Eddy-2-Power H-Rotor

Vertikalachsrotoren bieten den Vorteil, dass sie auch aus turbulenten Windströmungen, wie sie häufig im Bodenbereich vorkommen, Strom gewinnen können. Da sie keine Windnachführung brauchen, ist die Mechanik wesentlich einfacher zu realisieren.

Auftriebsläufer, wie der H-Darrieus-Rotor, erzeugen Drehmoment durch Druckunterschiede am Rotorblatt, wie sie auch bei Flugzeugflügeln entstehen. Dadurch sind sie effizienter als reine Widerstandsläufer (z.B. die klassiche amerikanische Windmühle oder Savonius-Rotor). Widerstandsläufer haben einen hohes Drehmoment, können sich aber maximal so schnell wie die Windgeschwindigkeit drehen. Auftriebsläufer nutzen die Windernergie effizienter und erreichen dadurch höhere Drehgeschwindigkeiten.

Rotorblatt

Profil des Rotorblattes

Das aerodynamische Profil NACA 0018 ist durch sein symmetrisches Profil leicht zu bauen.

naca-profil-darrieus.jpg

Rotorblatt in Leichtbauweise

Zur Herstellung einer Rippe wurde ein NACA Profil berechnet, ausgedruckt und auf eine Multiplex-Platte geklebt. Das Profil kann mit einer Säge aus der Platte herausgesägt werden. Im Schwerpunkt des Profils (bei 8cm) wurde eine Öffnung für die M8 Gewindestange gebohrt.

Ein Rotorblatt besteht aus 6 Rippen, die auf eine 1m-Gewindestange aufgezogen werden. Jede Rippe wird mit je zwei Muttern und zwei Unterlegscheiben in gleichmässigen Abständen fixiert. Nach oben und unten bleiben 5cm frei für die Aufnahme der Rotorblätter.

darrieus_skelett.JPG

Die einzelnen Rippen werden mit einer PET-Folie mit 0,8mm Dicke bespannt. Ein Streifen von 90cm mal 42cm wird aus der Folie geschnitten und um die stumpfe Nase des Rotorblattes gelegt. Die losen Enden der Folie treffen sich beim spitzen Ende und können dort mit einem Lötkolben zusammengeschweißt werden.

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Varianten in der Leichtbauweise

Arbeitsschritte zur Bespannung eines Rotorblattes

Mit der folgenden Verfahrensweise haben wir die besten Ergebnisse erzielt, so dass die Folie dicht und geschlossen anliegt, keine Wölbungen hat und nicht eingerissen ist.

Bespannung in Bildern

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Winglets

Zur Verbesserung des Wikrungsgrades wird das Rotorblatt oben und unten mit Winglets abgedeckt.

Abspannen der Rotorblätter

Die Gewindestange schaut oben und unten ein wenig heraus. Hier kann sie dann Richtung Nabe abgespannt werden.

Anzahl Rotorblätter

Der Rotor besteht aus drei gleichartigen Rotorblättern in Skelettbauweise. Eine ungerade Anzahl an Rotorblätter verbessert das Anlaufverhalten und die Laufruhe.

Rotorarm

Dafür verwenden wir bislang ein Vierkantaluprofil. Sollte sich die Konstruktion nicht als stabil genug erweisen, werden wir die drei Rotorarme auf halber Länge noch miteinander verbinden. In der Draufsicht entsteht dann ein Dreieck. Zusätzlich wäre noch eine pyramidenartige Verbindung sinnvoll, um die Gewichtslast der Rotorblätter besser an die Nabe zu bringen.

Rotorarmaufhängung

Die Rotorarme werden mit einer Bremsscheibe verschraubt, die dann auf das Radlager an der Gondel geschraubt wird.

Rotornabe (an Gondel befestigtes Radlager)

Wir haben uns aus Kosten- und Stabilitätsgründen für das Radlager eines Fiat Pandas entschieden. Ähnliche Naben aus anderen Fahrzeugen sollten genauso gut funktionieren. Ein Blick auf den nächst gelegenen Schrottplatz hilft für den ersten Überblick.

Dimensionierung der Anlage


Vorüberlegungen & Berechnungen zum Rotor

Kräfte & Drehmomente

In der folgenden Grafik wird veranschaulicht welche Kräfte durch den Wind auf ein Rotoblatt wirken.

Kräfte_am_H-Rotor.png

Durch die Rotation ändert sich ständig die Anströmung des Rotors. Ein- und zweiblättrige H-Rotoren erzeugen während einer ganzen Umdrehung in zwei Phasen negative Momente. Sie brauchen deswegen eine Anlaufhilfe.

Drehmomente_H-Rotor.png

Insgesamt wirken mehrere sich überlagernde Kräfte auf die Rotorblätter, neben Wind und Strömung auch Trägheitsmomente bei Lastwechseln und bei hohen Umdrehungszahlenhauptsächlich die Fliehkräfte.

Fliehkraft

Die größte Herausforderung für die Rotorblätter stellt die Fliehkraft (Zentrifugalkraft) bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten dar. Bei Horizontalflüglern wirkt die Fliehkraft entlang des Rotorblattes und lässt sich durch entsprechenden Materialeinsatz in Nabennähe kompensieren. Bei Vertikalflüglern wirkt die Fliehkraft quer zum Rotorblatt. Deswegen muss es entsprechend verwindungssteif sein. Insbesondere die Aufhängung wird bei hohen Drehzahlen enorm belastet.

v = w * r (v: Bahngeschwindigkeit, w: Winkelgeschwindigkeit, r: Radius; Entfernung Rotor-Drehachse)

w = 2 * Pi * n (n: Umdrehungen im Bsp. n = 960rpm = 16*1/s)

v = 2 * Pi * n * r = 2 * Pi * 16*1/s * 0,5m =~ 50 m/s

F = m * v² / r

F = 1kg * (50 m/s)² / 0,5m = 5000N

Die Fliehkraft nimmt im Quadrat mit der Bahngeschwindigkeit zu. D.h. wenn sich die Drehzahl verdoppelt, vervierfacht sich die Fliehkraft.

Je nach Bauart und Aufhängung des Rotorblatts kann es durch die Fliehkraft verformt werden, was dann wiederum zu Unwuchten am gesamten Rotor führen kann.

Be- & Entschleunigungskräfte

Hier gilt es noch zu klären wie sich z.B. eine drastische Abbremsung des Rotors aus hoher Drehgeschwindigkeit auf die Rotorblätter auswirkt oder ob die Kräfte vernachlässigbar sind.

Sandsacktest

Eine einfach Methode zum groben Abschätzen der Stabilität und möglichen Verformungen des Rotorblatts bei hohen Drehgeschwindigkeiten ist der Sandsacktest. Dabei wird durch einige Sandsäcke die Fliehkraft "simuliert". Dazu wird das Rotorblatt wird horizontal am Träger aufgehangen z.B. indem die komplette Windradkonstruktion in die Horizontale gebracht wird. Dann werden Sandsäcke möglichst gleichmäßig über die gesamte Länge des Rotorblatts verteilt aufgehangen. Das Gesamtgewicht der Sandsäcke ermittelt sich aus der Fliehkraft geteilt durch die Schwerkraft die auf die Sandsäcke wirkt (Erdbeschleunigung auf Höhe des Meeresspiegels 9,81m/s²).

Ein 1kg Rotorblatt müsste nach der obigen Berechnung bei 960rpm mit 1m Rotordurchmesser knapp 500kg (=~ 5000N / 9,81m/s²) tragen können, um den Belastungen durch die Fliehkraft standzuhalten. Wenn das Rotorblatt 1m lang ist könnten zehn 50kg Säcke alle 10cm aufgehangen werden. Dabei zeigt sich welche Verformungen auftreten.

Bei maximal erwartbaren 490 Umdrehungen pro Minute wären es nur noch ~125kg also zehn 12kg Säcke, die das Rotorblatt tragen können muss um als stabil genug zu gelten.

Luftwiderstand der Gesamtrotorkonstruktion

Der Rotor stellt dem Wind auch im Stand einen Widerstand entgegen, der durch den Mast gehalten werden muss. Für den Luftwiderstand der Fläche nehmen wir vereinfachend einen Wert von 0,45 an (entspricht einer geschlossenen Röhre). Praktisch dürfte auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Luftwiderstand viel kleiner sein, da die Anlage gut durchströmt wird.

FWind = 0,5 * cw * ARotor * pLuft * vWind² (ARotor: Rotorfläche, pLuft: Luftdichte bei 10°C, vWind: Windgeschwindigkeit)

F = 0,5 * 0,45 * 1m * 1m * 1,2466kg/m³ * (24m/s)³ = 161,55N

Wirkungsgrad berechnen

Windleistung

Diagramm_Windleistung.png

Leistung Windrad+Generator

weitere beachtenswerte Details

Links

Eddy-2-Power/Rotor (last edited 2017-06-02 21:27:56 by anonymous)


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