Ein Mast muss her

[Carl von Canstein]

Hallo Bernd! Dadurch, dass Du die Flaeche des Dreiflueglers in Vergleich mit dem Einfluegler setzt, gibst Du mir die Idee, dass der Einfluegler schon sehr nahe seiner optimalen Groesse liegen koennte. Vielleicht kann man ja irgendwann einmal einen vergleichenden Versuch machen, ob exakt die Flaechengroesse des Dreiflueglers auf den Einfluegler bezogen einen Unterschied und welchen im Vergleich zur bisherigen maximalen Groesse erbringt. An eine Groessenordnung von mehr als 1/4 der Umlaufbahn hatte ich auch nicht gedacht, 1/4 waere wohl das Limit! Das alledings koennte man ruhig noch ausloten, um Gewissheit zu bekommen. Ich wuerde ganz gerne mit Gewissheit wissen, wo genau die Grenze liegt, aber ueber 1/4 waere tatsaechlich etwas gross und wohl auch sehr viel schwerer im Sturm zu beherrschen. Ich stelle mir auch vor, dass eine Uebergroesse ab 1/4 dann garnichts mehr bringt, eher das Gegenteil.

Das bringt mich aber auch auf den Gedanken, dass selbst beim Dreifluegler die 100%optimale Fluegeltiefe nicht genau ermittelt sein koennte, weil Du zwar die idealen Proportionen des Fluegels in Bezug auf Vorfluegelbreite unf Fluegeltiefe kennst, aber das heisst noch nicht, dass die ideale Gesamtgroesse ermittelt ist. Du hast doch bisher immer die gleiche Leitflaechentiefe bei verschiedenen Vorfluegelbreiten genommen. Was geschaehe z.B., wenn Du den Angebervorfluegel mit einer proportional stimmenden also groesseren Leitflaechentiefe anwendest? Oder habe ich garnicht mitbekommen, dass Du da schon Messungen dazu gemacht hast? Waere mir dann aber ziemlich peinlich, ich entschuldige mich vorsichtshalber im Voraus! Gruss, Carl

[Tobi]

Hi Bernd,

Um mal wieder zum Thema zu kommen.
Aus den tiefsten Tiefen meiner Hirnrinde könnte ich noch aus Studienzeiten die statische Berechnung für so eine "Eingespannte Stüzte"
hervorkramen, wenn Bedarf besteht. Das wäre für Deinen Mast ohne Abspannung der Euler Fall 1. Wenn ich die genauen Abmessungen
von dem Mast habe kann ich Dir sagen welche maximale Last der dann abkann.
Was ich also kann ist Dir einen Mast, mit oder ohne Abspannung nach den einfachen Grundsätzen der Statik zu berechenen. Das reicht zwar nicht
fürs Bauamt (bzw. Prüfstatiker) aber sagt Dir obs halten wird oder eben sehr weit daneben liegt. Die bauüblichen Berechnungen sind sehr
konservativ und beinhalten recht hohe Sicherheiten.
Was ich nicht kann ist z.B. eine genaue Bemessung des Fundamentes, dafür braucht man genauere Angaben des Untergrundes. Ich kann Dir aber
nachvollziebare Vorschläge zur Dimensionierung machen.
Was ich überhaupt nicht kann ist eine sog. Lastannahme. D.h. wie auch immer abzuschätzen was Dein Rotor für eine Horizontalkraft erzeugt.
Man könnte als ungüstigsten Fall zwar die komplette überstrichene Rotorfläche nehmen, aber das wäre glaube ich zu schlecht fürs Ergebnis.

Ich hatte eigentlich schon länger vor dafür mal eine Excel-Tabelle zu bauen, das aber wieder fallen gelassen, da mir in letzter Zeit das wilde und
kommentarlose Editieren der Beiträge in der anderen Kneipe gewaltig gegen den Strich geht.

Gruß
Tobias

[Andre]

Hallo Tobi,

na dann will ich dich mal ganz herlich in der neuen Wirtschaft begrüßen. Schön das du den
Weg in die neue Lokalität gefunden hast. Wir können hier jede Unterstützung gut gebrauchen.
Insofern würde ich dein Ansinnen zum Erstellen einer Tabelle zum Überschlagen verschiedener
Statikparameter sehr begrüßen.

Gruss
Andre

[Bernd]

Hallo Tobias

Herzlich willkommen in unserem Forum. Ich freue mich sehr das du dich auch hier bei
uns angemeldet hast. Wir sind an allem interessiert was Dir zum Thema Windlast
einfällt. Ich muss zu geben das ich nicht so den Nerv habe mich jetzt Tage in das Thema einzulesen
und ausserdem bin ich selber auch nicht so der Mathematiker. Aber wenn Dir noch ein paar Dinge
einfallen die einem "Mastaufsteller" bei der Berechnung hilfreich sein könnten, dann wäre das prima.
Ich glaube man nimmt die Rotorfläche wie eine geschlossene Fläche an.

Vielleicht hast du im Darrieus Thread mit den "Helikopterblättern" gelesen das ich noch einen zweiten
Versuch mit Darrieusblättern machte. Im Gegensatz zu "deinen" war aus den nur 5cm tiefen Helikopter
Dingern aber nichts heraus zu holen.

Gern würde ich auch deine Meinung zu einigen Generatorfragen wissen. Da bist du ja (auch) Experte. !

Grüsse

Bernd

[Carl von Canstein]

Hallo Ihr drei, insbesondere Tobias, den ich als neues Forumsmitglied besonders begruesse! Wegen der Lastannahme habe ich Zweifel, ob selbst eine volle Flaeche anzunehmen ueberhaupt genuegt, weil es sich beim Windrad nicht um ein Objekt handelt dem der Wind wie z.B. einem Haus ausweicht. Dem Wind wird Energie entnommen, die nicht nur in Rotationskraft sondern auch in lateralen Druck umgesetzt wird. Wie stark dieser Druck ist, wissen wir noch garnicht. Wir nehmen aber Effekte an, wie sie bei der Flettnerrolle auftreten. Sigurd Savonius z.B. hatte seinen Rotor nur erdacht, weil er eine Loesung suchte, den Flettner-Rotor von seinem Hilfsmotor fuer die vielfache Umdrehungsgeschwindigkeit, welche fuer seine Funktion als Segel an einem Schiff notwendig ist, zu befreien. Es ist ueberliefert, das Sigurd Savonius viele Jahre lang mit seinen Rotoren auf dem Wasser herumexperimentierte. Er wollte wie Flettner seine Rolle den durchstroemten Savonius als Nur - Segel einsetzen. Wie sehr das funktioniert hat, weiss anscheinend kein Mensch, was aber garnichts zu sagen hat. Die Menschen wissen vieles nicht von den Erfindern. Schiffe mit Horizontalrotoren hat es uebrigens auch gegeben, diese funktionieren sogar sehr effektiv, da wird nicht etwa die Drehkraft auf eine Schiffsschraube uebertragen sondern es wird richtig gesegelt, mit enormem Wumm dahinter, staerker als bei einem einfachen Segel !!! Also - wegen der Lastannahme wuerde man vielleicht irren, wenn man nur die reine Flaeche in Betracht zieht. Ich wuerde eher annehmen, dass es darauf ankommt, wieviel Energie eine Flaeche aus dem Wind beziehen kann und in welche Komponenten sich diese in ihrer Wirkung dann aufteilt. Eine im Wind stehende Litfasssauele bezieht ja nie die gleiche Energie wie ein Rotor. Ueber die Drehkraefte wissen wir zwar relativ gut Bescheid, aber da sind mit absoluter Sicherheit auch enorme geradlinie Kraefte vorhanden - also Druck in eine bestimmte gerade Richtung welche nicht mit der Windrichtung uebereinstimmt - was man bei einer Lastannahme nicht vergessen darf. Wenn wir einmal die enormen Energiesteigerungen in Betracht ziehen, die sich um ein - zig - Vielfaches vermehren, wenn der Wind nur doppelt so stark blaest, dann wird da deutlich, dass ein Windrad, welches dem Wind viel Energie entnimmt wohl andere und vielleicht auch viel mehr Last tragen muss als z.B. eine Hauswand. Gruss, Carl

[Bernd]

Der Vorstellung das ein Windrad einem höheren Druck oder Kraft ausgesetzt ist als eine geschlossene
Fläche möchte ich widersprechen. Diese Annahme erscheint mir unlogisch denn man kann Energie nicht
aus dem Nichts herholen. Wenn ich dem Wind schon Energie entziehe und als elektrische Energie
abführe, dann kann für mein Verständnis der verbliebene Rest an Energie nicht grösser sein als vor
der Entnahme der mechanischen Energie in Form von elektrischer Energie. Ein Teil der mechanischen
Energie des Windes ist also schon entnommen worden.
Das wäre ja sonst was alle gerne hätten, das Perpeteum Mobile. Energie entnehmen und hinterher
mehr Energie haben als vorher.

Es mag durchaus möglich sein das die verbliebene Druckkraft nicht genau in Windrichtung wirkt weil evtl.
Flettnereffekte oder was auch immer die verbliebene Restdruckkraft in eine andere Richtung leitet, aber diese
Kraft kann nicht grösser sein als bei Windruck 90 Grad zu einer Wand. Man kann ja, ich wiederhole
mich, nicht Energie herbei zaubern. Wenn also die verbliebenen Druckkräfte ganz oder zum Teil in eine
andere Richtung weisen, so ist das für die Auslegung des Masten eigentlich relativ unerheblich denn
der soll ja in allen Richtungen mit den auftretenden Kräften klar kommen können. Ich glaube auch nach wie
vor das schon die Annahme einer geschlossenen Fläche, abhängig vom Bauprinzip des Windrades aber dennoch
grundsätzlich, für einen Rotor zuviel des guten wäre. Ein nicht unerheblicher Teil des Windes kann
schliesslich, ohne die Rotorblätter zu belasten, den Rotor wirkungslos passieren.

Grüsse

Bernd

[Carl von Canstein]

Hallo Bernd!

Natuerlich kommt es darauf an, was wir an einer geschlossenen Flaeche berechnen. Ist es der energetische Inhalt des Windes oder ist es der Widerstand, den diese Flaeche dem Wind entgegensetzt, z.B. der cw Wert. Wenn der energetische Flaecheninhalt berechnet wird, so stimme ich Dir voll zu, dann haette ich Tobi wohl sehr missverstanden; wird jedoch eine dem Wind ausgesetzte geschlossene Flaeche berechnet, also der Anteil der Energie, den diese aus dem Wind aufnimmt, so ist ein Vergleich mit einer Platte, auf die der Wind senkrecht auftrifft, falsch. Wir duerfen auch nicht die linear mit dem Wind verlaufenden Druckkraefte auf den Mast vergessen, die die Drehachse aus der Umsetzung von Auf- und Vortrieb der Fluegel in Drehbewegung aufnimmt. Wenn ich nicht schon einen Versuch gemacht haette, ein Windrad zwischen Drachen und Zugleine drehbar gelagert steigen zu lassen, wuerde ich diese dort zwar etwas anders gelagerten und wohl weit staerkeren Kraefte auch unterschaetzen. Dennoch sind solche Kraefte in nicht zu unterschaetzendem Anteil auch beim Windrad mit vertikaler Drehachse vorhanden! Ich hatte bei dem Airborne-Versuch kaum genug Kraft, den Rotor und Drachen gegen Wind und zusaetzliche Stroemung durch das Einholen gegen den Wind auf den Boden zurueckzubekommen. Der Wind war kaum mehr als 5 ms schnell, der Drachen im Quadrat 1,5qm gross und der Rotor zwischen Drachen und Boden hatte nur 1m Durchmesser.

Gruss Carl

Foto:Windrad am Himmel

[Bernd]

Natuerlich kommt es darauf an, was wir an einer geschlossenen Flaeche berechnen.
Ist es der energetische Inhalt des Windes oder ist es der Widerstand, den diese Flaeche dem Wind
entgegensetzt, z.B. der cw Wert

Um das ganze mal etwas durchischtiger zu gestalten, es geht darum welche Kräfte auf einen Masten
wirken auf dem ein Windrad montiert ist. Es geht also darum wie stark dieser Masten "verbogen und belastet"
wird und welche Kräfte er an seiner Spitze aufnehmen muss.

Ich bin der festen Überzeugung das eine riesige Holzplatte, in ihrer Grösse entsprechend
der Rotorfläche, die so im Wind hängt das der Wind im 90 Grad Winkel auftritt, dem Masten weitaus
grössere Belastungen bescheren würde als ein mehr oder minder luftdurchlässiger Rotor, völlig egal ob
dieser dreht oder steht. Wie sollte sonst bitte ein 3MW Windrad, das eine Rotorfläche wie ein Fußballfeld hat,
Rotorurchmesser 80m, auf einem abspannungsfreien(!!) 70m hohen, im Verhältnis spargeldünnen Masten
von (am dicken Fußende) 5,5m Durchmesser, funktionieren ?? Wenn wir so rechnen wie du Carl es für
notwendig erachtest, müsste der Masten vermutlich 30 oder 50m dick sein, wenn das überhaupt reichen würde.
Man kann alles übertreiben oder sagen wir "zu gut meinen" Carl, auch die Dimensionierung/Auslegung von
Rotor oder Masten.

Die auftretenden Torossionskräfte durch die Abstützung des Generators am Masten kann man sich ja relativ
leicht ausrechnen und mit einbeziehen. Ohne zu rechnen würde ich sagen das diese seIbst ein dünner
Masten locker aufnehmen sollte denn sie sind nicht so riesig. Ich glaube man sollte nicht übertriebene Angst
vor dem Bau, der Auslegung und der Aufstellung eines Windrades entwicklen sonst macht das alles keinen Spass mehr !!
Gut gemeinte Ratschläge sind sicher hilfreich, und auch wichtig, aber man kann auch eine Angstneurose vor dem
eigenen Vorhaben entwicklen die den interessierten Bastler handlungsunfähig macht. Wenn man immer und ständig
den warnenden Zeigefinger schwinkt, dann verliert jeder die Lust, mich eingeschlossen. Wenn man für ein sagen
wir 2m² Rotor einen Masten von vielleicht 3m Durchmesser ausrechnet, dann mag das Ding zwar jedem erdenklichen
Sturm trotzen, aber das bringt einen nur zur der Erkenntnis das die Aufstellung eines Windrades nicht nur finanziell
völlig unsinnig und wenn man weniger proportioniert, ein lebensgefährliches Wagnis wäre. Ganz so ist es sicher nicht.

Ich muss da Peter zustimmen, wir sollten darüber reden wie man etwas sturmfest bekommt, und nicht darüber
das es eigentlich unmöglich wäre. Klar kann man alles pauschal zig fach überdimensionieren, aber macht das wirklich Sinn ?
Wer kann sich das leisten ? Schon mit der Annahme der "geschlossenen Fläche" für die Lastberechnung hätte man nach meiner
Überzeugung ganz sicher den Masten überdimensioniert und einiges an sehr wahrscheinlich unnötiger Sicherheitsreserve
mit einkalkuliert. Beweiss mir das Gegenteil.

Grüsse

Bern

[Tobi]

Hallo zusammen,

Also auch wenn Heute Sonntag ist hab ich leider nicht viel Zeit. Ich hab hier aber mal eine Tabelle aus meinem
alte Statikbuch abgetippt um zu zeigen von was ich rede.



Das sind Mittelwerte die auf eine gesamte Fläche anzuwenden sind, z.B. auf eine Aussenwand. Dabei ist schon
gut zu sehen wie stark die Werte von der Höhe des Bauteis über Grund abhängig sind.
Für einzelne Bauteile wie z.B. Sparren oder Pfetten sind diese Werte nach DIN 1055 um das 1,25fache zu
erhöhen.

Nur so als Beispiel. Angenommen sei ein Windrad mit 10m² Rotorfläche. Das wäre als Vertikalläufer so gut
3x3m, und als Horizontalläufer ein Rotordurchmesser von gut 3,50m. Wenn ich die gesamte Fläche als
Windlast bei >8m Masthöhe nehme käme ich auf einen Staudruck von 10,4 kN. Das sind rund eine Tonne
Druck. Das ist viel zuviel, denn diese Last würde ja von den Rotorblättern erzeugt, und das schaffen die
nicht. Noch weiter gerechnet würde eine Großanlage mit z.B. 60m Durchmeser und 50m Nabenhöhe rund
4043kN bzw. 400to Horizontalschub erzeugen. Das wäre statisch mit den Masten nicht zu beherrschen.

Da muß es noch irgend was anders geben. Möglicherweise lediglich die Fläche der Flügel. Trotzdem sind
Windkräfte nicht zu unterschätzen.
Und Carl ich finde Dein Versuch von dem Foto großartig, und auch wenn Du schreibst das es sehr schwer
zu halten war, sollten wir nicht vergessen das das System Mensch ein ziemlich schwächliches Weichei ist,
bzw. bei seiner Konstruktion so was nicht vorgesehen war.

Gruß
Tobias

[Bernd]

Danke Tobi für die Tabelle, die schon mal etwas Licht ins Dunkel bringt.
Kannst du sagen was der Aufschlagfaktor von 1,3 zu bedeuten hat ?

Praktischer Weise ergibt sich ja bei Orkan ein glatter Wert von ca. 100Kg Last pro m².
Bei dem Beispiel mit der Grossanlage würden dann pro Flügel schon ca. 130 Tonnen den
Flügel nach hinten biegen. Wie du schon geschrieben hast würden das die Flügel niemals
aushalten, auch dann nicht wenn man die Fliehkraft als positive Komponente mit einbezieht,
da diese die Flügel "gerade zieht". Gegen derartige Kräfte würde sie nicht ankommen. Man muss
allerdings auch bedenken das diese Anlagen ab eine bestimmten Windstärke still gesetzt werden.
Aber man kann auch davon ausgehen das der Turm so konzipiert wurde, das bei einem Versagen
des Abschaltens der Turm nicht gleich umknickt.

Nun bleibt noch zu klären wie man tatsächlich vorzugehen hat bei der Ermittlung der Windlast für
eine bestimmte Bauform von Windrad. Kann man da das Verhältnis von Blattfläche zu Freifläche
des Rotors nehmen ? Ich meine es scheint ja logisch das z.B. ein Einflügler weniger Windlast auf den
Masten bringt als ein Rotor der 3 von diesen Blättern trägt (gleiche Blattgrösse). Vielleicht liegt in
dieser Überlegung die Lösung ?

Grüsse

Bernd