Hallo liebe Windfreunde,

jetzt möchte ich endlich mal die ersten Prototypen meiner CNC-gefrästen Holzrepeller vorstellen -
hat sehr viel Arbeit, aber auch Spass gemacht und ist mittlerweile ein richtiges Projekt geworden, das mich nicht mehr loslässt.



Mein Ziel ist, eine Art Brücke zu bauen zwischen teuren High-Tech-Anlagen auf der einen, und laienhafter Improvisations-Technik auf der anderen Seite. Mit einer ökologischen Kleinwindanlage aus Holz, die mit möglichst wenig komplizierten Spezialteilen auskommt und daher günstiger bzw. teilweise selbst gebaut werden kann, ohne aber Abstriche beim komplexen Zusammenspiel von Aerodynamik und Elektronik zu machen. Dazu kommt die schöne Optik und ökologische Bauweise





Nach einigen Abwandlungen und zerborstenen Prototypen (ungebremst im Sturm) , hab ich den Rotor mittlerweile soweit verstärkt, dass er jedem Sturm standhalten sollte (auch ungebremst), wobei ein richtiger Härte-Test noch aussteht.

Ungebremst läuft er schon bei leisem Lüftchen an (geradezu ein Windindikator) und kommt gewaltig auf Touren wenn's auffrischt. Ansonsten läuft er auch ziemlich ruhig nach meiner Einschätzung und fängt erst bei hohen Drehzahlen an zu zischen. Dann ist es aber sowieso so laut, dass das nicht weiter auffällt. Richtig beurteilen kann ich das aber erst mit Generator.



Berechnet wurde das ganze nach den gängigen Formeln nach Schmitz mit allem Pi Pa Po (besten Dank nochmal an Windfried mit seiner professionellen Unterstützung ) mit einem selbstprogrammierten CAD/CAM-System, das aus der Flügel-Geometrie ein Fräsprogramm im G-Code-Format generiert. wobei folgende technische Daten rauskamen:


Rotordurchmesser: 1,11 m
Anzahl Rotorblätter: 3
Schnelllaufzahl: 5,7
theoretischer Wirkungsgrad: 42%
Gewicht: ca. 900g
theoretisches Anlaufmoment bei 3 m/s: 0,03 Nm
Tragflächenprofil: NACA 4412
Holzart : Fichte
Oberflächenbehandlung: Lasur + 3 Schichten Bootslack




Da meine kleine Fräsmaschine leider nur sehr kurze Verfahrwege hat (160x160x60mm) wurde immer abschnittsweise gefräst (4mal Oberseite und 4mal Unterseite), was ein wenig unschön und natürlich keine Ideallösung ist und vielleicht mal mit neuer Maschine (mit C-Achse) in einem Stück bearbeitet werden soll.




Der Rohling wird anschließend mit Schwingschleifer und von Hand glatt geschliffen, wobei es noch optische Probleme mit unsauber gefrästen Bereichen gibt, wo einzelne Holzfasern nicht vollständig abgetrennt werden, wenn der Radienfräser waagrecht auf die Oberfläche trifft. Mit einer C-Achse könnte dieses Problem wahrscheinlich leicht behoben werden.

Als Nabe wurde ein Standard-Rundholz (80mm) verwendet und entsprechende Aussparungen im 120° Winkel Abstand eingefräst. In diese werden die Flügel eingesteckt und am besten auch verklebt. Zwischen zwei Multiplexplatten mit jeweils zwei Schrauben pro Flügel wird alles zusätzlich verspannt und gesichert.






Als Wetterschutz dient eine Grundierung mit UV-fester Lasur und 3 Schichten hochglänzenden Bootslack. Dieser speziell für den Außenbereich entwickelte Lack, bleibt vergleichsweise elastisch und reißt bei geringfügigem Verzug nicht gleich ein. Ich denke eine durchaus haltbare Lösung.



Mit dem Rotor und dem Grundaufbau ist schonmal der Anfang gemacht. Jetzt geht es vor allem erstmal darum einen passenden Generator zu finden bzw. selber zu bauen und Lösungen für Stromabnahme über Schleifringe, Schallentkopplungen für Dachmontage usw. zu finden. Alles soll möglichst einfach gebaut werden können. Auch Fragen der Geräuschentwicklung sind noch offen - Stichwort Zackenband/Oberflächenrauheit und Rundungen an den Flügelenden..

Ich hoffe dem ein oder anderen gefällt mein alternativ/idealistisches Projekt und werde über weitere Fortschritte berichten!
Gute Tips und konstruktive Kritik sind natürlich immer willkommen !

Gruß
Daniel

Sieht sehr hübsch aus.

Glückwunsch! Mir als "Holzwurm" sagt eine solche Konstruktion sehr zu. Ich würde mich persönlich aber nicht auf eine Dachmontage fixieren. Selbst wenn Du die akustischen Probleme in den Griff bekommen solltest - was längst nicht sicher ist - bleiben immer noch die ungünstigen aerodynamischen Bedingungen auf einem Dach. Darüber wurde hier schon etliches geschrieben. Und die sind leider wohl kaum in den Griff zu bekommen...

Auf jeden Fall freue ich mich schon auf weitere Kapitel Deiner Konstruktions-Reportage!

Dieter

Sehr schöne Arbeit!

Allerdings funktioniert es leider nicht (sorry),
mit der kleinen Fläche der Muttern Holz quer zur Faserrichtung zu schrauben.
Das löst sich. Bei Kunststoff geht das auch nicht; Holz ist ja quasi ein faserverstärkter Kunststoff.
Große U-Scheiben müssen da darunter- ich persönlich würde noch Tellerfedern darunter packen

Akustische Probleme bei der abgeschnittenen Blattspitze; Die sollte man am Ende auf ein symmetrisches
Profil auslaufen lassen und scharfe Kanten gehören da auch nicht hin.
Das kann man so machen, indem man die Hinterkante etwas wegschleift und dann von der Profilunterseite Hinterkante anschleift.
Damit dreht man das Profil in den Wind und der Tipwirbel wird entzerrt.
Diese Betzsche Optimalform des Rotorblattes entspricht beim Flugzeug einem Rechteckflügel
(Konstante Zirkulation Gamma). Das baut auch keiner.

Der Arminius

Vielen Dank für eure Antworten

Also das mit der Dachmontage ist nur so eine Zusatzoption die ich mir schön vorstellen könnte und ein riesiges Potential hätte. Aufgrund der kleinen Baugröße sind die Kräfte noch halbwegs überschaubar und damit auch die Befestigungsmöglichkeiten sind einfacher und es können leichter höhere Masthöhen realisiert werden wegen der Strömungsproblematik. Diesbezüglich sehe ich das nicht so schwarz/weiß, weil es ja fast nirgends optimal ist - überall gibt es Abstriche. Was genau meinst du, bekommt man nicht in den Griff?
Bezüglich der Schallentkopplung schwebt mir eine Mehrstufige Entkopplung vor, wo bereits die Kugellager mit Gummi überzogen werden (Fahrradschlauch) und dann ein zwei Verbindungsstellen am Mast. Evtl. noch magnetische Lagerung des Mastfußes, so dass dieser gar keinen Kontakt zum Boden hat usw.

Die Sache mit der Verschraubung ist natürlich noch nicht ganz ideal. Scheiben und Tellerfedern wären auf jedenfall gut und wird nachgeholt. Aber mir ist klar, dass irgendwo kleine Abstriche gemacht werden müssen. Wenn man einfach baut ist eben der einzige Preis den man zahlen muß, ein größerer Aufwand an Wartung - ab und zu Lack und Schrauben kontrollieren, vielleicht mal ein Lager oder sonst eine Komponente tauschen und das wars. Das gehört sozusagen zum Konzept.



Ok - also ich hab Anfangs mit NACA 64-2-415 gearbeitet, das könnte ich relativ leicht auf die letzten 14 cm zur Blattspitze hin einbauen (übergangslos morphen von NACA 4412 auf NACA 64-2-415 bzw. besser NACA 64-2-412). Und die Kanten noch leicht abrunden. Allerdings Frage ich mich, ob das bei dieser Größe alles so entscheidend ist? Gibt's da Erfahrungen?



Kannst du das nochmal genauer erklären?

Also optisch auf alle Fälle mal ein Hingucker, Daumen hoch, tolle Arbeit.
Wo da allerdings der Generator untergebracht werden soll?

Nochmal: Eine sehr schöne Arbeit. Ich möchte nur eben Frustrationen von vorneherein vemeiden.

1) Die Kanten en der Blattspitze würde ich auf jeden Fall runden. Scharfe Kanten ergeben nämlich hohe lokale Luftgeschwindigkeiten und
Geräuscherzeugung nimmt eben mit der dritten bis zur fünften Potenz (Je nach Geräuschquelle) von eben dieser Geschwindigkeit ab.
Gibt's irgendwo von der NASA eine Veröffentlichung, die das alles sorgfältig vermessen haben.
In wie weit das Rolle spielt bei diesen Profilen kann ich Dir ehrlich gesagt nicht sagen. Andererseits- wenn man es von vorneherein berücksichtigt
weiss man, dass kein Problem vorhanden ist.
Wie erwähnt: Ich würde von hinten die Hinterkante etwas Anschleifen. Dann hast Du eine dicke Hinterkante. Und dann schleifst Du sie von unten bei.
DAs entspricht dann einer Herausdrehung der Blattspitze.
Was da ganz aussen auf den äußeren 4 cm dann genau für ein Profil ist, ist nicht soo wichtig. Da trägt es eh nicht.

2) Oh- jetzt geht es ans Eingemachte: Betz hat in seinem Originalbuch eine Form für seine Rotorblätter hergeleitet,
die im Aussenbereich ~1/r ist und innen aber limitiert ist. So machen das fast alle.
Selbst Großwindanlagenhersteller, weil das ja "aerodynamisch optimal" ist- was auch richtig ist.
Und das entspricht einer rechteckigen Tragfläche bei translatorischer Bewegung. Gerade diese hat aber starke Randwirbel. An der Blattspitze wird der induzierte Widerstand
sofern mein Gedächtnis korrekt ist theoretisch unendlich.
In der normalen translatorischen Aerodynamik bevorzugt man eine "elliptische Auftriebsverteilung", bei der bei gleichen Profilen die Tragfläche auch eine elliptische Form hat.
Bei Windenergieanlagen ist das nicht ganz das Selbe (Hier variiert die optimale Rotorblattform mit der Schnellaufzahl), aber ähnlich.
Und gerade bei niedriger Schnelllaufzahl ist der induzierte Widerstand hoch.
Weiterhin: Macht man die Mitte des Rotorblattes sagen wir 5% breiter, wirft man vielleicht 1/2 Prozent Leistung weg, aber das Blatt wird ~10% steifer.

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Optimiert man NUR in eine Richtung, hat die anderen Richtung immer Defizite. Irgendwo ist das klar.
Deswegen meine Empfehlung: immer das Gesamtsystem optimieren und "Sensitivitätsbetrachtungen" machen- also nach dem Motto:
"Wie schlimm ist es, wenn ich hier nicht das Optimum nehme, sondern ein paar Prozent weggehe?"
Meist macht es ganz wenig aus (angenehm),
es sind jedoch schon ganze Forschungsprojekte daran gescheitert, da das System so sensibel auf Änderung der
Eingangsparameter reagierte, dass es nicht regelbar war.

Der Arminius.

Danke

Der Generator soll dahinkommen, wo bei dem Testmodell das helle Stück Holz ist. Es fragt sich nur welcher???
Irgendwie kann ich nichtmal annähernd einen finden, der passend wäre. Die meistenWindgeneratoren sind zu groß und unglaublich teuer, Fahrraddynamos zu wenig Volt und zu wenig Wirkungsgrad, e-bike-Motoren zu groß und auch teuer,, Schrittmotoren haben Rastmoment und Servomotoren einen schlechten Wirkungsgrad... Also über einen guten Tip würde ich mich wirklich freuen

Aber im Endeffekt wird's wohl auf einen Selbstbau hinauslaufen - Typ Scheibengenerator, genau abgestimmt und den sich möglichst jeder selber bauen kann (am besten ohne Gießharz). Ist noch ein langer Weg und warte auch noch auf die Ergebnisse von Ralf's Versuchen . Inzwischen muss ich mich noch ein wenig in die Materie einarbeiten und vielleicht ein Programm schreiben, zum Visualisieren der Anordnungen und das vielleicht mal tausende Varianten durchspielt um eine ideale Lösung zu finden...

@ arminius


Hm - stehe jetzt ein wenig auf dem Schlauch - mit Hinterkante ist die spitz auslaufende Seite gemeint? Und mit unten ist was gemeint? Herausdrehung der Blattspitze bedeutet, dass der Einbauwinkel quasi 0 wird und das Profil genau in 'Fahrtrichtung' zeigt?

Momentan sieht es so aus (leichte Schrägstellung):

Ah ich glaube ich hab's verstanden - im Bild oben rund schleifen und unten links abflachen?
Könnte man vielleicht auch einfach CNC-seitig die letzten paar zentimeter das Profil geradedrehen?

Ich gehe nicht so auf technische Details ein aber will nur prinzipiell festhalten das ich begeistert bin als Windkraftfan der "Old Scool" das man mit modernen Mitteln wieder Holz miteinbezieht das gute Eigenschaften (Standart ist Esche) hierfür bietet.
Mag auch sein das ich deswegen begeistert bin weil ich dieses Jahr 200 Robinien gepflanzt habe dessen Holz in Härte über der der Eiche liegt und eine grandiose Biegefestigkeit hat (Verwendung im Bergbau zur Stollenabtzützung) und eine fantastische witterungsbeständigkeit von mindestens Teakholz aufweist.
Dies als Anregung
Denke dies ist der richtige Weg um Ökologisch und einfach Windkraft in diesem Jahrhundert umzusetzen.
Gruß Hans

Ja, Robinie ist schon ein tolles Holz. In Deutschland ist es allerdings ne invasive Art.

Ja das mit der Holzart ist auch noch so ein Punkt - ich hab ja erstmal Fichte aus dem Baumarkt genommen, weils so schön einfach und günstig ist. Ein Edelholz muss man erstmal in den richtigen Maßen herbekommen und läuft meist auf eine Sonderbestellung hinaus und das wird richtig teuer...vor allem weiß ich nicht, ob's das wirklich bringt - Esche und Robinie sind zwar edel und sehr robust, aber auch schwerer und damit die Fliehkräfte größer. Auch schwerer sprich langsamer zu bearbeiten. Fichte ist ja stark längs gefasert, so dass es quer sehr leicht bricht , aber längs in Bezug auf Biegung und Zug durch die Fliehkräfte sehr stabil ist. Dazu sehr leicht! Einziger Schwachpunkt ist Hagelschlag und geringere Witterungsbeständigkeit. Ich bin da hin und hergerissen..Gibt es Langzeiterfahrungen mit Fichte?

Ich meine das ganz banal so wie mit den roten Linien gezeigt;
Natürlich Unterseite runden.

Ok - alles klar

Was mich noch umtreibt - die Sache mit dem Zackenband oder Schleifpapier für bessere Verwirbelung- gibt es das Problem speziell bei Holz oder auch bei Kunststoff? Durch die Lackierung ergibt sich ja im Prinzip eine Kunststoffoberfläche. Was hat es damit auf sich?

Kann man die Zacken nicht gleich einfräsen? Machts nen Unterschied, ob die erhaben oder versenkt sind?

Naja Fichte und Langzeitbetrieb widerspricht sich etwas. Standart ist eigentlich Esche für Holzrotoren.
Darumm werden gute Schaufelstiele und die anderer Arbeitsgeräte aus Eschenholz gefertigt da es eine sehr hohe Belastung verträgt und zäh ist.
Fichte wird aber auch einige Jahre halten.
Als Erstmodell und zum perfektionieren ists aber sicher eine gute Wahl aufgrund der leichten Bearbeitung.
Gruß Hans

ich mache alle meine holzrotoren aus Fichte - Leimbinder damit es keine Verwerfungen gibt.
Lässt sich gut bearbeiten da es recht weich ist.

Hält auch ewig wenns gut lackiert oder besser noch geölt ist.

Wer in rauen Gegenden wohnt mscht vielleicht noch eine Hagelkante an der Vorderkante. Das geht prima mit etwas epoxydharz und 80er Glasgelegematte bzw. Filamentgelege...

Hallo Max,

klingt gut mit der Fichte und denke ich bleibe erstmal dabei. Vor allem bin ich erstaunt, dass du auch mit Ölen gute Erfahrungen gemacht hast. Eigentlich bin ich auch ein ausgepsrochener Freund vom Ölen wegen der Umwelt, aber ich dachte mir bei dieser Beanspruchung hat man eigentlich damit keine Chance. Meine Erfahrungen mit geöltem Holz in der Sonne ist, dass das sehr schnell 'verdampft' und dann irgendwie weg ist. Dann wird's schnell grau und alles geht bergab..wie oft ölst du denn nach?

nunja...die riemen unserer Holzkutter bekommen ein mal im Jahr ne Ölung. Allerdings zieht da kaum noch was ein dann. Das tolle ist dass man den Kram großzügig einpinselt und am nächsten Tag einfach mit einem Lappen abwischt was noch übrig ist - kein anschkeifen, keine brüchige Farbe abpulen usw....also wenig Aufwand. Die Riemen sind übrigens teilweise 50 Jahre alt und werden jeden Tag 8 bis 10 Stunden genutzt wobei sie die meiste Zeit im Wasser hängen und ein Dach überm Kopf haben sie nur etwa einen Monat im Jahr...

man möchte natürlich dass das Öl möglichst tief eindringt. Daher würse ixh die ersten 2 bis 3 Ölungen mit einem Gemisch aus Verdünnung und Öl auftragen und dann erst fetter werden. zieht dann tief ein ujd trocknet schnell auf.

Gruß
Max

Ps. Da geht so einiges rein und hinterher muss man mit sicherheit neu wuchten....

Ok - interessant! Da werde ich auf jedenfall mal einen geölten Testrotor aufbauen und sehen wie sich das verhält im Vergleich zum Lackierten. Macht es Sinn die Flügel eine Nacht im Öl zu baden, damit es tiefer eindringt? Wenn man alle 3 Flügel gleich behandelt, sollten ja auch ungefähr geiche Mengen reingehen und die Auswuchtung einigermaßen bestehen bleiben. Für die Feineinstellung hab ich noch optionale, exzentrische Gewichte in der Rundkappe versteckt, die entsprechend hingedreht werden - auch wenn's nicht ganz korrekt ist, weil diese Ausgleichsgewichte nicht genau in der Radebene liegen,und deshalb bei hohen Drehzahlen leichte Unwuchten entstehen, aber ist es einfach und elegant versteckt.



Ich nehme ja volles Holz und habe bei meiner kleinen Baugröße bisher sehr gute Erfahrungen in Bezug auf Verzug gemacht - die Rotoren halten lackiert bisher bestens die Form. Da stellt sich auch wieder die Frage, wie sich das mit Öl verhält. Geht da mehr Feuchtigkeit durch als bei Lack? Auch Lack ist ja nicht 100% Dampfdicht.