Strömungsverhalten des bewegten Profils

[Rundling]

Schönen guten Tag zusammen,

eine wirklich interessante Arbeit habt Ihr da am Laufen - mit einem lobenswerten Ansatz, aus bezahlbaren Materialien auch für technisch versierte Selbstbauer ein ansprechendes (leistungsfähiges) System zu entwickeln.

Die Zusammenfassung von Bernd eingangs habe ich gründlich durchgearbeitet und gleich zwei Fragen:

Wieviel Messreihen (Umläufe) liegen denn der statischen Drehmomentmessung zugrunde?
Könnt Ihr mir eine Tabelle zum Zusammenhang zwischen verschiedenenWindgeschwindigkeiten und jeweiliger Umlaufgeschwindigkeit (Umdrehungszahl) angeben, bitte?
Bei welcher Windgeschwindigkeit wurde gemessen?


Hintergrund für meine Fragen ist folgender:

Bei bewegten Profilen ändert sich wegen der Eigenbewegung des Rotors der Anströmwinkel der Luft: zum Richtungsvektor der Windgeschwindigkeit addiert sich der für den "Gegenwind". Der Winkel wandert also mit höherer Drehzahl bei gleicher Windgeschwindigkeit immer weiter Richtung Vorderkante, bei höherer Windgeschwindigkeit und gleicher (niedriger) Drehzahl immer weiter auf die Windrichtung zu; bei Stillstand erreichen wir den gemessenen statischen Zustand.
Ähnliche Effekte ergeben sich beim Segeln aus der Eigenbewegung des Schiffs.
Excel habe ich nun bereits so weit gequält, dass ich beliebige Windgeschwindigkeiten und Drehzahlen eingeben kann, und dann für den umlauf 10°-weise die Anströmrichtung ausgegeben wird.
Gerne würde ich nun versuchen, mit Hilfe der Anströmwinkel relativ zum Profil dynamische Drehmomentkurven aus Eurer statischen abzuleiten.
Bin gespannt, ob sich irgendwelche Erkenntnisse ergeben, die sich hier be-/verwerten lassen.
Allerdings brauche ich eben dazu bitte eine Antwort vor allem auf die zweite und dritte obere Anfrage. Ist das machbar

Noch etwas:
Für wie zutreffend haltet Ihr die statische Drehmoment-Messung?
Ich finde bereits das getane außerordentlich, doch ich fantasiere mal:
Eine annäherd laminare Strömung erzugt Eure Wand nur, wenn Sie mit einem "Kanal", also Wänden umgeben wird. Wenn das nicht vollständig möglich ist, sollte eine solche Ummantelung bis wenigstens auf Höhe des Rotors reichen. Für wirklich vergleichbare Werte von Gradstellung zu Gradstellung müsste man dann wohl zusätzlich so messen, dass die angeblasene Profileinheit sich möglichst mittig immer im selben Punkt befindet - also die Aufhängung im Kreis drum herum positionieren, und das Profil "auf der Stelle" drehen.

Gruß,
Rundling

[Bernd]

Hallo Rundling

Wieviel Messreihen (Umläufe) liegen denn der statischen Drehmomentmessung zugrunde?

Die Messwerte ermittelte ich bei einem Umlauf ( 360 Grad ) alle 10 Grad, oder verstehe ich die Frage vielleicht falsch ?

Könnt Ihr mir eine Tabelle zum Zusammenhang zwischen verschiedenenWindgeschwindigkeiten
und jeweiliger Umlaufgeschwindigkeit (Umdrehungszahl) angeben, bitte?

Das Verhältnis war bei den während der Messung zur Verfügung stehenden Windgeschwindigkeiten konstant.
Es beläuft sich auf ein Leerlauf TSR von ca. 0,82 und belastet auf dem Gipfelpunkt der Leistungskurve
ergab sich ein TSR von ca. 0,5.

Bei welcher Windgeschwindigkeit wurde gemessen?

gemessen wurde fast immer als Vergleichsmessung vor zwei 40cm Zimmerventilatoren.
Speziell das TSR wurde auch im Garten ermittelt. Es waren dort ziemlich genau 0,82.
Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit betrug im Garten während dieser Messung ca. 3,5 - 4m/s.

Für wie zutreffend haltet Ihr die statische Drehmoment-Messung?

Keine Laborbedingungen. Wirkliche Windkanalbedingungen waren nicht vorhanden.
Die ermittelten Werte können also von "Idealwerten" in einem Windkanal abweichen.
Da der geprüfte Rotor durch das bei ihm überwiegend zur Leistungserzeugung beitragende Widerstandsprinzip
sehr unempfindlich gegen verwirbelte Strömungen ist, dürfte der Messfehler aber kleiner als bei einem
Auftriebsläufer unter gleichen "nicht idealen" Bedingungen sein.

Grüsse

Bernd

[Rundling]

Hallo Bernd,

nach der Anzahl Durchgänge habe ich vor allem wegen der wellenförmigen Ausschläge bei 90° bis 110°und bei 290° bis 310°gefragt.
Werte werden sicherer, wenn man die Reihen mehrfach durchmisst, also über mehrere Umdrehungen - aber sei's drum. Werde mir die Rotorform mal in die fraglichen Stellungen "denken" und überlegen, warum es evtl wegen der STrömungswechsel an den Kanten zu den Schwankungen kommen kann.

Werde auch mal zuende-exceln und Euch dann die Veränderung der Drehmoment-Kurve für Schnellaufzahlen von 0,5 und 0,85 präsentieren.

Wie verhält sich denn eigentlich der Einarm-Rotor, wenn man ihn in Stellung 220° bis 280°, also bei Negativmoment festhält, und dann den Wind einschaltet und loslässt? Normalerweise müsste er etwas zurückfahren - und dann? Kommt er dann in Pendelbewegungen und läuft irgendwann los, oder genügen die (Eigen-) Turbulenzen, dass er doch irgendwann mal Wind von schräg bekommt, oder bleibt er bei 220° auf 0 Drehmoment hängen?

Rundling

[Bernd]

Werte werden sicherer, wenn man die Reihen mehrfach durchmisst, also über mehrere Umdrehungen - aber sei's drum

Theoretisch vielleicht ja, aber egal ob ich den Flügel eine Runde weiter drehte, bei einem bestimmten Winkelgrad ergab
sich immer wieder der gleiche Messwert, was ich persönlich auch für logisch halte da sich ja nichts an den Rahmenbedinungen
änderte. Überhaupt habe ich die Messwerte ermittelt in dem ich oft nochmal zurück und nochmal vor ging und dann,
wenn kleine Differenzen auftraten, diese mittelte. Besser gehts unter diesen Bedingungen glaube ich nicht.
Wenn sich "Wellenausschläge" unerklärlicher Art ergaben, dann lag es glaube ich weniger an der Messmethode als
mehr am Wirkprinzip der Konstruktion.

Noch ein paar Sätze in eigener Sache :
Ich möchte betonen das alles was bisher ermittelt wurde, egal bei welchen Messungen, bitte nicht als "Maß aller Dinge"
herangezogen werden soll. Es führt derzeit hier im Forum oft zur Erstellung von diversen Berechungstabellen die dann auf andere
User "absolut bindend" wirken können.
Ich bin der Meinung das das weitere Erforschen und weitere Verbesserungen durch zuviel "Vorgabe" in Form von Berechungshilfen
eher behindert werden kann. Ist so eine Exeltabelle erstmal erstellt, wirkt die Einhaltung der daraus erstellten "Bemassungsvorgaben"
auf Neulinge wie ein Muss von dem man am besten keinen Millimeter abweichen sollte um optimale Ergebnisse zu erzielen,
dabei sind es erst die Erkenntnisse die wir an einem 50cm Rotor gewannen. Sie weisen bestimmt in die richtige Richtung,
können aber vom Optimum noch ein gutes Stück entfernt liegen. Bitte weiter experimentieren !
Ich möchte hier ausdrücklich dazu anregen auch mit differierenden Bemassungen und Bauvarianten Experimente zu machen.
Lasst euren Ideen freien Lauf ! Fortschritt besteht nicht aus reinem Nachbau.

Wie verhält sich denn eigentlich der Einarm-Rotor, wenn man ihn in Stellung 220° bis 280°, also bei Negativmoment festhält,
und dann den Wind einschaltet und loslässt? Normalerweise müsste er etwas zurückfahren - und dann? Kommt er dann in
Pendelbewegungen und läuft irgendwann los, oder genügen die (Eigen-) Turbulenzen, dass er doch irgendwann mal Wind
von schräg bekommt, oder bleibt er bei 220° auf 0 Drehmoment hängen?

Er läuft ganz langsam zurück, je nach Stellung an der man ihn los lässt.
Es kommt dann meist zu einer ausklingenden Pendelbewegung und meistens ergibt sich dann ein stabiler Punkt an dem der
Flügel stehen bleibt und sich nicht mehr rührt.
Bei Gartenwind mit seinen viel stärkeren Richtungsänderungen kommt es irgendwann zu einem "Losbrechen" und
dann läuft der Rotor auch mit nur einem Flügel an und läuft dann rund.

Grüsse

Bernd

[Rundling]

Hallo Bernd,

dann waren es je Messpunkt ja doch mehrere Versuche - prima.
Nein, vorsetzen will ich niemandem was, nur sichergehen, dass das bisherige vor eigenen Experimenten von mir verstanden ist und auch eine gewisse Vergleichbarkeit eintritt. Mich hat es außerdem einfach gereitzt zu versuchen, aus der statischen Kurve ein dynamisches Drehmomentverhalten abzuleiten.

Ich erklär's mal kurz und sehe, ob ich das auch mit Bildern hinkriege:

Als erstes braucht man Eure statische Messkurve in Tabellenform. Ich habe Sie also als Wertetabelle nachgebildet und anhand der grafischen Darstellung auf Gleichheit überprüft (in der Abbildung blau).

Nachgebildet.JPG (30.54 KiB) 17336-mal betrachtet

Die erste Rechnung: zum Richtungsvektor des Windes (Rechte Darstellung unten, blau) den des Gegenwinds addieren (Gegenrichtung zur Eigenbewegung, unten am Kreis quer, schwarz) ergibt für jeden Kreispunkt den Anströmwinkel.

Anströmung und Drehmomentkurve für Lambda = 0,5

Beisp_0.5.JPG (56.32 KiB) 17339-mal betrachtet

Man sucht nun in der Statischen Drehmomentkurve den Winkel der Rotorstellung, der dieselbe Anströmung hat wie sie am gerade berechneten Kreispunkt herrscht und überträgt den Wert. Man erhält dadurch links die rote Kurve.

Beispiel: für den Kreispunkt bei 50 Grad (im Kreisdiagramm unten halb links) erhält man statt statisch 50° einen kleineren Anströmwinkel von 22°, da der Gegenwind die Windströmung von unten nach oben nach rechts auslenkt. Einem solchen Winkel aber entspricht in der ursprünglichen Tabelle ein Drehmoment von zwischen 20° und 30° (zwischen dem 3. und 4. blauen Messpunkt). Dies wird also jetzt in der roten Kurve für die dynamische 50°-Stellung wirksam (6. roter Punkt).
Bei Schnelläufern (Lambda > 1) geht die Auslenkung so weit, dass sie außer in der 90°-Stellung immer von der vorlaufenden Kante her angeströmt werden und aufgrund der Flügelprofilierung nahezu ständig Auftrieb haben.

Das ist aber noch nicht alles:
Der Gegenwind am bewegten Flügel verändert auch die Anströmstärke (also die effektiv einwirkende Windgeschwindigkeit), und zwar verstärkt sie sich im Gegenwindbereich, der Mitwind schwächt sich dagegen ab. Das wird im Kreisdiagramm sichtbar durch die unterschiedlichen Längen der roten Linien.
Zum Schluss das Diagramm mit den ursprünglichen statisch gemessenen Drehmomenten (Lambda = 0) und den beiden Kurven für
Lambda = 0,5 (rot) bzw. Lambda = 0,85 (gelb)

Dyn_0.5_0.85.JPG (25.86 KiB) 17119-mal betrachtet

Man sieht, dass jeweils der Bereich mit "Schub" sich sich etwas einengt und einen kleineren Winkelbereich einnimmt als in der statischen Kurve; der Bereich mit Gegenströmung hingegen sich aufweitet.
Außerdem wirkt sich der Fahrtwind auf der "Antriebsseite" recht ungünstig aus und verstärkt den Bremseffekt auf der "Gegenwindseite".
Hier dürfte das meiste Optimierungspotential verborgen liegen: einerseits möglichst gutes Ausnutzen des Mitwinds (Innenprofil des Vorflügels und "Einleitverhalten" der Leitfläche), andererseits möglichst wenig Widerstand bei Gegenwind (Außenprofil).
Von statisch bis Lamda = 0,85 sinkt also durch den zunahmenden "Fahrtwind" das Gesamt-Dehmoment erwartungsgemäß, und zwar über den ganzen Kreisdurchlauf auf ca. 30%.

Was den "Einarmigen" betrifft, hast Du mir bestätigt, dass ich die Kurve richtig lese.

So, genug Theorie, jetzt wird gewerkelt!
Übrigens bevorzuge ich den Zweiarmer, ist leichter zu bauen - und schaut Euch mal die Ausbeute für 6 Arme bei 2 Dreiarmern bzw. 3 Zweiarmern an!
(Ja, ich weiß, wäre ein Generator mehr, aber jetzt zählt erstmal einfache Bauweise!)

Rundling

[klingei]

Wow tolle Arbeit. Vielen Dank. Ich möchte das auch verstehen und rechnen können

Gruß Klingei

[Bernd]

Hallo Rundling, super Sache, auch wie schnell du das gezaubert hast, meinen Respekt !
Wenn ich das recht verstehe gehst du bei deinen Berechnungen davon aus das im gesamten Bereich
des Rotorumlaufs Wind der gleichen Stärke aus der gleichen Richtung auf den Flügel wirken kann.
Tatsächlich werden die Abläufe innerhalb des Rotorzylinders aber noch weit komplexer sein, denn zum einen
sinkt die Windgeschwindigkeit hinter einem Flügel durch Abschattung aber auch durch das "Abernten" der
Windleistung durch den Flügel selbst, zum anderen wird durch den Kreisumlauf auch die Windrichtung
innerhalb des Kreisumfangs in Drehrichtung beeinflusst, ausserdem entstehen vermutlich Wirbel etc.

Ein Zweiflügler erntet aus der gleichen Windfläche (!) weniger Energie als ein Dreiflügler.
Nur bezogen auf die "Leistung pro Flügel" hat ein Zwei- oder gar Einflüger Vorteile. Dafür bedarf es
dann allerdings mehr Windradfläche bzw. wie in deinem Beispiel einem dritten Windrad.
Optisch find ich den Zweiflügler allerdings auch sehr schön. Was Dinge wie einfachere Auswuchtung, besseres
Startverhalten, weniger Schwingneigung und gleichmässigere Leistungsabgabe im Umlauf anbelangt, hat ein
Mehrflügler allerdings klare Vorteile.
Ich freue mich schon auf das Windrad das du bauen wirst. Viele Fotos wären toll.

Grüsse

Bernd

[Rundling]

Hallo zusammen,

ganz so schnell wie's Euch vorkommt, war's dann doch nicht - hatte die Rechnungen schon vor der Anmeldung hier eben bis auf die letzten Fragen fertig.

Bernd, Du hast völlig recht mit den idealisierten Annahmen. Turbulenzen innerhalb des Drehkreises, Abschattung etc. geben halt weder die (einfache) Mathematik noch die Ausgangsdaten her. Da müsste man entweder komplizierte Strömungs-Simulationen oder eben reale Messungen bemühen.
Bei echtem Betrieb spielen allerdings nicht nur Wechselwirkungen zwischen Profilen (mit Aufhängungen!) und Wind, sondern spielt immer auch die Massenträgheit der bewegten Teile selbst eine entscheidende Rolle für das momentane Drehmoment, man kann also nur das Gesamtsystem "von außen" messen, allenfalls die "Wirkung" verschiedener Profile, wie bei Euch schon geschehen.

Ein Windrad wird's auch noch nicht, sondern erstmal etwas Arbeit an Modellen im Klein(st)windkanal. Auch dafür erst mal der "Zweiarmer", später kann das anders aussehen. Melde mich bestimmt wieder, wenn's Neuigkeiten zu berichten gibt, kann aber dauern, mache das auch nur in dritter oder vierter Linie nebenbei.

Gruß, Rundling

[Bernd]

Hallo Rundling, ich wünsche Dir auf jeden Fall viel Erfolg bei deinen Vorhaben und wir freuen
uns irgendwann wieder von Dir hören zu können. Vielen Dank nochmal für deine Berechnungen
des dynamischen Drehmoments.

Grüsse

Bernd

[Rundling]

Besten Dank!

Musste nochmal einreifen. Hatte in meiner Rechnung zwar die Beeinflussung des Anströmwinkels richtig drin, aber die Auswirkung auf die einwirkende Windgeschwindigkeit "unterschlagen". Das ist jetzt also ebenfalls sichtbar.
Damit wird auch deutlich, wo Optimierungspotential liegen könnte (s. Text).
Evtl. empfiehlt es sich, den Vorflügel zweischalig auszubilden, also mit unabhängigem Außen- und Innenprofil bei jeweiliger Optimierung auf Mitwind und auf Gegenwind.

Gruß, Rundling