Suche Profilformen von 3-flügeligen Savonius-Durchströmrotoren für Simulation

Nabend zusammen!

Ich bin neu hier im Forum - hab zwar schon viel interessantes mitgelesen - aber aufgrund meiner jetzigen Abschlussarbeit, ist es doch sinnvoll, mich mal aktiv zu Wort zu melden

Paar Worte vorab vielleicht noch zu mir - ich bin Mitte 20 und studiere an der FH in Nürnberg Maschinenbau. Jetzt bin ich mit dem (Bachelor)Studium fast fertig und im Rahmen meiner Abschlussarbeit möchte ich einen kleinen Prototyp (A=1m²) eines Savonius Rotors bauen. Es ist so gedacht, dass ich vorab mit OpenFOAM eine CFD Betrachtung 5 verschiedener Varianten vornehme und die "beste" wird dann als Prototyp gefertigt. Ich bin jetzt halbwegs in OpenFOAM eingearbeitet und habe auch schon 3 Varianten, die ich definitiv untersuchen will:

1. Klassischer Savonius (2 überlappende Halbschalen)
2. 3-Flügel Durchströmrotor (wie im Savonius Buch von H. Schulz)
3. 3-Flügel Durchströmrotor etwas exotisch mit aussen verlängerten, überlappenden Flügeln
4. ???
5. ???

Also ihr seht, ich bin für Variante 4 und 5 noch auf der Suche nach (möglichst guten) Bau/Profilformen.

Bevorzugt 3 flügelig und für meine Simulation wäre auch noch wichtig, dass ich das 2d Profil dann durch einfaches extrudieren zum Rotor machen kann (2d Simulation), also Helix oder sowas, kann ich leider (noch) nicht untersuchen. Vielleicht hat jemand durch Praxisversuche schon ein brauchbares Profil, mit dem er mir helfen kann? Am Ende wird dann für alle 5 Bauformen je ein Diagramm, Wirkungsgrad über Schnellaufzahl herauskommen, die man dann vergleichen kann. Ist für den ein oder anderen ja vielleicht auch interessant...
Ach am Rande noch, weshalb Savonius - der Prototyp soll auch mal bei mir aufgestellt werden und wir haben hier im Jahresdurchschnitt etwas über 1 m/s bei 2m Messhöhe über dem Boden

Ok, andere Frage meinerseits, Details zu meinem Vorhaben usw. werden sicherlich folgen - aber das soll's für's erste mal gewesen sein!

Gruß,
Bürgi

Ja, das mit dem Rahei und Benesh wär ne Überlegung, obwohl oder gerade weil sie deutlich anders sind. Auch wenn ich trotzdem sehr gern bei den 3 flügelichen Durchströmern mal sehen würde, welche Form das Optimum ist (bzw. nicht ist). Kommerziell immerhin scheinen diese ja unter den vertikalen Widerstandsläufern ja zu dominieren (z.B. www.pcon-wind.de). Es scheint mir ein vernünftiger Kompromiss zwischen gutem Anlaufverhalten, geringen Lastwechseln und Materialaufwand zu sein. Und es bleibt auch noch genügend Freifläche zwischen den Flügeln.

Hat denn da noch keiner verschiedene Profile ausprobiert? Oder das Profil von Schulz aus dem Savonius Buch (ist ja auch schon über 20 Jahre her) optimiert? Wäre echt super dankbar!
Eine weitere Frage wäre noch, gibt es ein gängiges, optimales Verhältnis zwischen Höhe und Durchmesser?
Ich denke mal, wenn man von der vorherrschenden Windgeschwindigkeit ausgeht, dürfte für viele gängige Scheibengeneratoren eine Drehzahl von ca. 200 1/min anzustreben sein. Generatoren mit noch geringerer Drehzahl hab ich bis jetzt praktisch nie gesehen...

zu OpenFOAM:
Ich hab deinen Thread schon vorher mal angesehen, grundsätzlich mal Respekt für deinen Start bei 0...
Also ich bin bei OpenFOAM auch noch sehr am Anfang. Ich hatte das Glück, dass mein betreuender Professor sich da sehr gut auskennt und ich einen seiner 3 tägigen Schulungskurse besuchen durfte. Aber auch danach hat man erst mal nur Grundlagen und muss am besten mit Vorlagen arbeiten, die man anpasst. Da ich mit einer Vorlage von ihm arbeite, müsste ich erst mal fragen, ob ich Sie ohne weiteres rausgeben darf. Es gibt da aber bei den offiziellen Tutorials offenbar ein Beispiel mit einer Schiffsschraube, worauf es, seiner Aussage nach, grundsätzlich basiert. Ansonsten kann ich dir aber zumindest mal entscheidende das Vorgehen erläutern:

- Es handelt sich um eine 2D Simulation, d.h. nur Strömung in Ebenenrichtung
- Ich bastel im CAD mit ProE (oder neuerdings Creo) einen Rotor und exportiere ihn als .stl
- In OpenFoam wird zurnächst ein Simulationsraum erzeugt (Quader) mit blockmesh
- Die STL liegt ca. halb in dem Quader (etwas in Achsrichtung nach unten verschoben) und schneidet diesen an seiner Unterseite
- Die Unterseite des Quaders wird extrudiert auf die Dicke, die der Höhe meines Rotors entspricht
- Dann wird die Vernetzung des Rotors mit SnappyHexMesh zurechtgeschnitten, wichtig ist, dass dabei noch ein Zylinder um den Rotor als dynamische Mesh definiert wird, das mitsamt dem eingeschlossenen Rotor dann nach einer definierten Winkelgeschwindigkeit rotieren kann
- Es wird mit dem k-Omega-Modell gerechnet und der Solver ist PimpledyMFoam

Ah, cool dankeschön!
Hätt ich auch selbst mal draufkommen können, so oft wie ich schon bei dem Savonius Wikipedia Artikel unterwegs war

Ok und das mit Benesh und Rahai, also dass es sich um Optimierungen handelt, wusste ich nicht. Na dann könnt ich ja mal probieren, diese als 3-Flügler auszuführen. Gut, die Überlappung ist ja dann auch nochmal so eine Variable, mit der sich die Möglichkeiten verfielfachen...

Gibts zu Rahai und Benesh egtl. bekanntere Artikel / Bücher o.Ä.? ... Ist ziemlich mau, was google so dazu ausspuckt.

Zu deiner Simulation:

Warum soll es denn egtl. zwingend 3D sein, bei dir? Also wenn es nur um die Genauigkeit geht - so schlecht ist für "unsere" Anwendungen 2D auch nicht. Man muss ja bei der Simulation eh immer vieles abstrahieren und Annahmen treffen... Man verzichtet schon bei der STL auf Schrauben, Nieten und solch kleinere Dinge, nimmt durchschnittliche Windgeschwindigkeiten, und was Aufwinde o.Ä. angeht, die sind ja auch nicht immer gleich... ist halt fraglich ob man da dann überhaupt noch einen Mehrwert davon hat. I.d.R. kann man vom 2D Ergebniss des Wirkungsgrads noch einen Prozentanteil für Ungenauigkeiten abziehen und landet dann ganz gut bei der Realität.
Wenn es um so Dinge geht, wie Helix... klar, da bleibt nichts anderes als 3D. Aber das ist für den Einstieg schon verdammt schwierig

Also Flächen neu definieren, das wär mir jetzt neu - musste ich bisher nie. Wenn man aber einen kompletten Neuaufbau einer Simulation macht, ist es vllt. möglich.
www.cfd-online.com also v.a. Forum und Wiki ist btw. öfters mal hilfreich. Ansonsten, ich frag mal demnächst nach, ob ich was rausgeben darf. Es wäre am leichtesten an einer lauffähigen Simulation zu erklären und nachzuvollziehen. Abschließend sei noch erwähnt, paraView ist auch noch sehr wichtig, einfach als Viewer, zur optischen Kontrolle und zum Postprocessing. Ich kann auch beim nächsten mal noch paar Dinge zur Leistungs- bzw. Momentenermittlung um die Drehachse verlieren. Darauf will man ja egtl. raus.

Zu Rahai gibt es ein Patent und eine Veröffentlichung:
- H.R. Rahai, H. Hefazi: ''Vertical axis wind turbine with optimized blade profile''. United States Patent No. 7,393,177, 2008
- H. Rahai: ''Development of Optimum Design Configuration and Performance for Vertical Axis Wind Turbine'' Feasibility Analysis and Final EISG Report, May 2005

Zu Benesh gibt es, glaube ich, ebenfalls Patente und Veröffentlichungen:
- A.H. Benesh: ''Wind Turbine System Using a Vertical Axis Savonius Type Rotor'' United States Patent, Patent No. 4,784,568, November 1988
- A.H. Benesh: ''Wind Turbine System Using a Savonius Type Rotor'' United States Patent, Patent No. 4,838,757, Juni 1989
- A.H. Benesh: ''THE BENESH WIND TURBINE'' Eleventh ASME Wind Energy Symposium: presented at the Energy-Sources Technology Conference and Exhibition, Houston, Texas, Volume 12, Januar 1992
- A. Moutsoglou, Y. Weng: ''Performance tests of a Benesh wind turbine rotor and a Savonius rotor'' Wind Engineering, Volume 19, Number 6, Multi-Science Publishing Co, Ltd, Brentwood, United Kingdom, London, 1995

Die Sache mit der 3D Simulation ist halt, dass ich tatsächlich Helixformen und irgendwann auch Horizontalachser simulieren möchte.

Hallo Bürgi,

da hast Du ja ein spannendes Thema für Deine Bachelor-Arbeit. Es gibt mindestens 20 wissenschaftliche Veröffentlichungen zu Strömungssimulationen und Untersuchungen an Savonius-Rotoren, die meisten davon auf Englisch, einige auf Französisch und Japanisch und mindestens einen auf Deutsch G. Bach " Untersuchungen über Savonius-Rotoren und verwandte Strömungsmaschinen", Forschung im Ingenieurwesen, von 1931. Dort beschreibt er ein dem Rahai-Profil ähnliches abgeflachtes Profil, das etwas einfacher ist als das Rahai-Profi (ohne den "Hubbel" im Rahai-Profil ) Das wäre vielleicht etwas für Dein viertes oder fünftes zu untersuchendes Profil

Neben den von XXLRay zitierten Links hier noch Verweise auf 2 andere Threads mit Artikeln
topic.php?p=28622#real28622
topic.php?p=29328#real29328
Aus den neuen Artikeln würde ich die von d'Alessandro und den Artikel zu den Strömungsverhältnisssen am Spalt von Swirydczuk empfehlen.

Einen guten Einstieg in das Thema Savonius-Simulation finde ich die gute bis sehr gute Bachelor-Arbeit von Konrad Kacprzak: Numerical analysis of the flow in a two-bucket Savonius wind turbine
Darin gibt es z.B. einen Verweis auf die Artikel von Saha et. al 2006 und 2008, in denen der bessere Wirkungsgrad von Savonius-Rotoren mit 2 Halbschalen gegenüber denen mit 3 Halbschalen beschrieben wird. 3 Halbschalen-Rotoren nehmen viele Leute wegen der ausgewogeneren Massenverteilung und den damit verbundenen (vermeintlich) geringeren Vibrationen.
Kacprzaks 2D-Modell ergab aber eine doppelt so hohe Ausbeute als die Messungen an realen 3D-Savonius-Rotoren... Das deckt sich ja dann mit den Berichten von Carl. Es bleibt aber offen, ob dies an der fehlenden Berücksichtigung von 3D-Effekten oder anderen Gründen lag.
Bei höheren Schnelllaufzahlen passte sein Modell erst als er einen detaillierteres Modell für den Strömungsübergang laminar-turbulent hinzugefügt hat.

Das Buch von Kacprzak ist leider mit circa 50 Euro schon etwas teurer, wenn man den Ansprechpartner für die Neuanschaffungen in der Bibliothek bei Euch anspricht, sollte das aber eigentlich über die Bibliothek beschaffbar sein, notfalls sollte Dein Professor das in die Wege leiten können.

Auch in dem Artikel von Sheldahl, Blackwell et. al sind massenweise Messwerte enthalten, die dann zur Überprüfung Deiner Simulationsergebnisse helfen können.

Viel Erfolg mit Deiner Arbeit!

Malte

Nabend Leute,

vielen Dank für eure Tipps, Links und Empfehlungen!
In letzter Zeit war's wieder bisschen stressig, deswegen die verspätete Rückmeldung.

Die Simulation in OpenFOAM ärgert mich mal wieder in letzter Zeit. Es will mir bzgl. der Vernetzung nicht gelingen, Layers um die Flügelflächen einzufügen. Diese wären für eine möglichst saubere Umströmung in der Simulation aber schon wichtig. Naja... ich berichte, wenn's neues gibt!

@XXLRay: Ansonsten darf ich leider keine ganze Simulation rausgeben , aber das Propeller Tutorial sollte bei OpenFOAM direkt dabei sein, im Unterordner tutorials\incompressible\pimpleDymFoam\propeller

Ich wünsch euch allen schöne, ruhige Feiertage!
Gruß, Bürgi

Hallo Bürgi
Ich wollte mal einen Savonius ins Zentrum von einem Darrieus anbringen, wie man dies des öfteren sieht. Weil zweiflügelige Savonius Rotoren ein hackendes Drehmoment aufweisen und andererseits viele Turbulenzen erzeugen, habe ich auch Versuche im Windkanal gefahren mit Dreiflügeligen Savonius Rotoren. Den "Schulz" Rotor habe ich nicht versucht, dagegen mehrere Versionen mit " Dreiflügeligen Savonius" mit sehr viel Freiraum in der Mitte. Dann mit einem kreisrunden Mittelteil, mit einem dreieckigem (leicht gerundetem) Mittelteil mit runden Ecken und eine Version mit zusätzlichen Flügeln im Mittelteil. Das Ergebnis war immer gleich schlecht. Die Leistung war nur halb so gross wie beim konventionellem Savonius.
Ich rate dir zu dem Zweiflügler mit oben und unten Deckeln und als freier Abstand zwischen den Flügeln 1/6 vom (GESAMT) Durchmesser. Damit erreichst du die höchste Leistung. Der ORIGINAL Savonuis hatte 1/3 freier Abstand und bringt 15% weniger Leistung. Ohne freien Abstand in der Mitte bringt ebenfalls weniger Leistung.
Gruss
Constant

Kann man die komplette Ausarbeitung irgendwo runterladen?

Super Sache, auch ich würde gerne mal die ganze Arbeit lesen und mich über eine PN freuen

Gruß
Max