Symmetrisch vs Asymmetrisch

 
sky
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Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 03.08.2008 - 16:51 Uhr  ·  #1
Hallo, ich les schon eine ganze Weile hier mit, habe schon einiges hier lernen können, und wollt nun mal bisschen Wissen zurückgeben. Vielleicht kann der eine oder andere ja damit was anfangen.
Ein symmetrisches Profil kann auch Auftrieb erzeugen, nur muss es dafür mit einem gewissen
Winkel angeströmt werden. Ein unsymmetrisches Profil erzeugt zwar mehr Auftrieb als ein symmetrisches, aber je mehr auftrieb erzeugt wird desto höher wird auch der Luftwiderstand.
Die Auftriebskraft wirkt immer im 90° Winkel zur Anströmrichtung des Profils. Wird ein asymmetrisches Profil von 0° (also genau von vorne) angeströmt, so erzeugt es bei einem H-Rotor eine Auftriebskraft die genau vom Mast weg zeigt. Somit wird auch kein Drehmoment
auf den Mast übertragen. Ein symmetrisches erzeugt bei 0° keinen Auftrieb, und damit auch weniger Luftwiderstand.
Um einen Drehmoment auf den Mast zu erzeugen muss die Auftriebskraft wenigstens ein paar Grad in Drehrichtung wirken. In bezug auf die 90° Grad-Regel müsste also das Profil leicht von der „Unterseite“ angeströmt werden um einen Drehmoment zu erzeugen.

Die Anströmrichtung setzt sich zusammen aus der Windrichtung und der Richtung in der sich das Profil gerade bewegt (gegenwind, fahrtwind etc.).
Bewegt man ein Profil mit 10Km/h so wird es zunächst von 0° angeströmt (gegenwind).
Kommt nun aus 90° (Profilunterseite) ein Wind mit ebenfalls 10Km/h dazu, so ergibt sich eine Anströmrichtung von 45°. Verändert sich eine der beiden Geschwindigkeiten, so ändert sich auch der Anströmwinkel.
Deswegen sollte bei einer Regelung des Anstellwinkels nicht nur die Windrichtung sondern
auch die Geschwindigkeit der Flügel berücksichtigt werden.

Ein asymmetrisches Profil erzeugt ein größeres Drehmoment entweder auf der auf der Wind abgewandter Seite (Wölbung des Profils zeigt nach außen) oder auf der Wind zugewandter Seite (Wölbung des Profils zeigt nach innen).
Ein symmetrisches Profil erzeugt einen kleineren Drehmoment, dafür aber auf beiden Seiten (Wind abgewandt und zugewandt).

Sehr schön kann man das hier sehen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Darrieusgrafik.svg

Optimaler wäre ein asymmetrisches Profil das die Wölbung einmal nach innen und einmal nach außen hat, so wie ein Windsurf –Segel.
Die Kräfte beim H-Rotor lassen sich eh eher mit denen beim Windsurfen vergleichen, als denen beim Flugzeug.

Einen kleinen virtuellen Windkanal, sowie gute Erklärungen und links findet man hier:
http://www.wissen.swr.de/warum…t2/s1.html



Mit freundlichen Grüßen sky
cashu
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 05.08.2008 - 19:18 Uhr  ·  #2
Sky,

ein wirklich schöner Beitrag, vor allem in Verbindung mit den beiden Links . . .

Wenn ich das Demo aus letzterem Link jetzt richtig interpretiere, liefern asymmetrische Profile bei einem Darrieus-Rotor bei einem Anstellwinkel von +/- 15 Grad fast auschließlich positive Drehmomente. Ebenso geht aus diesem Demo hervor, dass eine ebene Fläche bei einem Anstellwinkel im genannten Bereich einen nur unwesentlichen Nachteil gegenüber einem aerodynamisch günstig geformten Profil hat . . .

Wie aber sieht es bei darüber hinausgehenden Anstellwinkeln - die ja zwangsläufig auch vorkommen - aus? Heben dann evtl. übergroße, negative Drehmomente die Vorteile der asymmetrischen Profile wieder auf ?

Ich weiß es nicht - aber etliche Beiträge im Forum weisen - sowohl aus praktischer Erfahrung wie auch aus theoretischer Betrachtung heraus - auf ein Optimum hin, das nur unter Nutzung eines symmetrischen Profils (welches genau wird nicht genannt) ohne Anstellwinkel erreicht werden soll . . .
XXLRay
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 05.08.2008 - 19:57 Uhr  ·  #3
Wird bei starrer Befestigung der Flügel für den H-Rotor ein symmetrisches Profil verwendet, so erzeugt dieses auch bei einem Anstellwinkel von 0° einen Auftrieb. Das liegt an der Kreisförmigen Bahn, die dafür sorgt, dass der "Gegenwind" des Flügels immer etwas von "unten" auf die Flügel trifft.
Den niedrigsten Luftwiderstand hätte man bei einem symmetrischen Profil demnach, wenn man das Ende des Flügels etwas nach außen dreht, also bei negativem Anstellwinkel. Das hat dann allerdings auch das niedrigste Drehmoment zur Folge.
Ist der Anstellwinkel zu groß (<15°) so ist der Luftwiderstand so groß, dass der Gewinn durch den Auftrieb zunichte gemacht wird. Da der Luftwiderstand nicht berücksichtig wird, ist das Demoprogramm leider nur eingeschränkt für die Entwicklung eines Darrieusrotors geeignet, ist aber ganz nett, um mal einen Eindruck zu erhalten.
Das ist zumindest der Stand, auf dem ich nach meinen bisherigen Recherchen bin.
sky
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 07.08.2008 - 01:31 Uhr  ·  #4
Hallo Carmen
man braucht das Profil nicht mit einem bestimmten Anstellwinkel montieren, um 15° Anströmwinkel zu erreichen.
Der Rotor dreht sich doch eh im Kreis und wird ständig aus einer anderen Richtung angeströmt.
Bei einem Flugzeug sind Anstellwinkel und Anströmwinkel fast identisch.
Bei einem H-Rotor ist dies aber nicht der fall.
Wenn man eine gerade Linie zwischen der vordersten Kante und der hintersten Kante eines Profils zieht so erhält man die Profilsehne.
Wird ein Profil mit einem rechtem Winkel zwischen Strebe und Profilsehne montiert, so hat es in dem moment wo es sich genau gegen die Windrichtung dreht einen Anstellwikel von 0°.
Normalerweise hat man immer das Flügelprofil eines Flugzeuges im Hinterkopf,nur braucht ein Flugzeug keinen Wind um zu fliegen, es erzeugt seinen eigenen Wind(Fluggeschwindigkeit) durch den Vortrieb seiner Propeller bzw. Düsen.
Deswegen auch der Hinweis auf die Windsurfer oder auch Segelschiffe bzw. Strandsegler etc. Diese nutzen den Wind um bewegung zu erzeugen.
Wenn man mal ein Bild oder Video von einem Windsurfer bei maximaler geschwindigkeit sieht, kann man davon ausgehen das die eigentliche Windrichtung mit fast 90° auf seinen Rücken und damit auf die Profil/Segel Unterseite zeigt.DerWindsufer selber bemerkt dabei nur einen Wind der der fast aus der Fahrtrichtung kommt.

mfg sky
cashu
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 07.08.2008 - 14:03 Uhr  ·  #5
Hallo Sky,

es war schon klar dass man bei einem Darrieus die Profil-Blätter nicht in einem Anstellwinkel montieren muss, die Anstellwinkel ergeben sich zwangsläufig aus der Blattposition und der Richtung des Windes.

Zwangsläufig bilden sich beim Darrieus bei der Drehung positive und negative Anstellwinkel an den Blättern. Bei langsamer Drehung ergeben sich teils extrem große +- Anstellwinkel und mit zunehmender Drehgeschwindigkeit werden die +- Anstellwinkel immer kleiner, da sie von der Bewegung des Blattes (Eigengeschwindigkeit) überlagert werden . . .

Die Frage war doch: wie verhalten sich asymmetrische Profile bei Anstellwinkeln größer oder kleiner +- 15 Grad im Verhältnis zu symmetrischen Profilen ?
sky
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 08.08.2008 - 01:30 Uhr  ·  #6
Hallo cashu
wieviel Auftrieb ein Profil bei einem bestimmten Winkel erzeugt hängt von seiner form ab, egal ob asymmetrisch oder symmetrisch.
Eine "platte" Profilnase mit einer geringen Profiltiefe sollte auch bei großen Anströmwinkel Auftrieb erzeugen ,das geht natürlich auf kosten des Auftriebs bei kleinen Antrömwinkeln und des Luftwiederstandes.
Ansonsten weiß ich nicht worauf du hinaus möchtest, suchst du eine bestimmte Profilform?

mfg sky
XXLRay
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 08.08.2008 - 08:58 Uhr  ·  #7
So wie ich das verstanden habe, möchte chasu einen Anstellwinkel über 15° verwenden (was ich nicht sinnvoll finde) und wüsste vorher gerne, ob dafür ein symmetrisches oder ein asymmetrisches Profil besser geeignet ist. Ich persönlich denke, dass es bei so hohem Anstellwinkel aufgrund des erzeugten Luftwiderstandes fast egal ist, was für ein Profil in diesem Fall verwendet wird.
cashu
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 08.08.2008 - 13:31 Uhr  ·  #8
Hallo Sky,

die Frage lautet einfach: was ist für einen Darrieus-Rotor optimal:
ein symmetrisches oder ein asymmetrisches Blatt-Profil ? Und wenn diese Frage geklärt ist: welches Profil genau ?

Hintergrund: Man findet (teils auch hier im Forum) alle möglichen Vatrianten . . . z.B.:

symmetrische Profile mit Seele tangential (als 90° zum Radius) oder leicht davon abweichend (+- einige ° zur Tangente), um das Anlaufverhalten (auf Kosten der optimalen Schnellläufigkeit) zu verbessern und wobei man hier über Sinn oder Unsinn streiten kann . . .

bei asymmetrischen Profilen die konvexe (oder weniger konkave) Seite nach innen oder nach außen gerichtet, und das Ganze dann noch in Kombination mit leichten Anstellwinkeln (siehe vorherigen Punkt) zur Tangente.

@ XXLRay

Ich weiss nicht wie Du zu der Annahme kommst, ich wolle Anstellwinkel größer als 15° verwenden . . . denn ich schrieb:

Zitat
es war schon klar dass man bei einem Darrieus die Profil-Blätter nicht in einem Anstellwinkel montieren muss, die Anstellwinkel ergeben sich zwangsläufig aus der Blattposition und der Richtung des Windes.

Zwangsläufig bilden sich beim Darrieus bei der Drehung positive und negative Anstellwinkel an den Blättern. Bei langsamer Drehung ergeben sich teils extrem große +- Anstellwinkel und mit zunehmender Drehgeschwindigkeit werden die +- Anstellwinkel immer kleiner, da sie von der Bewegung des Blattes (Eigengeschwindigkeit) überlagert werden . . .


Nachdem die Blätter einheitlich tangential angeordnet sind (es sei denn, man führt sie zyklisch z.B. über einen Excenter, eine Nockenwelle, Nut o.ä.) und nachdem sich die Anstellwinkel für jedes Blatt zwangsweise aus der Blattposition, der Blattgeschwindigkeit und der Windgeschwindigkeit ergeben (ausgenommen eine möglicherweise kleine Anstellung gegenüber der Tangente), bleibt eigentlich nur noch die Frage nach den Vor- und Nachteilen der unterschiedlichen Profile (bzw. nach den Auswirkungen bei deren wechselnden Anström-/Anstellwinkeln . . .)
XXLRay
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 08.08.2008 - 13:40 Uhr  ·  #9
Zitat geschrieben von cashu
@ XXLRay

Ich weiss nicht wie Du zu der Annahme kommst, ich wolle Anstellwinkel größer als 15° verwenden . . . denn ich schrieb:
...

Naja, mich hat diese Frage auf die Idee gebracht:
Zitat geschrieben von cashu
Die Frage war doch: wie verhalten sich asymmetrische Profile bei Anstellwinkeln größer oder kleiner +- 15 Grad im Verhältnis zu symmetrischen Profilen ?
Hier sprichst du doch von größeren Anstellwinkeln als 15°

Mit meinem Projekt bin ich momentan so weit, dass mein Rotor mit symmetrischen Profilen ohne Anstellwinkel von selbst angelaufen ist, bis ihn der Wind vom Dach geweht hat.
Der nächste Test, wenn mein Windrad wieder aufgebaut ist, wird mit einem NACA0018 Profil sein, das genau entlang des Umkreises gebogen ist. Da sich das nicht exakt mittels Camber modellieren lässt, gibt es zumindest in der NACA-Serie wohl kein entsprechendes Profil.
cashu
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 08.08.2008 - 19:38 Uhr  ·  #10
@ XXLRay:

Zitat
Hier sprichst du doch von größeren Anstellwinkeln als 15°


Ja, hier spreche ich von Anstellwinkeln größer als 15°, aber aus dem Kontext und aus der Tatsache, dass die sich ständig ändernden Anstellwinkel sich stets aus dem jeweiligen Verhältnis von Blatt-Position und -Geschwindigkeit gegenüber Windgeschwindigkeit und -Richtung zwangsläufig ergeben, ist letztlich nur der Schluss zulässig, dass ich mich auf sich zwangsläufig ergebende Anstellwinkel > x beziehe.

Und diese Anstellwinkel betragen - je nach Rotor-Geschwindigkeit - für ein einzelnes Blatt zwischen 0 und +- 90 Grad !
sky
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Re: Symmetrisch vs Asymmetrisch

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Gepostet: 09.08.2008 - 07:52 Uhr  ·  #11
Hallo ihr beiden
Also ich sehe da eher einen Vorteil für das symmetrische Profil, da es in den Bereichen in dem es mit 0° angeströmt wird weniger Luftwiederstand erzeugt. Desweiteren dürften die belastungen am Mast, Lagern etc. bei einem
symmetrischen Profil geringer sein, da es einerseits nur ca. halb so viel Drehmoment erzeugt, diesen dafür aber in einem ca.doppelt so großen Bereich(bezogen auf eine Umdrehung).
Was die optimale Profilform angeht kann ich leider auch nicht weiter helfen.
Es gibt zwar viele genormte Profile, nur sind die meist für Flugzeuge konzipiert.
Man muß auch nicht unbedingt so ein genormtes Profil nehmen, selbst erfundene Profile werden immer Drehmoment erzeugen, solang es kein Vierkantrohr wird :lol:

mfg sky
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