Rotorblattprofile für Klein-WEA

Das Dilemma mit der Re-Zahl
 
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Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 03.08.2014 - 16:13 Uhr  ·  #1
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.
---
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.
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 03.08.2014 - 19:34 Uhr  ·  #2
Hallo Aminius :D
Das ist ja hoch interessant....!
Was mir dabei einfällt ist eine Frage: Wenn das mit den Turbulenzen und der Ablösung der "Druckblase" ( und erneutes Anlegen ) so entscheidend ist, WARUM haben die Rotorflügel immer eine fast "gerade kante"? Wäre es nicht viel sinnvoller die Flügel zu Biegen ( sichelförmiger zu machen) ?!?
So wie ein Tropfen an einer geraden waagerechten Tropfkante über die gesammte Lämge "abtropft" würde es bei einer schrägen z. B . nur am tiefsten Punkt abtropfen..!
Übertragen auf diie Rotorflügel ( sichelförmig!) würde sich der Ablösepunkt im Idealfall an den äußersten Enden befinden....
Vögelfllügel sind auch nicht "gerade" ....
...und z. B , beim Adler sind die äußeren Schwungfedern aufgefächert wie "Finger" ....

Habe zum Spass mal unter "sichelförmige Rotorflügel" gegoockt! :D

unter Bildern tauchte das Bild von einer " Skystream 3.7" auf... sieht sogar noch gut aus! :-)

.... also so ganz auf Abwegen scheine ich mit meiner ersten Idee nicht zu sein ....

Meine weitere Frage: "Was ist dran an gebogenen Flügeln? ..und warum wird das nicht öfters gemacht....? geht man wieder nur diesen einen "Weg" mit den geraden Kanten ? ...oder ist da objektiv nix dran ...außer der Optik?!?

Gruß Ralf
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 03.08.2014 - 22:09 Uhr  ·  #3
Hinter dem Repeller-Profil der Skystream 3.7 steht in der Tat eine lange Forschung hochrangiger Institute in den USA und eine Menge dafür ausgegegebenes Geld. Ich denke, in der Effizienz hat man dabei durchaus befriedigenden Ergebnisse erzielt. Akustisch ist da aber noch Luft nach oben. Der Abriss, vor allem an den Repellerspitzen, erzeugt ein hörbares Pfeifen, vor allem bei thermischen Luftströmungen. Wobei ich allerdings glaube, dass es ein Hochleistungs-Profil, das allen unterschiedlichen Windbedingungen mit horizontalen oder vertikalen Turbulenzen, mit unterschiedlicher Luftdichte, an jedem beliebigen Standort... gerecht wird, niemals geben kann.

Dieter
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 04.08.2014 - 00:11 Uhr  ·  #4
Ich bin nicht so der Profilforscher aber ich denke in anlehnung an Dieters Beitrag das der Repeller zum Aufstellungsort (Windverhältnisse) und dem Generator passen muss sonst ist er nicht das optimale.
Was für den einen nachteilig ist ist für einen anderen in anderer Lage eher ein Vorteil.
Würd ich an einer sehr windigen Ecke wohnen würd ich den nehmen der perfekte Laufeigenschaften bei starken Wind hat aber natürlich auch einen dementsprechenden Preis. Da dies aber in hügeligen Binnland nicht so ist hab ich mehr davon mit einfacherer Profilform und davon mehr Fläche.
Auch das Zusammenspiel mit den Generatoreigenheiten muss gegeben.
Bilanz: Denke das Optimum ist eine subjektive Sache für den einzelnen und ein goldenes Ei für alle zu suchen Sinnlos.
Auch ist das Budget in Verhältniss zum Ertrag ein wichtiger Punkt.
Das sind meine Gedankengänge.
Gruß Hans
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 04.08.2014 - 00:52 Uhr  ·  #5
:-)
Ok- sieht man sich einen Kampfjet an, so hat der gepfeilte Tragflächen. Der Tornado beispielsweise pfeilt sie nicht nur im Überschallflug, sondern auch im Konturflug- also wenn er im Kriegsfall ganz niedrig über den Boden fliegt. Das Stichwort heisst hier "Flughärte"- die Boen werden gemindert, Belastung auf Mensch und Maschine verringert.
Verkehrsflugzeuge haben gepfeilte Tragflächen, da sie wegen ihrer hohen Geschwindigkeit sowieso nie laminare Strömung hinbekommen (ist so- könnt' ich erklären) und gleichzeitig die Triebwerke bei möglichst hohen Geschwindigkeiten ein Verbrauchsminimum haben. Mit gepfeilten Flächen treten Macheffekte (Die Machzahl ist eine andere Ähnlichkennzahl) erst bei höheren Geschwindigkeiten auf.
Segelflugzeuge haben immer absolut oder fast absolut gerade Tragflächen. Sie fliegen in einem Geschwindigkeitsbereich, in dem die Profile so designt sind, dass sie laminare Umströmung haben und dann gezielt an bestimmten Stellen dann in turbulente Strömung umschlagen.
Nun hat hat man das Problem, dass bei einer Pfeilung man sich "Querdruckgradienten" einfängt. Das heisst, dass durch die Pfeilung die Strömung nicht mehr gerade über das Profil läuft, sondern seitlich abwandert (und vermutlich die Grenschicht auch noch zu rotieren anfängt wenn ich darüber nachdenke). Die Strömung läuft dann so in einer Schlangenlinie nach aussen.
Damit ist aber die laminare Ümströmung auf der Profiloberseite bis zum dicksten Punkt und auf der Unterseite weg, da dies den laminar-turbulenten Umschlag bereits auf der Profilnase verursacht. DAs ist dann grob geschätzt etwa der doppelte Widerstand. Deshalb sind Tragflächen von Segelflugzeugen immer gerade. Die neuen haben maximal ein ganz klein bisschen Pfeilung.
In der Grosswindkraft gibt es eine Firma (Siemens), die an den Blattspitzen auch ein bisschen pfeilen. Damit macht man die Laminarität nicht kaputt (mit ein bisschen) und bei einer Boe tordiert das Blatt ein bisschen aus dem Wind, weil der Anstellwinkel reduziert wird. Auch hier werden Lasten reduziert. Es ist faktisch ein passives Lastminderungssystem.
Die neueren ganz leicht gepfeilten Segelflugzeuge (habe ich vorher nie darüber nachgedacht) könnte den gleichen Grund haben: die Gurte sind nämlich aus Kohlefasern und in den Dingern bekommt man bei Böigem Wetter sicher auch einen Schüttelfrost- Im Gegensatz zu den alten Glasfasergurten sind diese Segelflugzeuge nämlich bretthart.
Skywind - ganz ehrlich- weiss ich nicht. Ich persönlich gehe davon aus, dass das einfach ein Marketinggag ist, wenn ich mir diese elegant geschwungenen Rotorblätter so anschaue. Der Rotor der soweit ich weiss mittlerweile insolventen Firma des "Windwandlers" sah ja auch ganz toll aus, aber Leistung war keine da- woher auch?
Meines Erachtens hat das Blatt einer so hingezeichnet, weil es ihn so gefiel, dann wurde es tatsächlich bei einer Institution vermessen und dann wird draufgeschrieben, dass das ein Produkt eines hochrangigen Instituts sei. Wenn es eine echte Entwicklung wäre, würde nämlich draufstehen, welches Institut das gewesen ist.
Ich hab' das ja auch durch: Bei irgend etwas stand drauf, dass das an meiner ehemaligen Uni vermessen ("entwickelt" stand sogar glaube ich drauf) worden wäre - war auch hochtrabend formuliert. ich weiss nur nicht mehr, was es war. jedenfalls war das meines Erachtens Unsinn. Habe ich eben das Telefon geschnappt und habe meine ehemaligen Kollegen angerufen.
"Die kamen mit dem Ding, haben es vermessen und sind dann wieder abgefahren" war die Antwort.

Nachdenken. Also: Aussen will man Profile mit einem hohen Auftriebsanstieg, innen mit geringem.
Pfeilung verringert den Auftriebsanstieg. Von daher macht das aussen stark gepfeilte Blatt keinen Sinn.
Ausserdem will man aussen auch eine besonders gute Gleitzahl, während innen ein hohes CA.
Aber durch die starke Pfeilung macht man aussen die komplette Laminarität kaputt.
All das ist kontraproduktiv. ich finde leider nichts, was für diese Rotorblattform spricht.
Vielleicht ist es ein Stallblatt und man versucht, aussen damit Lasten zu reduzieren? Ich habe keine Idee, wo der Vorteil liegen sollte.


In diesem Sinne
Der Arminius

Selbstverständlich muss der Rotor zum Rest des Systems passen. Das war hier aber nicht das Thema.
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 04.08.2014 - 08:01 Uhr  ·  #6
Zitat Arminius: "dass das ein Produkt eines hochrangigen Instituts sei. Wenn es eine echte Entwicklung wäre, würde nämlich draufstehen, welches Institut das gewesen ist."

Woher weißt Du, dass es nicht "draufsteht"? Das Profil wurde in Zusammenarbeit mit dem staatlichen National Renewable Energy Laboratory (USA) entwickelt (http://www.battelle.org/our-work/laboratory-management/national-renewable-energy-laboratory). Die mögen ja möglicherwise nicht über eine derartige Kompetenz verfügen, wie Du, aber angesichts der Erträge, die ich und andere mit der Skystream 3.7 haben, dürften sie dort auch nicht komplett falsch gerechnet haben...

Dieter
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NREL

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Gepostet: 04.08.2014 - 12:43 Uhr  ·  #7
Hallo!
Zitat geschrieben von dig-it

Woher weißt Du, dass es nicht "draufsteht"? Das Profil wurde in Zusammenarbeit mit dem staatlichen National Renewable Energy Laboratory (USA) entwickelt (http://www.battelle.org/our-work/laboratory-management/national-renewable-energy-laboratory). Die mögen ja möglicherwise nicht über eine derartige Kompetenz verfügen, wie Du, aber angesichts der Erträge, die ich und andere mit der Skystream 3.7 haben, dürften sie dort auch nicht komplett falsch gerechnet haben...


"Produkt" oder "Profil"?
"Weisst"- habe ich nicht geschrieben. Da steht "meines Erachtens". Meine Meinung, dass jemand die Rotorblattform (nicht das Profil) aus der hohlen Hand gezeichnet hat, ändere ich trotz dieser Info nicht .
Wer das Profil designt hat steht auf einem ganz anderen Blatt, ist aber hier ziemlich egal: denn an der Blattspitze -wo es am wichtigsten ist- ist das Profil bei dieser Pfeilung völlig egal, da die Umströmung höchstgradig dreidimensional ist, zudem noch Kreiselkräfte hinzukommen. Ich wiederhole mich aber.

Das NREL ist gut- hier kommen viele Codes wie WT_Perf her.
Professor Selig, von dem das SD7037-Profil ist, ist da glaube ich mit involviert.

Da kannst Du mir ganz sicher auch einen Link zu einer offiziell vermessenen Leistungskurve mit Turbulenzgrad geben- wenn sie denn so gut ist. Ich finde nur eine dicke grüne Linie, die ein Künstler gezeichnet hat.
Aus dieser Kurve sieht man-besser geht es nicht- dass sie bei 9m/s 1600W erzeugt - das wäre ein cp von exakt 0.33.
So etwas: http://www.tozzinord.com/source/GLGH_TN535_powercurve.pdf

Interessant finde ich es übrigens, dass die eine Skystream 3,7 die nett geschwungenen Blätter hat.
Die Blätter der doppelt so grossen 442SR sind konventionell gerade.

Viele Grüße
Der Arminius
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 04.08.2014 - 14:55 Uhr  ·  #8
Hier die gewünschten Informationen nach Tests des unabhängigen französischen Testfeldes SEPEN (auf französisch). https://www.google.fr/?gws_rd=…n&safe=off
Angaben zur Leistungskurve finden sich ab S. 18 des PDF. Dabei weicht die erstellte Kurve nur leicht von den Herstellerangaben ab (nach oben und nach untern). Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die starken Turbulenzen, die typischerweise auf dem Testfeld im südfranzösischen Narbonne herrschen (Thermik), besonders Turbinen, mit eletronischer Abbremsung (wie die Skystream) benachteiligt (Wartezeit nach Abbremsung). Ermittelt wurde ein CP von 27,5 bei 7 m/s.

Ich stehe gerne zur Verfügung, wenn jemand Einzelheiten übersetzt haben möchte.

Dieter
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 04.08.2014 - 21:24 Uhr  ·  #9
Hallo!

Im Zertifizierungsbericht hat das Windbin bei 9m/s knapp über 1200 kW.
Auf die Zahlen verzichtet der Bericht bei der Leistung (nicht beim Lärm) ,
aber es gibt auf S. 22 das Luftdichte-korrigierte Cp in diskreten Punkten übersichtlich.
Leider fehlt der Turbulenzgrad der Messung in den Windbins.
Warum macht man den nicht mit wenn man schon misst?
Interessant; schaue ich da:
http://www.xzeres.com/wind-tur…d-turbine/
hat die Maschine bei 9m/s 1600 kW. Ist ja nur 30% mehr als im Zertifizierungsbericht.
Sozusagen vernachlässigbar.

Zitat geschrieben von dig-it

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die starken Turbulenzen, die typischerweise auf dem Testfeld im südfranzösischen Narbonne herrschen (Thermik), besonders Turbinen, mit eletronischer Abbremsung (wie die Skystream) benachteiligt (Wartezeit nach Abbremsung).

Warum vermisst man denn dann genau diesen Standort?

Hatte ich ja gesagt: Mit dieser Blattform muss eine schlechte Leistungskurve herauskommen.
Was mit diesem Bericht bewiesen wäre. Danke für die Daten.

Der Arminius
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 04.08.2014 - 22:14 Uhr  ·  #10
Wenn ich hier den im Forum schon mehrfach erwähnten "Zeeland Test" zugrunde lege, dann sieht das Leistungsvermögen der Skystream 3.7 so aus (siehe Anhang). Messen scheint nicht gleich messen zu sein...
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 04.08.2014 - 22:40 Uhr  ·  #11
Da wäre ich platt - das wäre gut. Das sind ja 0.37- für eine Anlage dieser Größe wäre das fantastisch.

Was mir eben fehlt ist der Turbulenzgrad- nichtsdestotrotz - die Messung ist so gut- das kann an der Turbulenz alleine nicht liegen. Im allergünstigste Falle wird's mit Turbulenz 5% besser. Schätze ich aus dem Bauch.

Danke
Der Arminius
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 07.08.2014 - 10:17 Uhr  ·  #12
Hier nun einige Ansichten der Repeller der Skystream 3.7. Vielleicht können die Fachleute unter Euch außer der Sichelform noch andere Besonderheiten entdecken. Leider ist das Ganze fotografisch nicht so einfach darstellbar. So wird beispielsweise nicht ganz deutlich, dass die Repeller gegenüber der Drehachse umd va.12 Grad positiv gepfeilt sind.

Was mich besonders interessieren würde, wären die aerodynamischen Phänomene, die an den nach hinten weggebogenen Flügelenden entstehen.
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Zertifizierungsbericht Skystream 3.7

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Gepostet: 07.08.2014 - 10:52 Uhr  ·  #13
Hier der Zertifizierungsbericht für die Skystream 3.7 in den USA. Darin wird ein Cp von 0.29 bei rund 7 m/s genannt. Das Zertifikat scheint noch aktuell zu sein, da schon der neue Besitzer der ehemaligen SouthwestWindpower, Xzeres, genannt wird, der den Betrieb im Jahr 2012 übernommen hat. Die Messungen selbst stammen aus den Jahren 2007/2008.

Also bestätigt sich die Annahme von Arminius, dass hier keine wesentlichen Vorteile durch die Bauweise der Repeller erzielt wurden.

http://www.smallwindcertificat…Xzeres.pdf

Dieter
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 08.08.2014 - 14:13 Uhr  ·  #14
HAllo!

Anbei eine Skizze zur "Grenzschichtabwanderung"- die Druckverteilung ist etwas vereinfacht, da sie i.A an der Nase am stärksten variiert- abhängig von Nasenradius.

Die "Grenzschicht" ist definiert als Bereich, wo die Luftteilchen am Körper haften bis zu der Stelle, wo reibungsfreie (auch als potentialtheoretisch bezeichnete) Umströmung herrscht.

Da die Luftteilchen an der Oberfläche haften (Sonst gäbe es keine Grenzschicht),
fängt die Strömung in der Grenzschicht an, zu rotieren, wenn sie seitlich abwandert. Und das „quittiert“ die laminare Strömung mit sofortigem laminar-turbulentem Umschlag.
Ich bin kein Turbulenzprofi, anders kann es aber nicht sein.
Deshalb „verträgt“ sich laminare Strömung nicht mit Pfeilung. Das habe ich im Studium gelernt, das Fach hiess "Konfigurationaerodynamik". Dort ist auch die Zeichnung her.

Der Arminius

Und bitte nicht missverstehen- Als jemand, der viel mit Aerodynamik zu tun hat, sieht man:
Laminarprofile + Pfeilung -> "beisst sich".
Ich wollte nichts schlecht reden.
Weiterhin meine ich entdeckt zu haben (ganz vorsichtig ausgedrückt), dass dieser Fehler nicht nur auf KleinWEA beschränkt ist.
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Cp Windspot 3,5

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Gepostet: 08.08.2014 - 15:29 Uhr  ·  #15
Danke Arminius, sogar ich habe das einigermaßen verstanden. Offensichtlich führen Pfeilung und Propellerprofil meiner Skystream 3.7 nicht zu überdurchschnittlichen Ergebnissen. Allerdings liegt der gemessene Cp von 0.29 nun auch nicht so weit hinter dem der Windspot 3.5 mit Cp 0.32 bei rund 7 m/s Wind http://www.intertek.com/upload…-11-13.pdf.

Und dort wird sogar ein recht aufwändiges Pitch-System verwendet. Mich würden jetzt die Cp-Werte anderer Anlagen in der Klasse bis 5 kW interessieren. Korrekt ermittelte natürlich...

Dieter
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 09.08.2014 - 16:51 Uhr  ·  #16
Hallo!

Darüber habe ich auch noch nie nachgedacht- Pitch bei KleinWEA - ja oder Nein.
Pitchsteuerung hat den Vorteil, dass die Lasten auf eine Anlage exakter zu bestimmen sind.
Das bedeutet, dass der Maschinenbau untendarunter mit viel weniger Oversizing ausgelegt werden kann. Die Maschine dreht bei exakt XXkW die Blätter weg und dann sind die Lasten quasi weg. In wie weit aber Pitch Sinn macht, wenn man sowieso auf alles den Faktor 2 draufschlägt, ist für mich fraglich.
Aerodynamisch ist ganz klar Pitch die saubere Lösung, da ein aerodynamischer "Stall" nie so richtig definiert ist. Wie es geht, dass da irgendwelche Leistungskurven geplottet sind, wenn die Blätter nicht verstellbar sind- kann ich nicht nachvollziehen.
-----------
Das aerodynamisch optimale cp ist i.A. bei ein er Leistung weit unter Nennleistung.
Daher ist es für das optimale cp egal, ob das jetzt eine Pitch- oder Stallanlage ist.
-------------
Warum eine Anlage nun besser bzw schlechter läuft kann man so von der Ferne nicht beurteilen. Es kann alles perfekt sein, aber man macht einen "Kapitalfehler"- und der macht die Leistung kaputt.
Die Rotorblätter der Intertek sehen vernünftig aus, die Rotorblattform erscheint
mir an der Spitze etwas zu breit im Verhältnis zu Blattwurzel, aber welche Profile und welche Verwindung verwendet wird weiss man nicht. Ich habe nichts gefunden.
--------
Ich persönlich gehe davon aus, dass man das cp selbst von der Skystream um ein klein bisschen anheben kann- Diese Abwanderung der Grenzschicht lässt sich ein blockieren - beispielsweise durch "Grenzschichtzäune" (wovon ich nicht der Fan bin) oder durch kleine Wirbelgeneratoren.
Allerdings wäre es von Nutzen, vorher zu wissen, welche Profile verwendet werden.

Der Arminius
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 17.08.2014 - 20:10 Uhr  ·  #17
Hallo Arminius

Ich bin ziemlich neu hier und heisse Aloysius :-)
Seit meiner Kindheit beschäftige ich mit Tragflächen und deren Profilen.
Du scheinst das aber studiert zu haben wie es in den Zeilen oben steht.
Ehrlich gesagt habe ich mir unter dem Tittel " Rotorbrattprofile " mehr erhofft, und auch genaueres über Straks und Verwindung.
So etwas scheines bei kleinen Anlagen kaum zu geben.

Ich dachte mehr an Aussenprofil 6 % Dicke mit 5 % Anstellwinkel.
Mittleres Profil mit 12 % Dicke und 10 % Anstellwinkel,
dann weiter zur Achse hin bis zu 20 % Dicke und auch mal 30 % Steigung.
So würde ich das machen.

Wenn ich denke das die Repeller 10 fach Windgeschwindigkeit aussen haben, ist das bei 10 m/sek schon 100 m/sek am Umpfang und das sind 360 Kmh !
Ich bin der Meinung das fast alle preiswerten Anlagen dem nicht gerecht werden, und eher sich selber bremsen.
Da wäre mein Ansatz um Leistung aus Wind zu gewinnen.
Mit einem an die Strömungsgeschwindigkeit angepassem Profil in Form und Dicke, ausserdem mal die Schränkung mit eingebaut ist da mehr als ein paar Prozent zu holen.
Ausserdem sollten Geräusche fast der Vergangenheit angehören.
Mit Laminarprofilen kann ich mich dagegen nicht anfreunden, denn die Turbulenz der anströmenden Luftschicht wird da grössere Probleme machen.
Über so etwas würde ich gerne weiter diskutieren.

Gruß Aloys.
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Gepostet: 22.08.2014 - 19:38 Uhr  ·  #18
HAllo Aloys!
(Du bist der, weswegen die Bayrische Staatsregierung noch immer auf die göttliche Eingebung wartet?).
Ich denke, das würde in diesem Thread zu weit führen, über Verwindung zu reden.
Und Anstellwinkel, da diese beiden gekoppelt sind.
Allerdings Anstellwinkel:
Die Definition ist ein bisschen frei. Und zwar ist dies der Winkel zwischen der Anströmung und der sogenannten "Profilsehne". Letztere ist nicht 100%ig eindeutig, aber zu 99,9% ist dies die Linie zwischen vorderstem Punkt an der Nase und Mittelpunkt der Hinterkante.
Es ist so, dass symmetrische Profile (die man tunlichst nicht bei einer Horizontalachsturbine verwendet) bei 0° Profilanstellung keinen Auftrieb erzeugen. Anders ist das bei asymmetrischen, gewölbten Profilen, die schon bei 0° Anstellwinkel der Profilsehne Auftrieb liefern. Sie liefern bei niedrigen negativen Anstellwinkeln, die je nach Wölbung des Profils variieren, keinen Auftrieb. Dieser Winkel wird "Nullauftriebswinkel" genannt.
Da dieser Winkel aber von Profil zu Profil variiert kann man nicht sagen, dass der Torsionswinkel am Blatt bspw. "aussen 5° sein muss"
Aber- danke für den Hinweis- aussen sollte man Profile mit sehr guter Gleitzahl
(Also Verhältnis Auftrieb zu Widerstand) einsetzen, während im Bereich der Wurzel dickere Profile zum EInsatz kommen können, die evtl eine stumpfe Hinterkante haben, da hier immer mehr der Auftrieb über einen grossen Bereich eine Rolle spielt und der Widerstand in den Hintergrund rückt.
Wie bei Klein-WEA die Generatoren den Rotor abbremsen weiss ich leider nicht- da müsste mir jemand helfen.
Und zum Thema "Turbulenz" verweise ich auf meinen anderen Artikel unter "Grundlagen":
Turbulenz ist immer mir dem Turbulenzmaßstab verknüpft, was man aber schlampigerweise vergisst, was zu Fehlinterpretationen führen muss.

Der Arminius
Che
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 27.08.2014 - 21:05 Uhr  ·  #19
Windfried lässt ausrichten:

Hallo Aloys,

Zitat
Ehrlich gesagt habe ich mir unter dem Tittel " Rotorbrattprofile " mehr erhofft, und auch genaueres über Straks und Verwindung.
So etwas scheines bei kleinen Anlagen kaum zu geben.


Yes we have, nur an anderer Stelle: http://www.kleinwindanlagen.de/Forum/cf3/topic.php?t=4387 Bitte nach Schmitz auslgen! Betz ist historisch überholt.

Aus meiner Sicht geht für geringe Re-Zahlen neben der alten Göttinger Profilreihe für Propeller sowohl Clark-Y als auch NACA 4411.

Anstellwinkel an der Blattspitze bis herunter auf 0°, für Repeller und Propeller gleichermaßen. Nennt man "Rausdrehen"
Hat mit dem Anstreben möglichst elliptischer bzw. halbelliptischer Auftriebsverteilungen zu tun und wirkt sich positiv auf die Geräuschentwicklung aus.

Anstellwinkel für beste Gleitzahlen bei Simalation für Flügel-Streckung Unendlich eigentlich auch noch zu hoch. Für reale Streckungen (z.B. ca. 5 für TSR 5) wandert dieser in Richtung 0°.
Blätter werden dann breiter. Damit erhöhter Aufwand, aber bezüglich höchstem Wirkungsgrad durchaus sinnvoll. Außerdem: Möglichkeit, Generatoren mit relativ hohem Rastmoment einen erklecklichen Anlauf zu ermöglichen.

Grüße, W.
*!*!*!*!*
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Re: Rotorblattprofile für Klein-WEA

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Gepostet: 28.08.2014 - 16:09 Uhr  ·  #20
Hallo zusammen
und Danke für die weiteren Hinweise.

Was ich nun eigendlich ergründen möchte ist, den Fehler, der offensichtlich in der Berechnung steckt zu finden.
Das geht aber nicht, wenn ich genau so rechne wie alle anderen, und, oder den vorgegebenen Rechenweg nehme.

Also grundsätzlich ANDERS.

Ich denke der Fehler ist, von der Rotorkleisfläche zu rechnen, von der ich denke, das diese die Fläche ist, wenn der Rotor flach auf liegt.
Ich nehme also eine andere Fläche, und zwar die Spiralfläche die der Rotor bei einer Schnelllaufzahl von 10 mit Nullauftriebswerten bestreicht.
Sie ist wie eine Wendeltreppe zu sehen, und sehr stark verwunden.
Bei SLZ von 10 sind das aussen 5,7 Grad, und bei 50 % Radius schon 11,4 Grad.
Mit diesem Winkel schraubt sich also der Repeller in die anströmende Luft.
Dabei gibt es kaum Auftrieb und auch kaum Druck auf den Mast.
Im Gegensatz zu Propeller-berechnungen, die von der Rotorkreisfläche ausgehen und bei dieser den Nullauftriebswinkel haben.
Wir sehen also, Propeller ist nicht gleich Repeller.

Für einen Propeller rechne ich für die gewünschte Steigung dann denn Steigungswinkel aus, pluß einen Winkel für den erwarteten Schlupf den er dann hat.
Dieser kommt noch dazu.

Geht man einmal von einem Wirkungsgrad von 60 % aus, und teilt die verlorene Leistung zu gleichen Teilen auf Widerstand und Schlupf auf, bleiben nur 20 % für den Schlupf.
Soll das Modell zb 10 m/sek fliegen, muß die Steigung für 12 m/sek sein.

Beim Repeller ist das sicher ähnlich zu rechnen, nur mit dem Unterschied das der Nullauftriebswinkel an jedem Radius anders ist, und nur der ist relewant !

Soll der Repeller nun unter Last noch die Schnelllaufzahl von 10 haben, und sagen wir mal 20 % Schlupf, werden von den 5,7 ° 20 % abgerechnet und wir benötigen nur noch ~ 4,5 ° Anstellwinkel.
Dieser aber sich in die anströmende Luft schraubent.

Riskiert man es, das der Rotor bei Lastabfall ungebremst hochdreht, erreicht er grade mal die 12.
Selbst bei nur noch dem halbem Winkel, wäre sie 20 .
Also relatief ungefährlich.

Da das ganze System nur mit Weg mal Kraft eine Leistung generiert, ist so vom Anlauf ab schon ein großes Drehmoment verfügbar.
Warum die Winkel für den ultimatiefen maximalen Auftrieb gerechnet werden, bei dem mit Schnellaufzahlen von über 80 gespielt wird, kann ich absolut nicht nachvollziehen.
Das ist kein Weg um zu Drehmoment zu bekommen.
Wenn zb die SLZ teoretisch 80 ist und der Rotor nur mit 10 läuft, ist das mit 87,5 % Verlust für den Weg zu rechnen.
Das Drehmomet wirt zwar steigen aber nicht auf den 8 fachen Wert.

Bei Prozentrechnungen muß man auch erst wissen was nun die 100 % sind.

Bei Propellern ist also die flache Propellerebene die Nullauftriebsebene,
und bei Repellern ist das die Spieralfläche der Wendeltreppe.

Bei Propellern rechnet man zum Zielwinkel für den Schlußf noch 20 % dazu und beim Repeller rechnet man vom Nullauftriebswinkel 20% , (na gut bis 50 %) ab, aber niemals auf null runter.
Ich denke das ist der Fehler den wir eigentlich suchen. (Ich habe da auch lange gegrübelt).

Ich hoffe das es so verstäntlich ausgedrückt ist.

Gruß Aloys.
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