. Der Rotor läuft leicht an.
Der optimale Ernteflächenbereich ist außen groß, die wirksamen Hebel sind lang. Das ist erwünscht. - Höhere Windgeschwindigkeit als für die Auslegung:
Erreicht die Windgeschwindigkeit Werte, die die Pumpe bzw. den Generator überlasten würden, „verlegt“ der Rotor KUKATER Bauart sein strömungstechnisches Wirkungsoptimum in den inneren Bereich, ohne dass die Windströmung auf der ganzen Länge des Profils auf einmal abreißt. Sind Böen stark, reißt die Strömung zuerst an dem dann „falsch“ angestellten Blattspitzen ab und schont so die Konstruktion. Denn dann werden dort die Auftriebskräfte geringer. Auch die effiziente Erntefläche wird dann kleiner und die Hebelarme sind kürzer. Das ist erwünscht.
Die passive Rotorautomatik
Somit kann sich der Rotor automatisch in einem großen Betriebsbereich gut der Kennlinie eines Generators oder einer Pumpe anpassen. Bei hohen Windgeschwindigkeiten regeln die Steuer- und Seitenfahne die gewünschte Leistungsentnahme.
Passive Selbstregelung und passive Selbstsicherheit nennen wir das.
Bei Starkwind bleiben die windbelasteten Rotorflächen und damit die Windkräfte optimal klein.
Kleine Abweichungen vom Idealflügel
Der den nach unseren Messungen ermittelte Leistungsverlust des „technisch vernünftigen Flügels KUKATE“ beträgt ca. 15 % vom optimalen Idealflügel.
Einfach zu kompensieren
Wer die „ideale“ Leistung möchte, kann den Durchmesser des KUKATE-Rotors nur um 10% erhöhen! Unser KUKATE34-Rotor mit 3,4 m Durchmesser mit den einfachen Blechprofilen hat jedenfalls etwas mehr Leistung als ein Idealflügel-Rotor mit 3 m Durchmesser.
Der geniale Trick: zur Nabe hin kein Profil, eine gleich bleibende Flügeltiefe und keine Torsion.
Hier ein KUKATE-Einfachflügel aus einem 1:10 gewölbten Blechrechteck aus 5 mm dicken Aluminium. In Entwicklungsländern eine praktische Verwirklichungsmöglichkeit.