Mit dem Rotor wird die Energie erzeugt. Der Rotor besteht aus Rotorblättern, die wiederum aus Profilen zusammengesetzt sind. Die Gesamtheit der Rotorblattprofile an einem Rotorblatt wird auch als "Strak" oder "Profilstrak" bezeichnet.
Was ist denn nun so etwas besonderes an Rotorblattprofilen? Nun die Blattprofile an kleinen Windenergieanlagen laufen bei niedrigen Reynoldszahlen. Diese Reynoldszahl, die bereits in einem anderen Artikel behandelt wurde, ist eine Kennzahl oder auch besser "Ähnlichkeitskennzahl". Sie besagt im speziellen, dass man die Umströmung um zwei Profile als ähnlich betrachten kann, wenn das eine 20 cm breit ist und mit 5 m/s Wind angeströmt wird und das andere 10 cm breit und mit 10 m/s Wind angeströmt wird.
Wenn man die Tiefe in Millimetern angibt, kann man überschlagmäßig die Reynoldszahlen mit der Formel
Re[] = 70 * v[m/s] * l[mm] berechnen. Bei 10 m/s und 100 mm tiefen Profil liegt die Reynolds Zahl also bei etwa 70.000, was in der Aerodynamik nicht hoch ist. Grosswindanlagen beispielsweise laufen bei minimal etwa 2 Millionen.
Nun muss man noch wissen, dass man einem Profil eine Re-Zahl zuordnen kann, aber über dem Profil die Reynolds Zahl variiert; an der Profilnase ist die Reynoldszahl geringer als an der Hinterkante. Das ist die "lokale Reynoldszahl". Sie verändert sich mit dem Anstellwinkel: Stelle ich stärker an, wird auf der Saugseite der Weg der Strömung länger und gleichzeitig die Geschwindigkeit höher; die Auswirkung ist sogar doppelt.
Weiterhin muss man wissen, dass eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit einen niedrigen Druck hat und Strömung mit niedriger Geschwindigkeit einen hohen. Das entnimmt man der Benoulli-Gleichung.
Als nächstes ist wichtig, dass es sich bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten um eine Unterschallströmung handelt. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Strömung, die oben über das Profil geht, von der unteren Strömung beeinflusst wird. Beim Überschallströmung sind diese unabhängig. Oder es ist so, dass sich auch die Strömung an der Nase ändert, wenn man an der Hinterkante des Profils etwas ändert.
Wobei wir bei der Profilgeometrie sind, bei der ein Ruderblattprofil eine runde Nase, eine spitze Hinterkante und eine Ober- und eine Unterseite haben. Die Parameter wie Profilwölbung, Dicke, Wölbungsrücklage, Nasenradius usw. entnehme man bitte beispielsweise Wikipedia.
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Betrachtet man dann ein klassisches Profil mit gerader Unterseite, runder Nase und Spitzer Hinterkante bei einem Anstellwinkel von ca. 5°, so staut sich die Strömung unter der Nase im Staupunkt.
Um die Profilnase wird die Strömung stark beschleunigt, was bedeutet dass ein niedriger Druck an der Nase anliegt. Der niedrige Druck liegt in etwa bis zu dem Punkt an, wo der dickste Punkt auf der Oberseite des Profils ist. Danach wird die Strömung bis zur Hinterkante verzögert, der Druck erhöht sich. Dies ist auf der Oberseite, bei der die lokale Re-Zahl an der Hinterkante grösser ist als die globale Re-Zahl.
Auf der Unterseite wird die Strömung vom hohen Druck am Stupunkt beschleunigt, es liegt aber überall Überdruck an.
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Was hat denn das alles nun mit dieser Reynolds Zahl zu tun? wird man sich fragen.
Nun hier fehlt noch die Tatsache, dass bei diesen kleinen Profilen, obwohl sie nicht als Laminarprofile designt sind, quasi überall laminare Strömung anliegt beziehungsweise anliegen will. Denn der laminar-turbulente Umschlagpunkt liegt bei einer ebenen Platte bei etwa 1 Million, also viel höher als die 70000 des Profils.
Laminare Strömung ist ja eigentlich toll, denn sie hat weniger Reibungswiderstand als turbulente Strömung. Sie hat jedoch einen Haken, der hier entscheidend ist: Sie "mag" keinen Druckanstieg hinter dem dicksten Punkt des Profils. Somit löst die Strömung einfach ab und der Auftrieb des Profils ist weg. Bei etwas höheren Reynoldszahlen ist hinter dem dicksten Punkt des Profils einer laminare Ablöseblase, die sich dann wieder anliegt. Das ist nicht ganz so schlimm.
Worin liegt nun das Dilemma? Nun, man kann eigentlich für diese kleinen Reynolds Zahlen keine normalen Profil verwenden. Denn die meisten Profile sind zu dick und haben eine zu hohe Wölbung. Erst seit ca 15 Jahren wurden dünne Profile entwickelt, die im allgemeinen unter 9 % dick sind. Diese erlauben Strömungen für Reynoldszahlen unter 100.000. Die Profile kommen meiner Meinung nach ursprünglich aus dem Modellflug, wobei hier viel Kohlefasern eingesetzt wurden, die extrem dünne Tragflächen erlauben. Und diese Profile unter 9 % dicke mit geringer Wölbung können eben mit Kohlefasern noch ausreichend stabil gebaut werden. Früher war dies nicht möglich.
Aber selbst bei 9 % dicken Profilen muss man aufpassen: nimmt man beispielsweise das Eppler387, das vor 30 Jahren bei Modellflugzeugen bevorzugt eingesetzt war und quasi eine gerade Unterseite hat und das SD 7037, das eine geringere Wölbung hat, also etwas symmetrischer ist und keine gerade Unterseite hat, so versagt das Eppler Profil bei diesen Reynoldszahlen, während das SD 7037 funktioniert.
Letztendlich bedeutet das, dass man bei kleinen Windenergieanlagen zumindest im Außenbereich, wo eine hohe Profilgleitzahl eine Rolle spielt, hochfeste Materialien einsetzen sollte und bei ganz kleinen Windenergieanlagen von etwa 1 m Rohrdurchmesser müsst es eigentlich vermutlich sogar Kohlefasern sein, um die unerwünschten Ablösesummen zu verhindern, da ja hier Reynoldszahlen von unter 40.000 anliegen und die 9% sicher noch zu dick sind. Wie viel Leistung aus den bei Ebay erhältlichen 1m-MAschinen herauskommt möchte ich nicht wissen....
Behelfen kann man sich durch eine künstliche Transition ("Tripping") beispielsweise mit Zackenband oder auch mit Antirutschband, womit dann der laminare-turbulente Umschlag künstlich herbeigeführt werden kann. Dahinter kann der Druckanstieg vonstatten gehen.
Aus Amerika kommt sogar eine Veröffentlichung, in der gefragt wird, ob es Sinn macht, Profile so dünn auszulegen oder ob man die Profile nicht gleich etwas dicker macht und den Turbulator, also das Zackenband etc., von vornherein vorsieht:
JOURNAL OF AIRCRAFT Vol. 40, No. 4, July–August 2003 Design of Low Reynolds Number Airfoils with Trips
Ashok Gopalarathnam North CarolinaState University, Raleigh, North Carolina27695 and Benjamin A. Broughton, † Bryan D. McGranahan, ‡ and Michael S. Selig § University of Illinois at Urbana – Champaign,Urbana, Illinois 61801.
Die Veröffentlichung deutet auf ganz minimaler Vorteile der dünnen Profile, wobei sie die Spezialitäten von Windenergieanlagen nicht berücksichtigt. Beispielsweise findet bei diesen dünnen Profilen der laminare-turbulenter Übergang über eine so genannte laminare Ablöseblase statt. Es ist also tatsächlich so, dass man auf der Oberseite eine laminare Strömung hat, dann eine Blase, in der sogar Rückströmung herrscht, und dann legt sich die Strömung wieder an, wobei sie in diesem Punkt dann turbulent ist und dann turbulent bis zur Hinterkante weiterläuft. Insbesondere im Blattwurzelbereich ist es bei Windenergieanlagen nämlich so, dass die Strömung auf der Saugseite hochgradig dreidimensional ist und somit kann es durch eine solche Ablösung der durchaus passieren, dass hier eine Querströmung erzeugt wird, die zumindest im Blattwurzelbereich den Auftrieb zusammenbrechen lässt. Denn auch an der Blattwurzel ist ein Randwirbel existent; hier gilt der so genannte Kuttasche Wirbelerhaltungssatz, nachdem Zirkulation in einer Strömung nirgendwo verschwinden kann. Würde man Zackenwand montieren, so würde die Blase nicht entstehen und die Gefahr wäre zumindest reduziert.
Was ist denn nun so etwas besonderes an Rotorblattprofilen? Nun die Blattprofile an kleinen Windenergieanlagen laufen bei niedrigen Reynoldszahlen. Diese Reynoldszahl, die bereits in einem anderen Artikel behandelt wurde, ist eine Kennzahl oder auch besser "Ähnlichkeitskennzahl". Sie besagt im speziellen, dass man die Umströmung um zwei Profile als ähnlich betrachten kann, wenn das eine 20 cm breit ist und mit 5 m/s Wind angeströmt wird und das andere 10 cm breit und mit 10 m/s Wind angeströmt wird.
Wenn man die Tiefe in Millimetern angibt, kann man überschlagmäßig die Reynoldszahlen mit der Formel
Re[] = 70 * v[m/s] * l[mm] berechnen. Bei 10 m/s und 100 mm tiefen Profil liegt die Reynolds Zahl also bei etwa 70.000, was in der Aerodynamik nicht hoch ist. Grosswindanlagen beispielsweise laufen bei minimal etwa 2 Millionen.
Nun muss man noch wissen, dass man einem Profil eine Re-Zahl zuordnen kann, aber über dem Profil die Reynolds Zahl variiert; an der Profilnase ist die Reynoldszahl geringer als an der Hinterkante. Das ist die "lokale Reynoldszahl". Sie verändert sich mit dem Anstellwinkel: Stelle ich stärker an, wird auf der Saugseite der Weg der Strömung länger und gleichzeitig die Geschwindigkeit höher; die Auswirkung ist sogar doppelt.
Weiterhin muss man wissen, dass eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit einen niedrigen Druck hat und Strömung mit niedriger Geschwindigkeit einen hohen. Das entnimmt man der Benoulli-Gleichung.
Als nächstes ist wichtig, dass es sich bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten um eine Unterschallströmung handelt. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Strömung, die oben über das Profil geht, von der unteren Strömung beeinflusst wird. Beim Überschallströmung sind diese unabhängig. Oder es ist so, dass sich auch die Strömung an der Nase ändert, wenn man an der Hinterkante des Profils etwas ändert.
Wobei wir bei der Profilgeometrie sind, bei der ein Ruderblattprofil eine runde Nase, eine spitze Hinterkante und eine Ober- und eine Unterseite haben. Die Parameter wie Profilwölbung, Dicke, Wölbungsrücklage, Nasenradius usw. entnehme man bitte beispielsweise Wikipedia.
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Betrachtet man dann ein klassisches Profil mit gerader Unterseite, runder Nase und Spitzer Hinterkante bei einem Anstellwinkel von ca. 5°, so staut sich die Strömung unter der Nase im Staupunkt.
Um die Profilnase wird die Strömung stark beschleunigt, was bedeutet dass ein niedriger Druck an der Nase anliegt. Der niedrige Druck liegt in etwa bis zu dem Punkt an, wo der dickste Punkt auf der Oberseite des Profils ist. Danach wird die Strömung bis zur Hinterkante verzögert, der Druck erhöht sich. Dies ist auf der Oberseite, bei der die lokale Re-Zahl an der Hinterkante grösser ist als die globale Re-Zahl.
Auf der Unterseite wird die Strömung vom hohen Druck am Stupunkt beschleunigt, es liegt aber überall Überdruck an.
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Was hat denn das alles nun mit dieser Reynolds Zahl zu tun? wird man sich fragen.
Nun hier fehlt noch die Tatsache, dass bei diesen kleinen Profilen, obwohl sie nicht als Laminarprofile designt sind, quasi überall laminare Strömung anliegt beziehungsweise anliegen will. Denn der laminar-turbulente Umschlagpunkt liegt bei einer ebenen Platte bei etwa 1 Million, also viel höher als die 70000 des Profils.
Laminare Strömung ist ja eigentlich toll, denn sie hat weniger Reibungswiderstand als turbulente Strömung. Sie hat jedoch einen Haken, der hier entscheidend ist: Sie "mag" keinen Druckanstieg hinter dem dicksten Punkt des Profils. Somit löst die Strömung einfach ab und der Auftrieb des Profils ist weg. Bei etwas höheren Reynoldszahlen ist hinter dem dicksten Punkt des Profils einer laminare Ablöseblase, die sich dann wieder anliegt. Das ist nicht ganz so schlimm.
Worin liegt nun das Dilemma? Nun, man kann eigentlich für diese kleinen Reynolds Zahlen keine normalen Profil verwenden. Denn die meisten Profile sind zu dick und haben eine zu hohe Wölbung. Erst seit ca 15 Jahren wurden dünne Profile entwickelt, die im allgemeinen unter 9 % dick sind. Diese erlauben Strömungen für Reynoldszahlen unter 100.000. Die Profile kommen meiner Meinung nach ursprünglich aus dem Modellflug, wobei hier viel Kohlefasern eingesetzt wurden, die extrem dünne Tragflächen erlauben. Und diese Profile unter 9 % dicke mit geringer Wölbung können eben mit Kohlefasern noch ausreichend stabil gebaut werden. Früher war dies nicht möglich.
Aber selbst bei 9 % dicken Profilen muss man aufpassen: nimmt man beispielsweise das Eppler387, das vor 30 Jahren bei Modellflugzeugen bevorzugt eingesetzt war und quasi eine gerade Unterseite hat und das SD 7037, das eine geringere Wölbung hat, also etwas symmetrischer ist und keine gerade Unterseite hat, so versagt das Eppler Profil bei diesen Reynoldszahlen, während das SD 7037 funktioniert.
Letztendlich bedeutet das, dass man bei kleinen Windenergieanlagen zumindest im Außenbereich, wo eine hohe Profilgleitzahl eine Rolle spielt, hochfeste Materialien einsetzen sollte und bei ganz kleinen Windenergieanlagen von etwa 1 m Rohrdurchmesser müsst es eigentlich vermutlich sogar Kohlefasern sein, um die unerwünschten Ablösesummen zu verhindern, da ja hier Reynoldszahlen von unter 40.000 anliegen und die 9% sicher noch zu dick sind. Wie viel Leistung aus den bei Ebay erhältlichen 1m-MAschinen herauskommt möchte ich nicht wissen....
Behelfen kann man sich durch eine künstliche Transition ("Tripping") beispielsweise mit Zackenband oder auch mit Antirutschband, womit dann der laminare-turbulente Umschlag künstlich herbeigeführt werden kann. Dahinter kann der Druckanstieg vonstatten gehen.
Aus Amerika kommt sogar eine Veröffentlichung, in der gefragt wird, ob es Sinn macht, Profile so dünn auszulegen oder ob man die Profile nicht gleich etwas dicker macht und den Turbulator, also das Zackenband etc., von vornherein vorsieht:
JOURNAL OF AIRCRAFT Vol. 40, No. 4, July–August 2003 Design of Low Reynolds Number Airfoils with Trips
Ashok Gopalarathnam North CarolinaState University, Raleigh, North Carolina27695 and Benjamin A. Broughton, † Bryan D. McGranahan, ‡ and Michael S. Selig § University of Illinois at Urbana – Champaign,Urbana, Illinois 61801.
Die Veröffentlichung deutet auf ganz minimaler Vorteile der dünnen Profile, wobei sie die Spezialitäten von Windenergieanlagen nicht berücksichtigt. Beispielsweise findet bei diesen dünnen Profilen der laminare-turbulenter Übergang über eine so genannte laminare Ablöseblase statt. Es ist also tatsächlich so, dass man auf der Oberseite eine laminare Strömung hat, dann eine Blase, in der sogar Rückströmung herrscht, und dann legt sich die Strömung wieder an, wobei sie in diesem Punkt dann turbulent ist und dann turbulent bis zur Hinterkante weiterläuft. Insbesondere im Blattwurzelbereich ist es bei Windenergieanlagen nämlich so, dass die Strömung auf der Saugseite hochgradig dreidimensional ist und somit kann es durch eine solche Ablösung der durchaus passieren, dass hier eine Querströmung erzeugt wird, die zumindest im Blattwurzelbereich den Auftrieb zusammenbrechen lässt. Denn auch an der Blattwurzel ist ein Randwirbel existent; hier gilt der so genannte Kuttasche Wirbelerhaltungssatz, nachdem Zirkulation in einer Strömung nirgendwo verschwinden kann. Würde man Zackenwand montieren, so würde die Blase nicht entstehen und die Gefahr wäre zumindest reduziert.