Regelkraft für Sturmsicherung

Steuer- und Querfahne
 
danile
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Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 08.07.2012 - 18:51 Uhr  ·  #1
Hallo,

ich habe für mein kleines Windrad eine Steuer- und Querfahnen- Sturmsicherung ausgesucht, da diese relativ einfach realisierbar ist, eigensicher ist und erprobt. Für die Berechnungen der Kräfte habe ich mal ein Excel-Tool geschrieben. Dort wird die nötige Regelkraft berechnet, sofern das Regelgewicht nicht V-förmig aufgehängt ist, sondern direkt am Holepunkt hängt. Dieses werde ich über ein Seil und eine Umlenkrolle an dem Holepunkt befestigen. Im Buch von Horst Crome ist die Steuerfahnenfläche mit 10% der Rotorfläche und die Querfahnenfläche mit 5% der Rotorfläche angegeben. Die Querfahne soll vollständig über den Rotor hinausragen. Die Steuerfahne sollte in etwa den Hebelarm haben wie der Rotor einen Durchmesser hat.

Die Windfahnenfläche wird nach den Formeln für ein gleichseitiges Dreieck berechnet. Mit dem Sinus des Winkels, in dem sie zur Welle liegt, multipliziert mit ihrer Fläche, ergibt dies die Fläche, die im Wind steht. Bei dieser Art von Sturmsicherung sollten beide Fahnen im Normalbetrieb gleiche Drehmomente auf den Drehkranz erzeugen, die sich somit aufheben. Wird eine bestimmte Kraft der Steuerfahne bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit überschritten, ist die Kraft des Regelgewichts zu klein und die Steuerfahne dreht sich zur Querfahne hin.

Liege ich richtig, wenn ich die Fläche mit dem Sinus des Winkels multipliziere?

Bei einem V-förmig aufgehängten Regelgewicht spielen noch der Abstand vom Holfpunkt zur Führung des Regelgewichts und der Spreizwinkel des Regelgewichts eine Rolle, aber wie genau weiß ich nicht. Ich würde dies Form bevorzugen, da die Aufhängung eines Gewichts mit einer Umlenkrolle immer eine konstante Kraft erzeugt und sich somit die Fläche des Rotors schneller ändert, währen die Fläche des Rotors mit einem V-förmig aufgehängten Gewicht eine mehr oder weniger konstante Leistung hervorruft, oder? Die Kraft, wenn die Führungsschiene genau in der Mitte zwischen den Befestigungspunkten läge, wäre dann die Gewichtskraft des Regelgewichts multipliziert mit dem Hebelarm, also dem Abstand von der Führungsschiene zum Holepunkt.

Stimmt das? Wenn ja, lässt sich mittels dem Satz des Pythagoras der Abstand von der Befestigung an der Steuerfahne zum Holepunkt berechnen.

Gruß
Dani
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danile
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 09.07.2012 - 20:49 Uhr  ·  #2
Die erste Datei hat einen Fehler in der Berechnung der Maße der Fahnenflächen.
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danile
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 13.07.2012 - 16:58 Uhr  ·  #3
Kann mir denn keiner sagen, ob es richtig ist, was ich da ausgerechnet habe bzw. wie man ein V-Regelgewicht abschätzen kann?
XXLRay
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 13.07.2012 - 16:59 Uhr  ·  #4
danile
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 13.07.2012 - 17:38 Uhr  ·  #5
Man kann ja auch nicht alles wissen :D

Die Fläche der Steuerfahne, die im Wind steht, habe ich so berechnet: Aw= AF * sin(Alpha) . Alpha sind in meinem Fall 20° und die Fläche beträgt 0,38m². Ich erhalte dann eine Fläche von 0,13m², d.h. es stehen 0,13m² im Wind. Mit der Formel für den Staudruck habe ich dann die Kraft berechnet, die diese Fläche auslöst und mit dem Hebelarm multipliziert ein Drehmoment ergibt. Für die Kraftberechnung, die an der Hälfte des Hebelarms wirkt, für das Regelgewicht habe ich dann dieses Drehmoment durch die Hälfte des Hebelarms geteilt und erhalte so wieder eine Kraft aus einem Drehmoment.

Diese Kraft muss das Regelgewicht gerade noch erzeugen, darüber dreht die Anlage dann aus dem Wind. Diese Kraft wird mit 9,81N/kg geteilt. Man erhält somit die Masse in kg, in meinem Fall 0,787kg.

Da diese Art der Gewichtsaufhängung der Steuerfahne immer eine konstante Kraft entgegensetzt, müsste doch dann die Kurve der Leistungsabgabe der WKA so verlaufen, dass sie an dem Punkt, an dem die Anlage beginnt, aus dem Wind zu drehen, ihr Maximum hat und dann in einer Kurve nach unten geht. Wünschenswert wäre natürlich eine Kennlinie wie bei großen Anlagen, dass nämlich die Anlage ab diesem Punkt immer eine konstante Leistung abgibt, bis sie schließlich gar keine bzw. eine sehr gering Leistung mehr abgibt. Dies lässt sich mit einem V-förmig aufgehängten Regelgewicht annähernd realisieren. Dabei steigt die Kraft, die durch das Gewicht ausgelöst wird, in Abhängigkeit des Winkels zwischen dem Seil mit dem Scheitel am Gewicht, exponentiell, ebenso wie die Kraft, die durch die Fahnenfläche augelöst wird.

Aber wie man diese Gewichtskraft des Regelgewichts annähernd berechnet, ist mir ein Rätsel. Eine Rolle spielen das Gewicht selbst, der Spreizwinkel am Gewicht, der Hebelarm an der Steuerfahne und der Hebelarm an der Querfahne.

Gruß
Dani
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 13.07.2012 - 19:45 Uhr  ·  #6
eine Zeichnung wäre mal nicht schlecht, kann mir das mit dem V gerade schlecht vorstellen...

Das nächste ist die Kraft die auf den Rotor wirkt, diese ist ja auch von der Last abhängig die dem Rotor entnommen wird, in der Praxis wird man also ohnehin etwas mit dem Gewicht spielen bis man damit zufrieden ist- ist ja aber unkompliziert...

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danile
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 13.07.2012 - 22:28 Uhr  ·  #7
Eine Zeichnung ist in diesem Fall nicht sehr sinnvoll, da ich zeichnerisch nicht wirklich begabt bin :D

Aber Links kann ich liefern:
Bild 1
Horst Crome CAD
Bild 2

Das Regelgewicht hängt zwischen der Querfahne und der Steuerfahne und bildet dabei ein V. Das Gewicht hängt über eine Rolle am Seil und zieht daran. Wird jetzt der Winkel beim Gewicht, also zwischen den Seilen größer, ist bei gleicher Gewichtskraft des Regelgewichts die Kraft auf die Steuerfahne größer. Jeder kennt das, wenn man z.B. etwas schwereres an eine Schnur hängt und diese auseinander zieht, benötigt man einiges mehr an Kraft, um diese Stellung zu halten. Wenn man die Enden der Schnur jetzt aber sehr nahe aneinanderbringt, muss man fast nur noch die Gewichtskraft des Gewichts heben und nicht mehr zusätzlich die Enden auseinander ziehen.

Beim Googeln ist mir diese Seite ins Auge gefallen. Nun zeichnet man die einzelnen Kraftvektoren. Ein Beispiel: Die Gewichtskraft des Regelgewichts beträgt 7N. Der Winkel zwischen den Seilen beträgt 60°. Nun wird dieser Winkel durch zwei geteilt, damit man die Kraft berechnen kann, also 30°. Um die Kraft (Strecke) x zu berechnen, verwendet man den Tangens des Winkels Alpha/2 (60°/2) multipliziert mit der Gewichtskraft (7N). Also tan(30°) * 7N = 4,04N. Das bedeutet, dass das Regelgewicht letztendlich mit 4,04N an der Steuerfahne zieht. Es zieht mit der selben Kraft auch an der Querfahne; da diese aber starr ist und das Regelgewicht auf beide Fahnen die selbe Kraft erzeugt, kann dies vernachlässigt werden. Das Ganze wird in der Zeichnung deutlicher.

Nun soll die Kraft, wie in der Excel-Tabelle berechnet, 7,72N betragen. Das Regelgewicht hängt so am tiefsten Punkt und hat dort den niedrigsten Winkel. Nun soll das Seil so lange sein, dass es von der Befestigung der Querfahne bis zur Umlenkrolle am Holepunkt der Steuerfahne reicht und von dort aus zur Steuerfahne. Dann lässt sich der Winkel, in dem das Gewicht im Normalzustand hängt, berechnen. Auch hier ein Beispiel, allerdings nur geschätzte Werte der Maße:

Abstand zwischen den Punkten an den Fahnen: 1,5m
=> Abstand von der Umlenkrolle, die dort positioniert ist, wo die Steuerfahne im Normalzustand ist, zur Steuerfahne: 1,7m
=> Gesamtlänge Seil= 1,5m+1,7m=3,2m, d.h. 3,2m Seil hängen zwischen der Umlenkrolle und der Befestigung an der Querfahne
sin(Alpha/2) = (1,5m/2)/(3,2m/2) = 28°. Dieser Winkel ist jetzt der halbe Winkel, deshalb noch mit 2 multipliziert, also 56°. Der Winkel kann sich so von 180° bis 56° bewegen. Mit diesem Winkel kann nun das benötigte Gewicht berechnet werden. Die benötigte Kraft FR= 7,72N (Kraft der Fahne)/tan(28°) = 14,52N. Geteilt durch 9,81N/kg ergibt es 1,48kg Regelgewicht.

Stimmt das soweit?







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Dani
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 14.07.2012 - 03:28 Uhr  ·  #8
uff...
wieso machst du es dir für ein knapp 2m Windrad so kompliziert...?
Ok, ich hab schon mitbekommen...du stehst auf kompliziert ;-)

Ich würde wohl dennoch auf Curling gehen bei einer solche kleinen Anlage, das ist unkomplizierter und hat mehr Erfahrungswert, zudem reduziert es das Gewicht der Anlage und sieht in den meisten Fällen besser aus ( wobei das auch wieder Ansichtssache ist...)

Warum willst du auf seitenfahne gehen?

Ich habe früher auch mal was mit Seitenfahne gebaut, war davon aber letztlich nicht so sehr überzeugt...


Gruß
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 14.07.2012 - 08:48 Uhr  ·  #9
Zitat
wieso machst du es dir für ein knapp 2m Windrad so kompliziert...?
Ok, ich hab schon mitbekommen...du stehst auf kompliziert ;-)


Da könntest du allerdings Recht haben :D

Meinst du mit Curling Furling? Vor allem geht es mir darum, dass ich im Nachhinein noch einiges umstellen kann, was ich bei dieser Art der Sturmsicherung nicht machen kann, mir aber doch wichtig ist. Mit einer Seitenfahne aber kann ich die Befestigungspunkte an den Hebelarmen, sowie das Gewicht umstellen. Ebenfalls wird beim Furling eine Feder benötigt, aber ich möchte mit so wenig wie möglich Teile anfertigen lassen. Ich habe schon sehr viele Anlagen mit Furling gesehen, wenige mit Seitenfahnen, aber dennoch finde ich einfach, dass sie einfacher zu bauen ist.

Gruß
Dani
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 14.07.2012 - 09:42 Uhr  ·  #10
danile
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 14.07.2012 - 12:27 Uhr  ·  #11
Ich finde aber trotzdem, dass die Sturmsicherung über eine Seitenfahne flexibler ist, da man einiges umstellen kann.
danile
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 14.07.2012 - 12:29 Uhr  ·  #12
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 14.07.2012 - 13:37 Uhr  ·  #13
oh mann, ich hab glaube ich schon lange nicht mehr so auf dem Schlauch gestanden...und ich bin mir ziemlich sicher dass es nicht an deinen künstlerischen Fähigkeiten liegt...aber ähm....

Ich kapier die Zeichnung nicht :-(

Gruß
Max
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 14.07.2012 - 15:27 Uhr  ·  #14
Das habe ich mir gedacht. Es ist meist so bei mir ;-)
Ich werde morgen eine schönere Zeichnung machen, die du mit Sicherheit verstehen wirst ;-)


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Dani
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 15.07.2012 - 21:25 Uhr  ·  #15
So, jetzt habe ich eine neue bzw. eine Erweiterung der Zeichnung gemacht. Das erste Bild zeigt die Sicht der Fahnen von oben im Maßstab 1:15.



Das Regelgewicht ist in der Mitte der Befestigungspunkte der Fahnen, die je im Abstand von 2/3 der Fahnenarmlänge von der Drehachse entfernt sind. Betrachtet man nun das Seil von der Seite, schwenkt die Ansicht also so, dass man parallel zum Mast wäre, erhält man das Dreieck wie im zweiten Bild, das für die Berechnungen benötigt wird. Die Drei Punkte, die das Dreieck bilden, sind beschrieben. Die Strecke direkt zwischen den Punkten ist der Abstand der Befestigungspunkte voneinander. Die senkrecht dazu verlaufende Strecke zum Regelgewicht ist die Führungslinie des Regelgewichts, auf der sich das Gewicht auf und ab bewegen wird. >Hier< ist beschrieben, wie sich die Kräfte abhängig von einem Winkel verhalten. Der Winkel zwischen den beiden Seilhälften habe ich Alpha bezeichnet.



Möchte man nun berechnen, welche Regelkraft benötigt wird, um einer bestimmten Kraft der Steuerfahne Stand zu halten, benötigt man zunächst den Abstand der Befestigungspunkte, welchen ich zeichnerisch mit 1,76m gemessen habe. Die Hälfte davon habe ich in der Zeichnung als y bezeichnet. Also beträgt y 88cm. Nun zeichnet man die maximale Auslenkung der Steuerfahne ein (Sturmstellung) und von dort dann wieder die 2/3 des Fahnenarms, erhalte ich dort einen Abstand von 12,6cm, also 189cm. Nun werden die beiden Strecken addiert (176cm+189cm). Dies ergibt 365cm. Dies entspricht der Seillänge, die in der Praxis natürlich noch verlängert wird. Diese Seillänge hängt im Normalbetrieb in diesem Dreieck in der Zeichnung. Die Hälfte dieser Strecke ist die Hypotenuse des Dreiecks, also 182,5cm. Mit diesem Wert und der Strecke y kann man nun die Länge der Führungsschiene berechnen, auf der sich das Gewicht bewegt, sowie auch den Winkel zwischen den Seilhälften.
Die Höhe ist die Wurzel aus dem Quadrat der Hypotenuse minus dem Quadrat der Strecke y, also 159,9cm. Der Winkel Alpha/2 lässt sich mit dem Sinus von 88cm/182,5cm berechnen, also 28,8°.

Die Kraft am Hebelarm 2/3 habe ich mit 12,19N berechnet. Sie bildet im Kräftedreieck die Hypotenuse. Der Kosinus von Alpha/2 (28,8°) mulipliziert mit 12,19N ergibt dann 10,68N, die das Regelgewicht erzeugen muss, damit die WKA bei 10m/s anfängt, aus dem Wind zu drehen. 10,68N geteilt durch 9,81N/kg, ergibt es eine Masse von 1,09kg.

Max, ich hoffe, du hast es jetzt verstanden anhand der Zeichnungen. Ich weiß, es ist anfangs kompliziert.

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Dani
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 16.07.2012 - 01:49 Uhr  ·  #16
ja...verstanden habe ich es nun und ich denke auch andere :-)

Ich würde sagen- MACH ES und berichte wie es klappt :-)
Ich hatte auch mal eine Kombination aus Seitenfahne und Furling gebaut- hat auch prima funktioniert...sah nur merkwürdig aus, da finde ich reines Curling gefälliger fürs Auge...auch wenns mir darauf eigentlich nicht ankommt ;-)
danile
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 16.07.2012 - 06:28 Uhr  ·  #17
Ja, das erste Bild war wirklich zu unverständlich.

Ich werde diese Rechnungen jetzt noch im Excel-Tool ergänzen und dann sieht man weiter ;-)
Wichtiger sind jetzt die Flügel und der Generator.

Gruß
Dani
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 16.07.2012 - 07:39 Uhr  ·  #18
danile
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 16.07.2012 - 13:33 Uhr  ·  #19
Ich finde, die Anlage sieht mit der Seitenfahne "mächtiger" aus.

Mit einem Gewicht wird die ganze Sache aber auch nicht einfacher. Ich bleibe bei meiner Seitenfahne und probiere sie mal aus. Wenn sie nicht klappen sollte, was ich zwar nicht hoffe, aber durchaus möglich ist, kann ich immer noch auf andere Sturmsicherungen zurückgreifen.
Ich plante, die Anlage auf dem Anhänger einmal zu testen, um zu schauen, wie sich die Anlage verhält und sie erst einmal lange am Boden zu testen, bevor sie aufgestellt wird, da man dann nicht mehr einfach rankommt.

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Dani
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Re: Regelkraft für Sturmsicherung

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Gepostet: 16.07.2012 - 13:34 Uhr  ·  #20
klar kann man, allerdings nur in eine Richtung ...
Die Seitenfahnenlösung lässt sich auf jeden fall deutlich besser einstellen...ob das wirklich nötig ist ist eine andere Frage bzw. Ansichtssache...

Gruß
MAx
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