C-Rotor: Windkanalversuch + Strömungssimulation

[resistance]

Hallo,

in meiner Abschlussarbeit habe ich den C-Rotor untersucht, sowohl im Windkanal, als auch mit einer Strömungssimulation. Da ich nicht möchte, dass meine Bachelorarbeit nun in irgendeinem Regal verstaubt, veröffentliche ich sie hier. Vielleicht kann die Arbeit für mehr Verständnis auf dem Gebiet der Vertikalrotoren sorgen. Bernd und Constant - danke für eure Unterstützung.

Ein Video zu den Experimenten und der Simulation:
https://www.youtube.com/watch?v=yHedddl2RQc


Gruß Felix

[HRotorland]

Hallo Felix,

ich habe deine Abschlussarbeit runtergeladen, bin noch nicht an den ende gekommen, aber schon jetzt muss ich sagen, es ist ein sehr einspruchsvolle arbeit! Man kann sehen dass du viel energie und arbeit darin investiert hast! Also vielen dank für die veröffentlichung, sicherlich wird das nützlich, nicht nur für mich sondern vielen andere der sich mit den Thema Vawt beschäftigen.

Ich arbeite an einen Hrotor, wenn du lust hast manchmal über diesen Thema zu diskutieren, oder Erfahrungen tauschen, dann kannst du mich an den falrol@freemail.hu email, oder an facebook: http://www.facebook.com/roland.falusi erreichen.

Schöne grüsse aus Ungarn!

Roland

[picowindmiller]

Hallo Felix,
eine super Arbeit. Ich habe deine Bachelor Arbeit herunter geladen und bin begeistert. Leider fehlt es an Schrifttum zu VAWT's und deshalb ist deine Arbeit eine echte Bereicherung. Ich hoffe, du hast jetzt für immer und ewig Blut geleckt.

viele Grüße N.B.

[Bernd]

Man kann vor der Arbeit von Felix nur den Hut ziehen.
So wissenschaftlich genau und verifizierbar hat sich zuvor noch niemand mit dem C-Rotor beschäftigt.
Die ausgesprochen gelungene Bachelorarbeit ist ein wahres Geschenk für dieses Forum und für jeden der
sich für das Thema C-Rotor interessiert. Viele Erkenntnisse stehen nun erstmalig zur Verfügung und viele
Vermutungen wurden nun geklärt.
Diese Ausarbeitung enthält soviel interessantes das man sie wirklich komplett lesen sollte um an alle
Erkenntnisse zu kommen.
Vielen Dank Felix !

Grüsse

Bernd

[MaRiJonas]

Hallo Felix,

vielen Dank für die Veröffentlichung. Nach eingehendem Studium Deiner Arbeit verstehe und sehe ich so manche Zusammenhänge viel klarer.
Toll gemacht!

Richard

[Bernd]

Hallo Felix,
kannst du bitte noch mal ein paar Worte dazu sagen wie sich die Flügelproportionen nach deinen Untersuchungen auf den Wirkungsgrad auswirken?
So wie ich dich verstanden habe scheint ein breiter, großer Vorflügel für ein gutes Ergebnis sehr wichtig zu sein
und unsere bisherigen C-Rotor Empfehlungen scheinen evtl. einen noch zu "zierlichen" Rotoraufbau wiederzugeben.

Hälst du die bisherigen Empfehlung von ca. 40% Flächenabdeckung des Rotorumfangs für vielleicht noch etwas zu gering ?
Ich selber empfinde es nämlich so.

Ich denke da an den C-Rotor in einer deiner Abbildungen dessen Vorflügelbreite 29% des Durchmessers beträgt und der nach Aussagen
seiner Erbauers um die 30% Wirkungsgrad gehabt haben sollte. Allerdings hat dessen "Messung" ja auch ergeben das dieser
Rotor bei einem TSR von 1 noch 20% Wirkungsgrad hätte was bei logischer Betrachtung absolut unmöglich erscheint da der Rotor ja
niemals ein TSR von 1 erreichen würde, geschweige denn dabei noch Leistung abgeben kann. Immerhin ist es ja ein Widerstandsläufer.
Deshalb bin ich mir nicht schlüssig wie ich die Werte einordnen soll.
Mir scheint aber logisch zu sein das die Flügel/Vorflügel doch recht groß sein müssen damit sie vom Wind geschoben werden können.

Im Nachbarforum hatte ein technischer Nichtsnutz mal behauptet das schmalere Vorflügel die Leistungsausbeute des C-Rotors nicht
mindern sondern sogar erhöhen würde...... und das bei einem Widerstandsläufer!
Meine einfachen Versuche bei typischen mittleren Windgeschwindikeiten (ca. 3 bis 5m/s) zeigten das genaue Gegenteil.
Du hast ja sogar mit 10m/s gemessen, einem Wert der schon fast das obere Ende der durchschnittlichen Nutzwindgeschwindigkeit darstellt.
Ergaben sich bei diesen relativ "hohen" Windgeschwindigkeiten Anzeichen dafür das ein schmalerer Vorflügel eine bessere Ausbeute erbringen würde ?
Ich denke nicht, oder ?

Grüsse

Bernd

[resistance]

Hallo Bernd,

Im Nachbarforum ...

Ja - ich weiß nun weshalb es diese Forum gibt. Hab es auch gelesen. Und ärgere mich etwas, dass meine Arbeit dort auch erwähnt wird, und die Ergebnisse "kurz" rausgeschrieben wurden; nur ohne den "größenabhängigen Wirkungsgrad" zu erwähnen. Leider falsch - bitte genau lesen.

Wenn der Vorflügel so klein ist, dann geht nichts. Das kann man mit Sicherheit sagen. Durch kleinere Flügel wird der Rotor nicht schneller, aber das Drehmoment sinkt. Hab ich getestet. Ist auch nur logisch. Die Luft strömt bei zu kleinen Flügel einfach durch den Rotor ohne was zu bewegen.

Interessant ist wie groß die Vorflügel sein sollen. Leider kann ich keine seriöse Aussage machen. Meine Simulation des Thies Rotors mit sehr großem Vorflügel (0,29*D) legt nahe es noch mit größeren Vorflügel zu versuchen. Vielleicht sollte man mal einen Kompromiss (0,22*D) testen? Es stellt sich auch die Frage, ob ein größerer Rotorflügel noch elliptisch sein sollte, oder ob es egal ist.

Ist der Vorflügel breiter, so macht das den Flügel größer hinsichtlich der Reynoldszahl (auch wenn man normalerweise die Blatttiefe nimmt, der Flügel wird nennenswert größer). Die Luftschicht am Flügelblatt prägt sich anderes aus. Wenn der theoretische Wirkungsgrad beider Rotoren nicht weit auseinander liegt, so könnte bei einem Rotor mit einen Durchmesser von etwa 1 m der mit den größeren Flügeln im Vorteil sein, weil Wirkungsgrad mildernde Reibungskräfte eventuell weniger ins Gewicht fallen. So ist es zumindest in meiner Simulation. Wenn wir große Rotoren mit D = 10 m hätten, wären die Reynoldszaheln bei beiden groß und es gäbe keinen Unterschied mehr in den Luftschichten am Flügel.

Ja, 40% Anteil der Flügel am Umfang könnte zu wenig sein. Ich hatte 42,5%. Irgendwo muss aber Schluss sein. Größer als 50 % würde ich nicht mehr versuchen. Ist der Anteil zu groß, so kann die Luft nicht mehr gut in den Rotor strömen. Vielleicht also wieder einen Komrpomiss mit 45 % testen.

Für mich stellt die interessanteste Frage dar, wie man die Vibrationen der Rotoren senken könnte. Ist natürlich schön, wenn es das Windrad nicht nach ein paar Jahren zerlegt. Das gilt für den Lenz Rotor genauso. Mehrer Rotoren übereinander mit Winkelversatz würden das Problem mindern, da sich die Kräfte kompensieren. Man verliert aber an Stabiltät, wenn man gestückelte Flügel hat.

Wenn man anstatt 3 Flügeln 4, 5 oder 6 hätte, könnte dies die Vibrationen auch mildern. Das Einströmen und Ausströmen der Luft am Rotor würde so besser aufgeteilt. Nur eine Vermutung - scheint aber logisch. Fragt sicht, wie sich das auf den Wirkungsgrad auswirkt; jeder Flügel verursacht auch Widerstand. Das wäre ein gutes Thema für eine Simulation. Da würde man schön sehen, wie sich die Strömung bei verschieder Flügelzahl ausprägt, bzw. auch die Schwankung der Kräfte dazu haben. Gibt es im Forum jemanden, der sich mit dem Opensource Programm Open Foam auskennt? So eine Simulation bedeutet viel viel Arbeit, aber in dem Fall scheint es mir angebracht. DIe Simulation muss nicht zu 100 % richtig zu sein, sondern zeigen, welche Tendenzen da sind - was man demnach überhaupt im Versuch testen sollte. Bei so vielen Parametern sind Versuche sehr aufwändig. Dummerweise brauchte bei mir eine Simulation auch 2 Tage Rechenzeit auf einen ordentlichen Rechner; zum Glück verdoppelt sich die Computerleistung alle zwei Jahre

Wäre toll wenn sich noch jemand (ein Unwissender mit viel, viel, viel Motivation oder ein Masochist) findet, der Lust hätte eine Simulation mit Open Foam aufzusetzen. Irgendwie muss man mit der Komplexität fertig werden. Wenn man das einmal mit Simulation geschafft hat, ist es nicht mehr so schlimm andere Rotoren/Parameter zu rechnen.

Gruß Felix

[Bernd]

Hallo Felix,
vielen Dank für deine Erläuterungen, ich fasse mal zusammen:

Eine Vorflügelbreite von mehr als 0,15 des Rotordurchmessers scheint erfolgversprechender als die bisherige Bemaßungsempfehlung.
Werte für die Vorflügelbreite in der Gegend von ca. 0,22 des Rotordurchmessers scheinen ratsam, mindestens aber ausprobierenswert.

Die derzeitige Empfehlung zur Flächenabdeckung von ca. 40% des Rotorsumfangs scheint noch etwas zu gering zu liegen.
Eine Vergrösserung bis ca. 50% (vielleicht auch etwas weniger) erscheint aussichsreicher als die bisherigen 40%.

Einen Nachteil am Rande sehe ich noch bei der Vergrösserung der Flügel. Der C-Rotor wird dann immer weniger "augenfreundlich", zumindest
ist das mein persönlicher Eindruck. Von der Statik her betrachtet erzeugt ein grosser Flügel auch mehr Winddruck, aber genau das will man ja erreichen.
Wem das Angst macht der sollte besser keinen C-Rotor bauen.
Das schmalere Vorflügel den ohnehin nicht gerade tollen Wirkungsgrad auch bei 10m/s weiter schmälern würden hatte ich mir schon gedacht denn es
ist ja auch nicht mehr als logisch. Ich wollte es dennoch noch mal gerne von Dir bestätigt haben.
Erstaunlich das trotzdem manche Trottel im Nachbarforum immer wieder versuchen das den Leuten zu suggerieren obwohl sie das nie Messungen durchführten.
Hier bei uns bleiben solche Unwahrheiten glücklicherweise nicht unwidersprochen.

Grüsse

Bernd

[MaRiJonas]

Hallo Felix und Bernd,

meine Betrachtungsweise auf eine optimale Flächenabdeckung würde sich nicht auf den Umfang beziehen, sondern auf die Projektionsfläche, die dem Wind entgegensteht. Davon sollte 1/3 abgedeckt sein und 2/3 winddurchlässig sein, wenn Betz den größten Wirkungsgrad bei diesem Verhältnis erreicht. Aber vielleicht ist das auch nur eine allzu theoretische Vermutung, die sich nicht mit der Praxis deckt. Ich habe es noch nicht nachgeprüft, zumal man das Verhältnis auch in verschiednen Stellungen ermitteln und anschließend mitteln müsste.

Gruß
Richard

[Bernd]

Hallo Richard, schön das du auch mal wieder zu "sehen" bist!

Die Angabe Flächenabdeckung (Solidity) des Rotors wird manchmal auf den Rotorumfang bezogen und manachmal auf die Fläche
die der Rotor dem Wind entgegen stellt. Was nun wirklich "Norm" ist habe ich noch nicht heraus gefunden.
Im Prinzip ist es auch egal, hauptsache man bemaßt entsprechend.

1/3 Abdeckung bei einem Widerstandsläufer ist aber klar zu wenig, das haben auch die Messungen von Felix gezeigt bei
denen er ein frühes Modell mit unserer bisherigen Empfehlung von ca. 1/3 Flächenabdeckung gegen das spätere eigentliche
Testmodell mit ca. 42% Flächenabdeckung vergleichen konnte.
Auch meine eigenen Versuche mit 1, 2 oder 3 baugleichen Flügeln an ein und demselben Rotor zeigten jedesmal eine Steigerung
der Ernteleistung, alleine durch höhere Flächenabdeckung.

Wählt man aber eine zu hohe Flächenabdeckung bildet das Windrad für den Wind ein zu dichtes Hindernis so das er lieber ausweicht
als sich durch das Windrad "zu quetschen". Das wäre dann zuviel des Guten.
Vermutlich wird man einen Idealwert nur durch ausprobieren heraus finden können.

Grüsse

Bernd