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Der "C- Rotor", durch Zufall entdeckt, vom Wind durchströmt
Zusammenfassung, Stand Januar 2009
1. Chronik des "C- Rotor`s"
1.1 wie alles begann
1.2 die Patentierung
2. gemeinsame Diskussionen
2.1 Einladung ins Kleinwindanlagenforum
3. Technik des durchströmten Flügels
3.1 Optimierung durch Vergleichsmessungen
3.2 Messergebnisse
3.3 Optimierte Werte für den 1 Flügler
4. Rotor Dimensionierung für den Nachbau
4.1 Dimensionen/Proportionen
1.1 Wie alles begann..
Im Jahre 1989 kam eines der drei Gründungsmitglieder dieses Forums, der wegen krankheitsbedingter
Berufsunfähigkeit zeitlich freistehende Seemann Carl von Canstein auf die Idee, aus einfachsten Mitteln
ein kleines Modell eines Vertikalrotors nachzubauen.
Eigentlich faszinierte ihn der Umstand, dass dort das Problem der Reibungsverluste des Übersetzungsstranges
zum Generator mit dem Einsatz eines Ringgenerators auf elegante Weise gelöst wurde.
Durch Zufall entdeckte er dann beim Basteln mit seinen nur sehr behelfsmässigen Werkzeugen und
Materialien (er hatte nur eine Beisszange, Hammer, eine ausrangierte Papierschere, etwas
Draht und das Blech einer alten Kaffedose zur Verfügung), wie man den Darrieusrotor mit einer anderen
Flügeltechnik zu einer völlig anderen Leistungentfaltung bewegen kann. Bei seiner Entdeckung kam Carl der
Umstand zur Hilfe, dass es ihm mit seinen einfachen Mitteln garnicht möglich gewesen wäre, einen
perfekten herkömmlichen aerodynamischen Flügel nachzubauen.
Es entstand ein Flügel, dessen einfaches Profil im Prinzip nur aus einer halbrunden offenen "Rinne" aus Blech
als Vorflügelteil und einer einfachen gestreckten Leitfläche dahinter aus dünnem Blech bestand.
Die Leitfläche wurde am Ende des Vorflügels so fixiert, dass ein breiter Luftspalt die freie Zirkulation
der Strömung in beide Richtungen senkrecht zur Flügelsehne erlaubte. Der durchströmte Flügel nach
Carls einfachem Konzept war also in dieser Form schon beim ersten Bastelversuch geschaffen.
Oben und unten am Flügel wurden bei diesem ersten Modell einfache Blechstücke als Flügelendkappen
aufgesetzt, welche dann nicht nur Flügelrandverluste vermeiden sondern auch dem mechanischen Zusammenhalt
des Vorflügels und der Leitfläche untereinander dienten. Carl setzte seine aus der alten Kaffedose geschnittenen
Blechstücke so zusammen, dass daraus ein paar für seinen Zweck brauchbare Flügel wurden und montierte
sie mit kleinen Tragarmen auf eine senkrecht stehende Drehachse ohne Generator, zunächst nur so als
Anschauungsmodell für sich selbst, ohne jegliche weitere Ambitionen.
Gross war Carls Erstaunen, als diese erste noch sehr klapperige Konstruktion schon beim leisesten Lüftchen
ohne jegliche Anlaufhilfe - wie man sie sonst bei Darrieusrotoren oft für unverzichtbar hält - losbretterte,
als ob der Teufel hinterher sei! Bei etwas stärkerem Wind war der Eindruck noch überwältigender, man konnte
die Drehachse kaum noch zwischen den Fingern abbremsen bei einem Rotordurchmesser von nur 25 cm!!!
Das empfand Carl, sicher zu recht, als sehr ungewöhnlich.
1.2 die Patentierung
Carl beschloss dann nach diesen fuer ihn sehr spannenden Erfahrungen seine Erfindung beim Deutschen
Patentamt anzumelden. Er fühlte sich als vom Schicksal besonders begünstigt und hielt seine Entdeckung für
eine dieser seltenen Begnadigungungen, die nicht jedem Menschen beschieden sind. Der arme Carl!!!
Er wusste ja nicht, was noch alles vor ihm lag!
Der Weg durch die "Patenmühlen" war beschwerlich. Carl musste mehrere Patentanwälte nehmen, dennoch
dauerte es geschlagene 7 1/2 Jahre, bis das Patent beim Deutschen Patentamt in München durch alle Instanzen
hindurch war und mit einer Urkunde erteilt wurde. Diese wurde also nach der Anmeldung am 25.06.1991 erst
am 23. April im Jahr 1998 mit der Patentnummer: DP 41 20 908 ausgefertigt.
Später stellte sich leider heraus, dass die Zeit für diese Erfindung wohl noch nicht reif war. Alle grossen Hersteller
im Windkraftmarkt waren damit beschäftigt, die Horizontalläufer weiterzuentwickeln und selbst Hochschulen
und Institute fuer Strömungsmechanik und Aerodynamik in Deutschland zeigten kein Interesse daran, Carls Flügel
auch nur einmal näher zu betrachten oder gar im Windtunnel einer Prüfung zu unterziehen.
Carl schien die Zeit einfach noch nicht reif dafür zu sein. Einer der Gründe dafür mag auch dieser sein:
Der Darrieus-Rotor kann bei idealen Windverhältnissen vermutlich niemals die Leistung eines Horizontalläufers
erbringen. Turbulenter Wind erbringt bei den Horizontalläufern aber auch eher schlechte Ergebnisse, weil dort der Rotor
nie so schnell zur Windrichtung ausgerichtet werden kann, wie die Strömungsrichtung wechselt. Ausserdem werden
auch die einzelnen Flügel bei Turbulenzen unterschiedlich aus allen Richtungen und Ebenen angeströmt, was schlecht
ist, weil sie nur für einen kleineren Strömungsbereich optimal ausgelegt werden können. Da in Bodennähe und
in der Nähe von baulichen oder natürlichen Hindernissen immer eine mehr oder minder turbulente Strömung
vorherrscht, sind nur wenige Stellplätze wirklich gut genug fuer Horizontalläufer. Somit gibt es ein sehr grosses
Anwendungsgebiet fuer die windrichtungsunabhängigen Vertikalläufer (Vertical Axis Windturbine - VAWT).
Foto von einem "C- Rotor" auf Gran Canaria.
Carl bezahlte noch geduldig bis zum 13.ten Jahr nach der Anmeldung seiner Erfindung die Jahresgebühren für das
Patentamt, in der Hoffnung, dass sich eines Tages durch wirtschaftliche Verwertung des Patents die hohen Kosten
amortisieren würden. Später war es dann nur noch der Wunsch, ein mit technischen Mitteln ausgestattetes
Institut oder eine Hochschule in Deutschland möge die Idee des durchströmten Flügels aufgreifen und einmal
mit wissenschaftlichen Methoden prüfen. Solche Messungen erfordern schliesslich gute Kenntnisse der Messtechnik,
auch können die Kosten fuer Messgerät, Prüfstand und Windtunnel sehr erheblich sein. Das waren Voraussetzungen,
denen Carl aus eigener Kraft nicht genügen konnte. Nach dem 13.ten Jahr war es ihm wegen der hohen Kosten dann
nicht mehr möglich, die jährlich stark ansteigenden Jahresgebühren an das Patentamt abzuführen und so musste
er sich bald etwas anderes einfallen lassen, wenn er wenigstens verhindern wollte, dass seine ihm als für die Welt
sehr nützlich erscheinende Erfindung verloren geht oder nur in irgend welchen Schubladen verstaubt. Er meldete sich
bei Wikipedia als Autor an und begann an Artikeln, welche sich mit der Nutzung der Windkraft befassen, mitzuwirken.
Link zur Userseite von Carl bei Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Benutzer:Carl_von_Canstein
Auf diese Weise gelang es ihm dann auch auf Grund des einmal erteilten Patents als Quellhinweis, die Technik des
durchströmten Fluegels dort mit in die Lektüre einzubringen, wodurch letztlich erste Aufmerksamkeit und sogar
Begeisterung fuer die Technik des durchströmten Fluegels bei anderen Teilnehmern geweckt werden konnte.
Auch der Umstand, dass Carl darauf aufmerksam machte, dass diese Technik von jedermann frei genutzt werden kann,
ohne dass dafür Lizenzen gezahlt werden oder sonstige Einschränkungen zu befürchten sind, verhalf dem
durchströmtem Fluegel dann auf seinen Weg in die Öffentlichkeit. Schon bei Wikipedia wurde Carl für seine
Arbeit mit dem durchströmten Flügel durch lebhaftes Feedback belohnt.
Ein Foto von Carls erstem grösseren Versuchsmodell in Galdar auf Gran Canaria, welches im Artikel Windkraftanlage
bei Wikipedia veröffentlicht wurde, inspirierte so manch einen Betrachter zu weiterem Interesse an Carls Erfindung:
Fotos von Carls grössten Rotor in Galdar, Gran Canaria
Hier noch ein Video das Carls Rotor als 1 Flügelversion zeigt : http://www.vallstedt-networks….otor_1.avi
Zurück nach Deutschland...
2.1 Einladung ins Kleinwindanlagenforum
Carl wurde am 19.11.2008 in das Kleinwindanlagenforum eingeladen wo auch Bernd und Andre sowie viele
andere User am Thema durchströmter Fluegel mitwirkten. Peter - mit Userrnamen "trilobyte" hatte zuvor schon ohne
es zu ahnen mit dem Thread "durchströmter Flügel" eine sehr lebhafte Diskussion zu diesem Thema im Windforum
eröffnet, bei der auch die Daten aus der zugehörigen Patentschrift DP 41 20 908 erörtert wurden.
Ein erstes sehr kleines Modell wurde von "Trilobyte" gebaut.
Diesem ersten direkten Berührungskontakt mit der Erfindung folgte eine sehr lebhafte Diskussion und weitere
Nachbaumodelle wurden auch von anderen Forenmitgliedern gebaut und ausprobiert.
Bei diesen ersten Nachbauten wusste man noch wenig von den möglichst perfekten Abmessungen dieses Rotors,
man half sich zunächst mit der schematischen Zeichnung des Rotors mit durchströmten Flügeln, die man online
aus dem Patent ermitteln konnte, hier ein Bildauszug aus der Patentschrift:
Die ersten noch einfachen Nachbauten zeigten aber schon, welche Möglichkeiten in dieser Technik schlummern.
Viele hatte das Gefühl, etwas Besonderes gefunden zu haben, das leichte Anlaufen des Rotors, die Kraft mit
der er drehte, trotz der eher provisorischen Bauweise, mit der diese ersten Modelle gefertigt waren wirkte das
meist überzeugend auf die Akteure in dieser Diskussionsrunde. Damit waren dann viele Teilnehmer und
Forenmitglieder vom gleichen Fieber ergriffen, welches auch den Erfinder von Anfang an gepackt und nicht wieder
losgelassen hatte. Und die Begeisterung griff um sich: Ein Grüppchen bildete sich, welches dann zu dem Schluss
kam, man könne besser vorankommen, wenn man den Erfinder ins Forum einläd, und der liess sich nicht zweimal
bitten. Carl von Canstein trat der Diskussion im Forum bei. Das folgende Bild zeigt Carl vor 20 Jahren auf Gran Canaria.
3.1 Optimierung durch Vergleichsmessungen
Bald kam man dann gemeinsam zu dem Schluss, dass nur aussagekräftige Messungen mit reproduzierbaren
Ergebnissen und Versuchen eine verlässliche Einschätzung des Potentials der Technik dieser sich noch in den
Kinderschuhen befindlichen Erfindung erbringen könnte. Es war deshalb ein besonders glücklicher Zufall,
dass sich auch einige mit der Messtechnik vertraute Personen unter den Forumsmitgliedern und
Diskussionsteilnehmern befanden. Uli, alias "Arcobär" führte erste interessante Vergleichmessungen durch.
Insbesondere zählten auch die weiteren Gründungsmitglieder der speziell für dieses Thema neu ins Leben
gerufenen Seite http://www.dasWindrad.de zu diesem Personenkreis. Bernd stellte uns den Webspace für
diese neue Seite, speziell für Vertikalrotoren, zur Verfügung.
Bernd gelangen dann auch sehr bald die ersten Erfolge bei Messungen auf einem eigens von ihm dafür entworfenen
Messstand, und in der Folge breitete sich eine regelrechte Goldgräberstimmung im Forum aus, denn die Ergebnisse,
die er ermitteln konnte schienen wirklich sehr ermutigend. Nach Carls Worten wurde unser durchströmter Flügel durch
Bernd´s wissenschaftliche Messungen und die durch ihn erfundene durchschlagende Verbesserung des Vorflügels mit
einem von ihm entwickelten windschnittigeren Profil aus der primitiven Steinzeit in das Zeitalter der modernen Technik
katapultiert. Auch Andre baute einen Messstand und konnte insbesondere das Bremssystem fuer die Messung des
Drehmomentes um eine verbesserte Sattellagerung (Andres Erfindung) bereichern, welche dann wegen ihrer enormen
Vorteile auch von Bernd übernommen wurde.
Andre seinerseits baute in der Zwischenzeit intensiv an einer optimierten Windquelle weiter. Er treibt seinen Messstand
mit einem speziellen Ventilatorsystem mit einer hohen Anzahl kleiner Ventilatorzellen als Strömungsquelle an.
Dieses System soll eine besonders gleichmässige Strömung für die Messungen an den 50cm mal 50cm grossen Modellen
unserer Versuchsreihen erzeugen.Die gleichmässig verteilte Strömung gewährleistet aussagekräftige, reproduzierbare
Ergebnisse. Die Erzeugung eines solchen Luftroms ist aber normalerweise alles andere als einfach. Andre hatte die
hervorragende Idee die "Winderzeugung" auf viele kleine Ventilatoren zu verteilen.
So verbaute Andre auf seiner "WindWand" gleich 36 Stück handelsüblicher PC Lüfter.
Um einen hohen Einschaltstrom zu verhindern kann Andre die Lüfter in Gruppen zuschalten, wodurch sich zusätzlich
eine weitere Einflussmöglichkeit auf die Strömungsgestaltung ergibt. Die "Windwand" arbeitet mit 12V, die Andre
aus einem PC-Netzteil bezieht.
Der von Bernd entworfene H-Rotor Prüfstand ist eine recht einfach nachzubauende Konstruktion aus Sperrholz
und Radialkugellagern. Alle Materialien mit Ausnahme der Kugellager sind im Baumarkt erhältlich. Die Kugellager sind
für ca. 3 Euro/Stück bei Ebay erhältlich. Auf diesem Prüfstand können beliebige H-Rotorblätter mit ca. 50cm Flügelhöhe
auf ihre Eigenschaften hin untersucht werden.
Hier der Link zur einer ausführlichen Beschreibung des "Vertikalrotor Prüfstandes" :
http://www.daswindrad.de/forum…2&p=87#p87
Wichtigstes Element des Prüfstandes ist eine schwimmend gelagerte Leistungsbremse, mit deren Hilfe man das
Drehmoment an der Rotorwelle direkt im laufenden Betrieb (!) des Testrotors ermitteln kann. Die Idee zur Bauform
dieser Leistungsbremse als einfache Seilbremse kam von Carl. Zusätzlich zur Drehmomentermittlung wird die
Drehzahl des Rotors über einen einfachen Fahrradtacho gemessen. Aus Drehzahl und Drehmoment ergibt sich
dann die aktuell an der Rotorwelle abgegebene mechanische Leistung nach der vereinfachten Formel:
Leistung (in Watt) = Drehmoment(in NM) mal Drehzahl (in U/min) durch 9,55
Ein Video das den grundsätzlichen Ablauf der Messung erläutert :
http://www.vallstedt-networks.de/diverses/bremse_1.avi
3.2 Messergebnisse
Als erstes wurde eine Vergleichsmessung am Cansteinflügel mit und ohne Endkappen durchgeführt.
Als Endkappen bezeichnen wir die deckelartigen Abschlusskappen an den Flügelstirnseiten. Sie verhindern, dass
die über die Leitfläche in den Vorflügel gedrückte Luft an den Stirnseiten des Flügel nutzlos heraus strömen kann.
Es ergab sich bei dem Betrieb MIT Endkappen ein Leistungsplus von ca. 25% sowie eine höhere Nutzdrehzahl.
Diese Kappen kann man also als unabdingbar bezeichnen, ohne sie verschenkt man enorm viel Leistung.
Gleichzeitig ist zu bemerken, dass diese Kappen in ihrer Form auch sehr vorteilhaft in beliebigen Abständen
über die gesamte Flügellänge als Spanten verteilt die Statik des Flügels verbessern helfen und als Montagepunkte
für die Tragarme eine breitere Montagefläche bieten können. Dies zu wissen ist sehr wichtig, weil nur eine
ausreichende Versteifung und feste Konstruktion der enormen Materialbelastung durch die Lastwechsel im
Betrieb entgegenwirken kann.
Dann wurde ein Vergleichstest mit gerader und gerundeter Leitfläche durchgeführt. (Bei jeweils
identischer Leitflächengrösse (!) das Foto täuscht) Das Ergebnis zeigt einen klaren Vorteil für die gerundete
Leitfläche, wie aus der Kennlinie zu ersehen ist. Die maximale Leistung liegt höher, der Nutzdrehzahlbereich
vergrössert sich, der Kennlinienverlauf ist deutlich optimaler. Neben dieser reinen Leistungsverbesserung ergibt
sich durch die Leitflächenrundung eine vielfach höhere Stabilität des Flügels.
Es folgte die Ermittlung des optimalen Grössen/Proportionsverhältnisses zwischen der Vorflügelbreite und der Leitflächenlänge.
Für diese Messungen wurden diverse Vorflügelgrössen an einer festgelegten Leitfläche durchgemessen.
Die Ergebnisse wurden in den folgenden Grafiken zusammen gefasst.
Die Messversuche zeigten, dass sich ein Verhältnis von Vorflügelbreite zur Leitflächentiefe von ca 1:2 als relativ optimal heraus kristallisierte.
Die Messungen ergaben, dass eine windschnittige Formgebung des Vorflügels die Leistung und insbesondere auch den
Nutzdrehzahlbereich deutlich ansteigen lässst. Spätere Messungen zeigten diesen Effekt sogar noch viel deutlicher auf.
Mit dem H-Rotorprüfstand wurde dann die energetische Ausbeute von einem "C- Rotor" mit 1, 2 und 3 Flügeln ermittelt.
(jeweils baugleiche Flügel) Das Ergebnis lautete :
ca. 0,27W für den Einflügler
ca. 0,52W für den Zweiflügler
ca. 0,61W für den Dreiflügler
Man kann also festhalten dass die Erhöhung der Flügelanzahl (bis zu einer gewissen Grenze) die "Ernteleistung" verbessert.
Oberhalb des Optimums dürften sich die Flügel gegenseitig so stark beschatten dass die Leistung vermutlich
wieder absinkt. Wo sich genau das optimale Verhältnis von "Gesamtflügeltiefe (alle Flügeltiefen zusammen gerechnet) zum
Rotorumfang ergibt, ist noch nicht abschliessend geklärt.
Derzeit empfehlen wir beim 3 Flügler ein Verhältnis von Gesamtflügeltiefe zum Rotorumfang von ca. 1:3 bis 1:3,5 (Stand Januar 2009)
3.3 Optimierte Werte für den 1 Flügler
Auf Carls Anregung hin haben wir versucht, für eine 1 Flügelversion seines Rotors möglichst ideale Flügeldimensionen zu
finden. Carl ging dabei davon aus, dass ein Einflügler den günstigsten Bau und Materialaufwand ergeben könne.
Bei dem 50 x 50cm Prüfrotor wurde die Leitflächentiefe auf ca. 25cm vergrössert, was dem doppelten Wert des einzelnen
3 Flügel Rotorblatts entspricht. Es erfolgten Messungen mit 3 Vorflügelvariationen. Hier die Ergebnisse:
Als nächstes folgte die Messung mit einem vergleichsweise riesig wirkenden 10cm breiten Vorflügel.
Links mit einer"windschnittigen" Verkleidung vor dem halbrunden Vorflügel und rechts in einfacher halbrunder Bauform.
Als klarer Sieger dieses 1 Flüglertests erwies sich die Variante mit 10cm breiten, aerodynamisch geformten Vorflügel.
Hier Vergleichswerte der durchgeführten Messungen, NDN = Nutzdrehzahlniveau:
25cm Flügeltiefe und 10cm Vorflügel, NDN = ca. 55 U/min, maximale Leistung ca. 0,44W
12,5cm Flügeltiefe und 6,5cm Vorflügel, NDN = ca. 75 U/min, maximale Leistung ca. 0,32W
25cm Flügeltiefe und 6,5cm Vorflügel, NDN = ca. 85 U/min, maximale Leistung ca. 0,32W
Hier ein Link zu einem Video indem das Beschleunigungsverhalten des optimierten Einflüglers demonstriert wird :
http://www.dasWindrad.de/videos/glaeserner_2.avi
Als Resumee können wir festhalten, dass ein auf geringeren Luftwiderstand optimierter stromlinienförmiger
Vorflügel die Leistung und die Nutzdrehzahl deutlich nach oben treibt. Zusammen mit einer gerundeten Leitfläche
und passenden Endkappen ergibt sich ein Leistungsvorteil von ca. 30%. Die Nutzdrehzahl steigt sogar um stattliche
ca. 60% was die Generatorauslegung deutlich erleichtert
Bernd führte einen Vergleichstest durch, bei dem der 3 Flügel "C- Rotor" mit einem einfachen Halbschalenrotor
und einem 3 Flügel Darrieusrotor mit NACA 0018 Flügelprofilen unter gleichen Rahmenbedingungen verglichen wurde.
Die Ergebnisse sind in den folgenden Abbildungen ersichtlich:
Das Ergebnis dieses Vergleichs hatte uns zunächst sehr überrascht. Wie konnte es sein das sowohl der "C- Rotor"
als auch der einfache Halbschalenrotor mehr Leistung erzeugten als der Rotor mit dem bekannten NACA 0018 Profil ?
Gerade die Darrieus Rotoren mit NACA Profilen gelten doch für Vertikalrotoren als mit vergleichsweise gutem
Wirkungsgrad ausgestattet. Das Rätselraten war gross. Ein Forumsteilnehmer meinte, es läge an einer Überdimensionierung
der NACA Profile. Andere wähnten, dass die Rahmenbedingungen vielleicht nicht gleich waren, aber sie waren es.
Bernd vertritt die Auffassung, dass es mit der Baugrösse und dem Wirkprinzip der Rotoren zusammen hängt.
Es scheint erwiesen, dass kleine Auftriebsläufermodelle, wie der gepüfte NACA-Rotor, im Vergleich zu baugleichen
grösseren Modellen einen kräftigen Wirkungsgradnachteil haben. Bernd ist der Meinung dass für einen reinen
Widerstandsläufer wie den kleinen Halbschaltenrotor genau das Gegenteil gilt. Sein Wirkungsgrad scheint mit kleinerer
Baugrösse anzusteigen. Spätere Messungen an grösseren Modellen werden zeigen, welche These die richtige ist.
Für weitere Optimierungen schien es sehr interessant zu wissen, bei welchem Winkelgrad des 360Grad Umlaufs der
Cansteinflügel welche Leistung erzeugt. Zur Ermittlung dieser Werte wurde der "optimierte 1 Flügler" auf den Prüfstand
montiert. Bewusst wurde auf die Montage eines Gegengewichtes (wie im Foto noch ersichtlich) verzichtet, um
aerodynamisch verfälschende Effekte zu vermeiden. Alle 10 Grad wurde das Drehmoment im Stand ermittelt.
Ein paar Worte zu dem was ihr weiter oben im Diagramm sehen könnt.
Ein reiner Widerstandsläufer hätte eine andere Kurve, da ginge zwischen 180 Gad und 360 Grad leistungsmässig gar nichts.
Die Werte im "hinteren" Bereich um 180Grad herum wären vermutlich unter Realwindbedingungen etwas besser,
denn in meinem Versuch war dort der Abstand zu den Ventilatoren am grössten. Ich glaube mit diesem Diagramm
erhält man erstmalig eine Einschätzungsmöglichkeit, wo evtl. noch weiteres Optimierungspotential schlummern könnte.
4.1 Rotor Proportionen und Dimensionierung für den Nachbau
Alle bisher durchgeführten Messungen erbrachten viele, für die Dimensiomierung eines "C- Rotor`s" wichtige,
"optimale" Propotionsverhältnisse. Evtl. werden die derzeitig ermittelten Dimensionierungsempfehlungen noch
weiter optimiert werden. Sie stellen aber derzeit sicher einen relativ guten Richtwert dar. (Stand Januar 2009)
Die aus energetischer Sicht vorteilhafteste Bauform des "C- Rotor`s" scheint aktuell der 3 Flügler zu sein.
In den bisherigen Messungen ergaben sich dabei die höchsten "Erntegrade" im Vergleich zur 2 oder 1 Flügel Version.
Die folgende Abbildung, die uns freundlicherweise von unserem ersten bei uns angemeldeten User "Huracan"
zur Verfügung gestellt wurde, verdeutlicht die Zusammenhänge und die Terminologie um den "C- Rotor".
"Diese Zeichnung ist eine Proportionszeichnung, am H-Rotor ist die Leitflaeche im Sinn der Umlaufkurve gekruemmt."
(Editiert von Günter)
Die Proportionen:
Am kleinen 50cm Rotor hat sich ein Proportionsverhältnis von Vorflügelbreite zur Leitflächentiefe von
ca. 1:2 bis 1:2,5 für einen Dreiflügler als relativ optimal erwiesen. Das Verhältnis von Gesamtflügeltiefe
(alle Flügeltiefen incl. Vorflügeltiefe zusammen gerechnet) zum Rotoraussenumfang scheint für einen
3 Flügler in Bereich von 1:3 bis 1:3,5 "optimal" zu sein, wobei wir hier noch nicht allzu sehr ins Detail
gegangen sind. Es dürfte dies aber ein guter Richtwert sein, nachdem wir derzeit dimensionieren würden.
(Stand Januar 2009)
Die "Eintauchtiefe" des Leitblechs in den Vorflügel:
Dazu müssen noch genaue Messungen erfolgen. Es scheint sich aber eine recht geringe Eintauchtiefe als
sehr zweckmässig zu erweisen. Ich persönlich würde derzeit eine ziemlich geringe Eintauchtiefe von
ca. 1/8 Vorflügeltiefe benutzen. Neben der guten Funktionalität reduziert die geringe Eintauchtiefe
obendrein auch noch die Masse des Flügels. Die Leitfläche sollte eine Wölbung/Rundung im Rotorradius aufweisen.
Die "optimierte Bauweise"
Wir haben bisher heraus gefunden, dass sich zum einen eine Rundung der Leitfläche im Rotorradius sowohl als
auch eine "windschnittige" Formgebung der Vorflügel als wirklich sehr leistungsfördernd erwiesen haben.
Beide eben genannten Maßnahmen zusammen genommen ergeben gegenüber runden Vorflügeln und geraden
Leitflächen ein Leistungsplus von über 30% ! Neben dem reinen Leistungsplus erhöht sich vor allen auch die
mittlere Drehzahl des "Nutzdrehzahlbereichs" bei dem man die grösste Energiemenge "ernten" kann mit dieser
Bauweise ganz erheblich, nämlich um etwa 60%. Das ist für die Auslegung eines Generators sehr hilfreich, da
es grundsätzlich einfacher ist, einen Generator für höhere Drehzahlen zu bauen oder zu kaufen. Nicht zuletzt
ergibt die Leitflächenrundung eine erheblich höhere mechanische Steifigkeit und Stabilität des Flügelblattes,
zu der dann auch die Flügelendkappen und Spanten in nicht unerheblichen Maße beitragen können.
[size=150]Nun noch ein Schlusswort zur hier vorliegenden Zusammenfassung unserer
bisherigen Ergebnisse am Rotor mit den durchströmten Flügelprofilen:[/size]
Obwohl wir davon ausgehen, dass mit unserer bisherigen Arbeit, die in dieser Zusammenfassung so kompakt wie
möglich dargestellt wurde, eine gute Grundlage fuer unser kleines Grüppchen von Erfindern und Entwicklern - also
diejenigen, die bisher mitgewirkt haben - geschaffen wurde, müssen wir an dieser Stelle vor allzu grosser
Euphorie warnen ! Das gilt natürlich auch für Leser und Gäste sowohl in unserem Portal als auch anderswo,
wohin diese Arbeit auch gelangen mag, also für alle, die noch dazustossen werden! Fairerweise müssen wir die
Erwartungen, die nach unserem recht begeisterten Bericht sicherlich sehr hoch ausfallen könnten auf ein
realistisches Maß dämpfen:
Unsere Technik hat - wie fast jede andere Technik auch, Vor- und Nachteile! Unser Rotor kann und will andere
Techniken nicht aus dem Angebot der vielen Konstruktionsmöglichkeiten verdrängen. Es scheint erwiesen zu sein,
dass unser Rotor, was günstige Eigenschaften bei turbulentem Wind und gute Leistungsmerkmale betrifft, seinen
verdienten Platz in der Reihe von möglichen Bauarten finden wird. Bei bestimmten Anwendungsbereichen kann dieser
Rotor sicherlich auch zur ersten Wahl werden. Das gilt aber auch für die meisten anderen Windradkonstruktionen:
Wer sich gut informiert, findet aus der grossen Auswahl leicht genau das Modell heraus, welches seinen Ansprüchen,
Möglichkeiten und den Vorbedingungen des Standortes gerecht werden kann!
Auch möchten wir an dieser Stelle nocheinmal darauf verweisen, dass wir noch einige weitere kostspielige und
zeitaufwendige Messungen und Versuche vornehmen muessen. Während unserer Versuche tauchten ständig neue
Fragen auf, so dass wir mit dieser Zusammenfassung noch nicht eine schon komplett abgeschlossene Forschungsserie
vorlegen können. Mithilfe jeder Art wird dementsprechend sehr gerne wahrgenommen. Wir möchten an dieser
Stelle zum Mitdenken ermutigen und verweisen darauf, dass gute Vorschläge und Gedanken bei uns immer auf guten
Mutterboden fallen werden!
Wir bedanken uns für die Aufmerksamkeit, welche uns bisher schon geschenkt wurde und freuen uns sehr, dass
wir bisher auf freiwilliger Basis so hervorragend gut zusammenarbeiten konnten, sodass in relativ kurzer Zeit
ein Wissensstand erarbeitet werden konnte, der woanders als Auftragsarbeit wahrscheinlich enorme zeitliche und
materielle Ressorcen in Anspruch genommen hätte. So steht diese Arbeit nun dem Gedanken einer umweltfreundlichen
Technologie zu Diensten, kann von jedermann genutzt werden und ist somit ein weiterer Anlauf unser aller Bemühungen,
die menschlichen Bedürfnisse in einem achtungsvollen Umgang mit der Natur auf dieser Welt technisch machbar zu verknüpfen.
Vielen Dank
Das Canstein Team
Der "C- Rotor", durch Zufall entdeckt, vom Wind durchströmt
Zusammenfassung, Stand Januar 2009
1. Chronik des "C- Rotor`s"
1.1 wie alles begann
1.2 die Patentierung
2. gemeinsame Diskussionen
2.1 Einladung ins Kleinwindanlagenforum
3. Technik des durchströmten Flügels
3.1 Optimierung durch Vergleichsmessungen
3.2 Messergebnisse
3.3 Optimierte Werte für den 1 Flügler
4. Rotor Dimensionierung für den Nachbau
4.1 Dimensionen/Proportionen
1.1 Wie alles begann..
Im Jahre 1989 kam eines der drei Gründungsmitglieder dieses Forums, der wegen krankheitsbedingter
Berufsunfähigkeit zeitlich freistehende Seemann Carl von Canstein auf die Idee, aus einfachsten Mitteln
ein kleines Modell eines Vertikalrotors nachzubauen.
Eigentlich faszinierte ihn der Umstand, dass dort das Problem der Reibungsverluste des Übersetzungsstranges
zum Generator mit dem Einsatz eines Ringgenerators auf elegante Weise gelöst wurde.
Durch Zufall entdeckte er dann beim Basteln mit seinen nur sehr behelfsmässigen Werkzeugen und
Materialien (er hatte nur eine Beisszange, Hammer, eine ausrangierte Papierschere, etwas
Draht und das Blech einer alten Kaffedose zur Verfügung), wie man den Darrieusrotor mit einer anderen
Flügeltechnik zu einer völlig anderen Leistungentfaltung bewegen kann. Bei seiner Entdeckung kam Carl der
Umstand zur Hilfe, dass es ihm mit seinen einfachen Mitteln garnicht möglich gewesen wäre, einen
perfekten herkömmlichen aerodynamischen Flügel nachzubauen.
Es entstand ein Flügel, dessen einfaches Profil im Prinzip nur aus einer halbrunden offenen "Rinne" aus Blech
als Vorflügelteil und einer einfachen gestreckten Leitfläche dahinter aus dünnem Blech bestand.
Die Leitfläche wurde am Ende des Vorflügels so fixiert, dass ein breiter Luftspalt die freie Zirkulation
der Strömung in beide Richtungen senkrecht zur Flügelsehne erlaubte. Der durchströmte Flügel nach
Carls einfachem Konzept war also in dieser Form schon beim ersten Bastelversuch geschaffen.
Oben und unten am Flügel wurden bei diesem ersten Modell einfache Blechstücke als Flügelendkappen
aufgesetzt, welche dann nicht nur Flügelrandverluste vermeiden sondern auch dem mechanischen Zusammenhalt
des Vorflügels und der Leitfläche untereinander dienten. Carl setzte seine aus der alten Kaffedose geschnittenen
Blechstücke so zusammen, dass daraus ein paar für seinen Zweck brauchbare Flügel wurden und montierte
sie mit kleinen Tragarmen auf eine senkrecht stehende Drehachse ohne Generator, zunächst nur so als
Anschauungsmodell für sich selbst, ohne jegliche weitere Ambitionen.
Gross war Carls Erstaunen, als diese erste noch sehr klapperige Konstruktion schon beim leisesten Lüftchen
ohne jegliche Anlaufhilfe - wie man sie sonst bei Darrieusrotoren oft für unverzichtbar hält - losbretterte,
als ob der Teufel hinterher sei! Bei etwas stärkerem Wind war der Eindruck noch überwältigender, man konnte
die Drehachse kaum noch zwischen den Fingern abbremsen bei einem Rotordurchmesser von nur 25 cm!!!
Das empfand Carl, sicher zu recht, als sehr ungewöhnlich.
1.2 die Patentierung
Carl beschloss dann nach diesen fuer ihn sehr spannenden Erfahrungen seine Erfindung beim Deutschen
Patentamt anzumelden. Er fühlte sich als vom Schicksal besonders begünstigt und hielt seine Entdeckung für
eine dieser seltenen Begnadigungungen, die nicht jedem Menschen beschieden sind. Der arme Carl!!!
Er wusste ja nicht, was noch alles vor ihm lag!
Der Weg durch die "Patenmühlen" war beschwerlich. Carl musste mehrere Patentanwälte nehmen, dennoch
dauerte es geschlagene 7 1/2 Jahre, bis das Patent beim Deutschen Patentamt in München durch alle Instanzen
hindurch war und mit einer Urkunde erteilt wurde. Diese wurde also nach der Anmeldung am 25.06.1991 erst
am 23. April im Jahr 1998 mit der Patentnummer: DP 41 20 908 ausgefertigt.
Später stellte sich leider heraus, dass die Zeit für diese Erfindung wohl noch nicht reif war. Alle grossen Hersteller
im Windkraftmarkt waren damit beschäftigt, die Horizontalläufer weiterzuentwickeln und selbst Hochschulen
und Institute fuer Strömungsmechanik und Aerodynamik in Deutschland zeigten kein Interesse daran, Carls Flügel
auch nur einmal näher zu betrachten oder gar im Windtunnel einer Prüfung zu unterziehen.
Carl schien die Zeit einfach noch nicht reif dafür zu sein. Einer der Gründe dafür mag auch dieser sein:
Der Darrieus-Rotor kann bei idealen Windverhältnissen vermutlich niemals die Leistung eines Horizontalläufers
erbringen. Turbulenter Wind erbringt bei den Horizontalläufern aber auch eher schlechte Ergebnisse, weil dort der Rotor
nie so schnell zur Windrichtung ausgerichtet werden kann, wie die Strömungsrichtung wechselt. Ausserdem werden
auch die einzelnen Flügel bei Turbulenzen unterschiedlich aus allen Richtungen und Ebenen angeströmt, was schlecht
ist, weil sie nur für einen kleineren Strömungsbereich optimal ausgelegt werden können. Da in Bodennähe und
in der Nähe von baulichen oder natürlichen Hindernissen immer eine mehr oder minder turbulente Strömung
vorherrscht, sind nur wenige Stellplätze wirklich gut genug fuer Horizontalläufer. Somit gibt es ein sehr grosses
Anwendungsgebiet fuer die windrichtungsunabhängigen Vertikalläufer (Vertical Axis Windturbine - VAWT).
Foto von einem "C- Rotor" auf Gran Canaria.
Carl bezahlte noch geduldig bis zum 13.ten Jahr nach der Anmeldung seiner Erfindung die Jahresgebühren für das
Patentamt, in der Hoffnung, dass sich eines Tages durch wirtschaftliche Verwertung des Patents die hohen Kosten
amortisieren würden. Später war es dann nur noch der Wunsch, ein mit technischen Mitteln ausgestattetes
Institut oder eine Hochschule in Deutschland möge die Idee des durchströmten Flügels aufgreifen und einmal
mit wissenschaftlichen Methoden prüfen. Solche Messungen erfordern schliesslich gute Kenntnisse der Messtechnik,
auch können die Kosten fuer Messgerät, Prüfstand und Windtunnel sehr erheblich sein. Das waren Voraussetzungen,
denen Carl aus eigener Kraft nicht genügen konnte. Nach dem 13.ten Jahr war es ihm wegen der hohen Kosten dann
nicht mehr möglich, die jährlich stark ansteigenden Jahresgebühren an das Patentamt abzuführen und so musste
er sich bald etwas anderes einfallen lassen, wenn er wenigstens verhindern wollte, dass seine ihm als für die Welt
sehr nützlich erscheinende Erfindung verloren geht oder nur in irgend welchen Schubladen verstaubt. Er meldete sich
bei Wikipedia als Autor an und begann an Artikeln, welche sich mit der Nutzung der Windkraft befassen, mitzuwirken.
Link zur Userseite von Carl bei Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Benutzer:Carl_von_Canstein
Auf diese Weise gelang es ihm dann auch auf Grund des einmal erteilten Patents als Quellhinweis, die Technik des
durchströmten Fluegels dort mit in die Lektüre einzubringen, wodurch letztlich erste Aufmerksamkeit und sogar
Begeisterung fuer die Technik des durchströmten Fluegels bei anderen Teilnehmern geweckt werden konnte.
Auch der Umstand, dass Carl darauf aufmerksam machte, dass diese Technik von jedermann frei genutzt werden kann,
ohne dass dafür Lizenzen gezahlt werden oder sonstige Einschränkungen zu befürchten sind, verhalf dem
durchströmtem Fluegel dann auf seinen Weg in die Öffentlichkeit. Schon bei Wikipedia wurde Carl für seine
Arbeit mit dem durchströmten Flügel durch lebhaftes Feedback belohnt.
Ein Foto von Carls erstem grösseren Versuchsmodell in Galdar auf Gran Canaria, welches im Artikel Windkraftanlage
bei Wikipedia veröffentlicht wurde, inspirierte so manch einen Betrachter zu weiterem Interesse an Carls Erfindung:
Fotos von Carls grössten Rotor in Galdar, Gran Canaria
Hier noch ein Video das Carls Rotor als 1 Flügelversion zeigt : http://www.vallstedt-networks….otor_1.avi
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2.1 Einladung ins Kleinwindanlagenforum
Carl wurde am 19.11.2008 in das Kleinwindanlagenforum eingeladen wo auch Bernd und Andre sowie viele
andere User am Thema durchströmter Fluegel mitwirkten. Peter - mit Userrnamen "trilobyte" hatte zuvor schon ohne
es zu ahnen mit dem Thread "durchströmter Flügel" eine sehr lebhafte Diskussion zu diesem Thema im Windforum
eröffnet, bei der auch die Daten aus der zugehörigen Patentschrift DP 41 20 908 erörtert wurden.
Ein erstes sehr kleines Modell wurde von "Trilobyte" gebaut.
Diesem ersten direkten Berührungskontakt mit der Erfindung folgte eine sehr lebhafte Diskussion und weitere
Nachbaumodelle wurden auch von anderen Forenmitgliedern gebaut und ausprobiert.
Bei diesen ersten Nachbauten wusste man noch wenig von den möglichst perfekten Abmessungen dieses Rotors,
man half sich zunächst mit der schematischen Zeichnung des Rotors mit durchströmten Flügeln, die man online
aus dem Patent ermitteln konnte, hier ein Bildauszug aus der Patentschrift:
Die ersten noch einfachen Nachbauten zeigten aber schon, welche Möglichkeiten in dieser Technik schlummern.
Viele hatte das Gefühl, etwas Besonderes gefunden zu haben, das leichte Anlaufen des Rotors, die Kraft mit
der er drehte, trotz der eher provisorischen Bauweise, mit der diese ersten Modelle gefertigt waren wirkte das
meist überzeugend auf die Akteure in dieser Diskussionsrunde. Damit waren dann viele Teilnehmer und
Forenmitglieder vom gleichen Fieber ergriffen, welches auch den Erfinder von Anfang an gepackt und nicht wieder
losgelassen hatte. Und die Begeisterung griff um sich: Ein Grüppchen bildete sich, welches dann zu dem Schluss
kam, man könne besser vorankommen, wenn man den Erfinder ins Forum einläd, und der liess sich nicht zweimal
bitten. Carl von Canstein trat der Diskussion im Forum bei. Das folgende Bild zeigt Carl vor 20 Jahren auf Gran Canaria.
3.1 Optimierung durch Vergleichsmessungen
Bald kam man dann gemeinsam zu dem Schluss, dass nur aussagekräftige Messungen mit reproduzierbaren
Ergebnissen und Versuchen eine verlässliche Einschätzung des Potentials der Technik dieser sich noch in den
Kinderschuhen befindlichen Erfindung erbringen könnte. Es war deshalb ein besonders glücklicher Zufall,
dass sich auch einige mit der Messtechnik vertraute Personen unter den Forumsmitgliedern und
Diskussionsteilnehmern befanden. Uli, alias "Arcobär" führte erste interessante Vergleichmessungen durch.
Insbesondere zählten auch die weiteren Gründungsmitglieder der speziell für dieses Thema neu ins Leben
gerufenen Seite http://www.dasWindrad.de zu diesem Personenkreis. Bernd stellte uns den Webspace für
diese neue Seite, speziell für Vertikalrotoren, zur Verfügung.
Bernd gelangen dann auch sehr bald die ersten Erfolge bei Messungen auf einem eigens von ihm dafür entworfenen
Messstand, und in der Folge breitete sich eine regelrechte Goldgräberstimmung im Forum aus, denn die Ergebnisse,
die er ermitteln konnte schienen wirklich sehr ermutigend. Nach Carls Worten wurde unser durchströmter Flügel durch
Bernd´s wissenschaftliche Messungen und die durch ihn erfundene durchschlagende Verbesserung des Vorflügels mit
einem von ihm entwickelten windschnittigeren Profil aus der primitiven Steinzeit in das Zeitalter der modernen Technik
katapultiert. Auch Andre baute einen Messstand und konnte insbesondere das Bremssystem fuer die Messung des
Drehmomentes um eine verbesserte Sattellagerung (Andres Erfindung) bereichern, welche dann wegen ihrer enormen
Vorteile auch von Bernd übernommen wurde.
Andre seinerseits baute in der Zwischenzeit intensiv an einer optimierten Windquelle weiter. Er treibt seinen Messstand
mit einem speziellen Ventilatorsystem mit einer hohen Anzahl kleiner Ventilatorzellen als Strömungsquelle an.
Dieses System soll eine besonders gleichmässige Strömung für die Messungen an den 50cm mal 50cm grossen Modellen
unserer Versuchsreihen erzeugen.Die gleichmässig verteilte Strömung gewährleistet aussagekräftige, reproduzierbare
Ergebnisse. Die Erzeugung eines solchen Luftroms ist aber normalerweise alles andere als einfach. Andre hatte die
hervorragende Idee die "Winderzeugung" auf viele kleine Ventilatoren zu verteilen.
So verbaute Andre auf seiner "WindWand" gleich 36 Stück handelsüblicher PC Lüfter.
Um einen hohen Einschaltstrom zu verhindern kann Andre die Lüfter in Gruppen zuschalten, wodurch sich zusätzlich
eine weitere Einflussmöglichkeit auf die Strömungsgestaltung ergibt. Die "Windwand" arbeitet mit 12V, die Andre
aus einem PC-Netzteil bezieht.
Der von Bernd entworfene H-Rotor Prüfstand ist eine recht einfach nachzubauende Konstruktion aus Sperrholz
und Radialkugellagern. Alle Materialien mit Ausnahme der Kugellager sind im Baumarkt erhältlich. Die Kugellager sind
für ca. 3 Euro/Stück bei Ebay erhältlich. Auf diesem Prüfstand können beliebige H-Rotorblätter mit ca. 50cm Flügelhöhe
auf ihre Eigenschaften hin untersucht werden.
Hier der Link zur einer ausführlichen Beschreibung des "Vertikalrotor Prüfstandes" :
http://www.daswindrad.de/forum…2&p=87#p87
Wichtigstes Element des Prüfstandes ist eine schwimmend gelagerte Leistungsbremse, mit deren Hilfe man das
Drehmoment an der Rotorwelle direkt im laufenden Betrieb (!) des Testrotors ermitteln kann. Die Idee zur Bauform
dieser Leistungsbremse als einfache Seilbremse kam von Carl. Zusätzlich zur Drehmomentermittlung wird die
Drehzahl des Rotors über einen einfachen Fahrradtacho gemessen. Aus Drehzahl und Drehmoment ergibt sich
dann die aktuell an der Rotorwelle abgegebene mechanische Leistung nach der vereinfachten Formel:
Leistung (in Watt) = Drehmoment(in NM) mal Drehzahl (in U/min) durch 9,55
Ein Video das den grundsätzlichen Ablauf der Messung erläutert :
http://www.vallstedt-networks.de/diverses/bremse_1.avi
3.2 Messergebnisse
Als erstes wurde eine Vergleichsmessung am Cansteinflügel mit und ohne Endkappen durchgeführt.
Als Endkappen bezeichnen wir die deckelartigen Abschlusskappen an den Flügelstirnseiten. Sie verhindern, dass
die über die Leitfläche in den Vorflügel gedrückte Luft an den Stirnseiten des Flügel nutzlos heraus strömen kann.
Es ergab sich bei dem Betrieb MIT Endkappen ein Leistungsplus von ca. 25% sowie eine höhere Nutzdrehzahl.
Diese Kappen kann man also als unabdingbar bezeichnen, ohne sie verschenkt man enorm viel Leistung.
Gleichzeitig ist zu bemerken, dass diese Kappen in ihrer Form auch sehr vorteilhaft in beliebigen Abständen
über die gesamte Flügellänge als Spanten verteilt die Statik des Flügels verbessern helfen und als Montagepunkte
für die Tragarme eine breitere Montagefläche bieten können. Dies zu wissen ist sehr wichtig, weil nur eine
ausreichende Versteifung und feste Konstruktion der enormen Materialbelastung durch die Lastwechsel im
Betrieb entgegenwirken kann.
Dann wurde ein Vergleichstest mit gerader und gerundeter Leitfläche durchgeführt. (Bei jeweils
identischer Leitflächengrösse (!) das Foto täuscht) Das Ergebnis zeigt einen klaren Vorteil für die gerundete
Leitfläche, wie aus der Kennlinie zu ersehen ist. Die maximale Leistung liegt höher, der Nutzdrehzahlbereich
vergrössert sich, der Kennlinienverlauf ist deutlich optimaler. Neben dieser reinen Leistungsverbesserung ergibt
sich durch die Leitflächenrundung eine vielfach höhere Stabilität des Flügels.
Es folgte die Ermittlung des optimalen Grössen/Proportionsverhältnisses zwischen der Vorflügelbreite und der Leitflächenlänge.
Für diese Messungen wurden diverse Vorflügelgrössen an einer festgelegten Leitfläche durchgemessen.
Die Ergebnisse wurden in den folgenden Grafiken zusammen gefasst.
Die Messversuche zeigten, dass sich ein Verhältnis von Vorflügelbreite zur Leitflächentiefe von ca 1:2 als relativ optimal heraus kristallisierte.
Die Messungen ergaben, dass eine windschnittige Formgebung des Vorflügels die Leistung und insbesondere auch den
Nutzdrehzahlbereich deutlich ansteigen lässst. Spätere Messungen zeigten diesen Effekt sogar noch viel deutlicher auf.
Mit dem H-Rotorprüfstand wurde dann die energetische Ausbeute von einem "C- Rotor" mit 1, 2 und 3 Flügeln ermittelt.
(jeweils baugleiche Flügel) Das Ergebnis lautete :
ca. 0,27W für den Einflügler
ca. 0,52W für den Zweiflügler
ca. 0,61W für den Dreiflügler
Man kann also festhalten dass die Erhöhung der Flügelanzahl (bis zu einer gewissen Grenze) die "Ernteleistung" verbessert.
Oberhalb des Optimums dürften sich die Flügel gegenseitig so stark beschatten dass die Leistung vermutlich
wieder absinkt. Wo sich genau das optimale Verhältnis von "Gesamtflügeltiefe (alle Flügeltiefen zusammen gerechnet) zum
Rotorumfang ergibt, ist noch nicht abschliessend geklärt.
Derzeit empfehlen wir beim 3 Flügler ein Verhältnis von Gesamtflügeltiefe zum Rotorumfang von ca. 1:3 bis 1:3,5 (Stand Januar 2009)
3.3 Optimierte Werte für den 1 Flügler
Auf Carls Anregung hin haben wir versucht, für eine 1 Flügelversion seines Rotors möglichst ideale Flügeldimensionen zu
finden. Carl ging dabei davon aus, dass ein Einflügler den günstigsten Bau und Materialaufwand ergeben könne.
Bei dem 50 x 50cm Prüfrotor wurde die Leitflächentiefe auf ca. 25cm vergrössert, was dem doppelten Wert des einzelnen
3 Flügel Rotorblatts entspricht. Es erfolgten Messungen mit 3 Vorflügelvariationen. Hier die Ergebnisse:
Als nächstes folgte die Messung mit einem vergleichsweise riesig wirkenden 10cm breiten Vorflügel.
Links mit einer"windschnittigen" Verkleidung vor dem halbrunden Vorflügel und rechts in einfacher halbrunder Bauform.
Als klarer Sieger dieses 1 Flüglertests erwies sich die Variante mit 10cm breiten, aerodynamisch geformten Vorflügel.
Hier Vergleichswerte der durchgeführten Messungen, NDN = Nutzdrehzahlniveau:
25cm Flügeltiefe und 10cm Vorflügel, NDN = ca. 55 U/min, maximale Leistung ca. 0,44W
12,5cm Flügeltiefe und 6,5cm Vorflügel, NDN = ca. 75 U/min, maximale Leistung ca. 0,32W
25cm Flügeltiefe und 6,5cm Vorflügel, NDN = ca. 85 U/min, maximale Leistung ca. 0,32W
Hier ein Link zu einem Video indem das Beschleunigungsverhalten des optimierten Einflüglers demonstriert wird :
http://www.dasWindrad.de/videos/glaeserner_2.avi
Als Resumee können wir festhalten, dass ein auf geringeren Luftwiderstand optimierter stromlinienförmiger
Vorflügel die Leistung und die Nutzdrehzahl deutlich nach oben treibt. Zusammen mit einer gerundeten Leitfläche
und passenden Endkappen ergibt sich ein Leistungsvorteil von ca. 30%. Die Nutzdrehzahl steigt sogar um stattliche
ca. 60% was die Generatorauslegung deutlich erleichtert
Bernd führte einen Vergleichstest durch, bei dem der 3 Flügel "C- Rotor" mit einem einfachen Halbschalenrotor
und einem 3 Flügel Darrieusrotor mit NACA 0018 Flügelprofilen unter gleichen Rahmenbedingungen verglichen wurde.
Die Ergebnisse sind in den folgenden Abbildungen ersichtlich:
Das Ergebnis dieses Vergleichs hatte uns zunächst sehr überrascht. Wie konnte es sein das sowohl der "C- Rotor"
als auch der einfache Halbschalenrotor mehr Leistung erzeugten als der Rotor mit dem bekannten NACA 0018 Profil ?
Gerade die Darrieus Rotoren mit NACA Profilen gelten doch für Vertikalrotoren als mit vergleichsweise gutem
Wirkungsgrad ausgestattet. Das Rätselraten war gross. Ein Forumsteilnehmer meinte, es läge an einer Überdimensionierung
der NACA Profile. Andere wähnten, dass die Rahmenbedingungen vielleicht nicht gleich waren, aber sie waren es.
Bernd vertritt die Auffassung, dass es mit der Baugrösse und dem Wirkprinzip der Rotoren zusammen hängt.
Es scheint erwiesen, dass kleine Auftriebsläufermodelle, wie der gepüfte NACA-Rotor, im Vergleich zu baugleichen
grösseren Modellen einen kräftigen Wirkungsgradnachteil haben. Bernd ist der Meinung dass für einen reinen
Widerstandsläufer wie den kleinen Halbschaltenrotor genau das Gegenteil gilt. Sein Wirkungsgrad scheint mit kleinerer
Baugrösse anzusteigen. Spätere Messungen an grösseren Modellen werden zeigen, welche These die richtige ist.
Für weitere Optimierungen schien es sehr interessant zu wissen, bei welchem Winkelgrad des 360Grad Umlaufs der
Cansteinflügel welche Leistung erzeugt. Zur Ermittlung dieser Werte wurde der "optimierte 1 Flügler" auf den Prüfstand
montiert. Bewusst wurde auf die Montage eines Gegengewichtes (wie im Foto noch ersichtlich) verzichtet, um
aerodynamisch verfälschende Effekte zu vermeiden. Alle 10 Grad wurde das Drehmoment im Stand ermittelt.
Ein paar Worte zu dem was ihr weiter oben im Diagramm sehen könnt.
Ein reiner Widerstandsläufer hätte eine andere Kurve, da ginge zwischen 180 Gad und 360 Grad leistungsmässig gar nichts.
Die Werte im "hinteren" Bereich um 180Grad herum wären vermutlich unter Realwindbedingungen etwas besser,
denn in meinem Versuch war dort der Abstand zu den Ventilatoren am grössten. Ich glaube mit diesem Diagramm
erhält man erstmalig eine Einschätzungsmöglichkeit, wo evtl. noch weiteres Optimierungspotential schlummern könnte.
4.1 Rotor Proportionen und Dimensionierung für den Nachbau
Alle bisher durchgeführten Messungen erbrachten viele, für die Dimensiomierung eines "C- Rotor`s" wichtige,
"optimale" Propotionsverhältnisse. Evtl. werden die derzeitig ermittelten Dimensionierungsempfehlungen noch
weiter optimiert werden. Sie stellen aber derzeit sicher einen relativ guten Richtwert dar. (Stand Januar 2009)
Die aus energetischer Sicht vorteilhafteste Bauform des "C- Rotor`s" scheint aktuell der 3 Flügler zu sein.
In den bisherigen Messungen ergaben sich dabei die höchsten "Erntegrade" im Vergleich zur 2 oder 1 Flügel Version.
Die folgende Abbildung, die uns freundlicherweise von unserem ersten bei uns angemeldeten User "Huracan"
zur Verfügung gestellt wurde, verdeutlicht die Zusammenhänge und die Terminologie um den "C- Rotor".
"Diese Zeichnung ist eine Proportionszeichnung, am H-Rotor ist die Leitflaeche im Sinn der Umlaufkurve gekruemmt."
(Editiert von Günter)
Die Proportionen:
Am kleinen 50cm Rotor hat sich ein Proportionsverhältnis von Vorflügelbreite zur Leitflächentiefe von
ca. 1:2 bis 1:2,5 für einen Dreiflügler als relativ optimal erwiesen. Das Verhältnis von Gesamtflügeltiefe
(alle Flügeltiefen incl. Vorflügeltiefe zusammen gerechnet) zum Rotoraussenumfang scheint für einen
3 Flügler in Bereich von 1:3 bis 1:3,5 "optimal" zu sein, wobei wir hier noch nicht allzu sehr ins Detail
gegangen sind. Es dürfte dies aber ein guter Richtwert sein, nachdem wir derzeit dimensionieren würden.
(Stand Januar 2009)
Die "Eintauchtiefe" des Leitblechs in den Vorflügel:
Dazu müssen noch genaue Messungen erfolgen. Es scheint sich aber eine recht geringe Eintauchtiefe als
sehr zweckmässig zu erweisen. Ich persönlich würde derzeit eine ziemlich geringe Eintauchtiefe von
ca. 1/8 Vorflügeltiefe benutzen. Neben der guten Funktionalität reduziert die geringe Eintauchtiefe
obendrein auch noch die Masse des Flügels. Die Leitfläche sollte eine Wölbung/Rundung im Rotorradius aufweisen.
Die "optimierte Bauweise"
Wir haben bisher heraus gefunden, dass sich zum einen eine Rundung der Leitfläche im Rotorradius sowohl als
auch eine "windschnittige" Formgebung der Vorflügel als wirklich sehr leistungsfördernd erwiesen haben.
Beide eben genannten Maßnahmen zusammen genommen ergeben gegenüber runden Vorflügeln und geraden
Leitflächen ein Leistungsplus von über 30% ! Neben dem reinen Leistungsplus erhöht sich vor allen auch die
mittlere Drehzahl des "Nutzdrehzahlbereichs" bei dem man die grösste Energiemenge "ernten" kann mit dieser
Bauweise ganz erheblich, nämlich um etwa 60%. Das ist für die Auslegung eines Generators sehr hilfreich, da
es grundsätzlich einfacher ist, einen Generator für höhere Drehzahlen zu bauen oder zu kaufen. Nicht zuletzt
ergibt die Leitflächenrundung eine erheblich höhere mechanische Steifigkeit und Stabilität des Flügelblattes,
zu der dann auch die Flügelendkappen und Spanten in nicht unerheblichen Maße beitragen können.
[size=150]Nun noch ein Schlusswort zur hier vorliegenden Zusammenfassung unserer
bisherigen Ergebnisse am Rotor mit den durchströmten Flügelprofilen:[/size]
Obwohl wir davon ausgehen, dass mit unserer bisherigen Arbeit, die in dieser Zusammenfassung so kompakt wie
möglich dargestellt wurde, eine gute Grundlage fuer unser kleines Grüppchen von Erfindern und Entwicklern - also
diejenigen, die bisher mitgewirkt haben - geschaffen wurde, müssen wir an dieser Stelle vor allzu grosser
Euphorie warnen ! Das gilt natürlich auch für Leser und Gäste sowohl in unserem Portal als auch anderswo,
wohin diese Arbeit auch gelangen mag, also für alle, die noch dazustossen werden! Fairerweise müssen wir die
Erwartungen, die nach unserem recht begeisterten Bericht sicherlich sehr hoch ausfallen könnten auf ein
realistisches Maß dämpfen:
Unsere Technik hat - wie fast jede andere Technik auch, Vor- und Nachteile! Unser Rotor kann und will andere
Techniken nicht aus dem Angebot der vielen Konstruktionsmöglichkeiten verdrängen. Es scheint erwiesen zu sein,
dass unser Rotor, was günstige Eigenschaften bei turbulentem Wind und gute Leistungsmerkmale betrifft, seinen
verdienten Platz in der Reihe von möglichen Bauarten finden wird. Bei bestimmten Anwendungsbereichen kann dieser
Rotor sicherlich auch zur ersten Wahl werden. Das gilt aber auch für die meisten anderen Windradkonstruktionen:
Wer sich gut informiert, findet aus der grossen Auswahl leicht genau das Modell heraus, welches seinen Ansprüchen,
Möglichkeiten und den Vorbedingungen des Standortes gerecht werden kann!
Auch möchten wir an dieser Stelle nocheinmal darauf verweisen, dass wir noch einige weitere kostspielige und
zeitaufwendige Messungen und Versuche vornehmen muessen. Während unserer Versuche tauchten ständig neue
Fragen auf, so dass wir mit dieser Zusammenfassung noch nicht eine schon komplett abgeschlossene Forschungsserie
vorlegen können. Mithilfe jeder Art wird dementsprechend sehr gerne wahrgenommen. Wir möchten an dieser
Stelle zum Mitdenken ermutigen und verweisen darauf, dass gute Vorschläge und Gedanken bei uns immer auf guten
Mutterboden fallen werden!
Wir bedanken uns für die Aufmerksamkeit, welche uns bisher schon geschenkt wurde und freuen uns sehr, dass
wir bisher auf freiwilliger Basis so hervorragend gut zusammenarbeiten konnten, sodass in relativ kurzer Zeit
ein Wissensstand erarbeitet werden konnte, der woanders als Auftragsarbeit wahrscheinlich enorme zeitliche und
materielle Ressorcen in Anspruch genommen hätte. So steht diese Arbeit nun dem Gedanken einer umweltfreundlichen
Technologie zu Diensten, kann von jedermann genutzt werden und ist somit ein weiterer Anlauf unser aller Bemühungen,
die menschlichen Bedürfnisse in einem achtungsvollen Umgang mit der Natur auf dieser Welt technisch machbar zu verknüpfen.
Vielen Dank
Das Canstein Team
