Rotor / Technik | Wind-Werkstatt

Windrotor WW-R5.7

In den neu überarbeiteten Windrotor WW-R5.7 wurde sehr viel Entwicklungsarbeit investiert um so viele Aspekte wie möglich für einen sicheren, leisen, leistungsstarken und ökologischen Betrieb zu integrieren. Damit steht nun in Kürze der erste professionell gerechnete und CNC-gefräste Serien-Micro-Repeller aus Holz zur Verfügung, der das Maximum aus seinem Werkstoff herausholt.

Eigenschaften:

sehr leicht und damit schnell zu beschleunigen
hoher aerodynamischer Wirkungsgrad mit gutem Anlaufmoment und ideal berechneten Anstellwinkeln (Twist)
robust durch eine starke Nabenkonstruktion und eine stabil/flexible Flügelgeometrie (elastischer Pitch-Effekt)
fein ausbalancierbar für einen perfekten Rundlauf
sehr leise, durch Wirbelstreifen, flach zulaufende Profilquerschnittte und abgerundete Flügelenden
leicht zu montieren und zu warten
ökologisch ideal
und optisch einzigartig

Funktionsprinzip

Der Rotor ist das zentrale Element der Drehmomenterzeugung und bildet die Schnittstelle zwischen der gasförmigen Luft und der feststofflichen Drehbewegung. Durch seine gewölbte Rückseite und flache Vorderseite entsteht wie bei einer Flugzeugtragfläche an der Flügelrückseite ein Unterdruck, der durch die Schrägstellung der Flügel auch eine Kraft-Komponente in Drehrichtung aufweist. Diese wirkt über die gesamte Spannweite permanent "ziehend" und treibt den Rotor an. Neben einem genau berechneten Flügelprofil besteht die besondere Herausforderung darin, eine ausreichende Festigkeit auch in Sturmsituationen zu erreichen - sowohl in Bezug auf große Fliehkräfte als auch in einer ausreichenden Längsstabilität gegen den aerodynamischen Druck und hohe Kreiselkräfte, die bei schnellen Windrichtungsänderungen entstehen.

Prinzipiell gibt es kaum ein effektiveres Wandlungsprinzip als einen sog. Horizontalläufer, da alle Flügel über eine ganze Umdrehung antreibend wirken und nahezu die komplette kreisförmige Windangriffsfläche kontinuierlich abgreifen, im Gegensatz zu allen Vertikalläufern, deren eine Rotorhälfte immer gegen den Wind dreht.

Zwei-, Drei- oder Mehrflügler?

Der hier entwickelte klassische Drei-Flügler hat einige Vorteile gegenüber seinen Verwandten, den Zwei- und Vielflüglern:

Der Fertigungsaufwand ist überschaubar (gegenüber Vielflüglern)
die Drehzahl liegt noch im Bereich akzeptabler Geräuschentwicklung (gegenüber Zweiflüglern)
das Anlaufmoment ist ausreichend groß (gegenüber Zweiflüglern)
die Laufruhe ist ausreichend gegenüber Mehrflüglern
der Wirkungsgrad ist höher als bei Mehrflüglern

Werkstoff Holz

Die mechanischen Eigenschaften von Holz sind für den Rotorbau geradezu ideal - sehr hohe Zugfestigkeit sowie Elastizität bei geringem Gewicht, hohe UV-Stabilität und eine außergewöhnliche Wechselfestigkeit, entsprechen genau den Belastungsanforderungen, denen ein Windrad ausgesetzt ist - ein evolutionär hochoptimierter, faserverstärkter Verbund-Werkstoff, der jedem Kunstmaterial an Wechselfestigkeit überlegen ist. Die Fliehkräfte bleiben durch das geringe Gewicht von nur 120g pro Flügel moderat, und auch die Blattschwingungen führen selbst nach langer Betriebszeit nicht zum Bruch.
Dazu ist Holz als Rohmaterial sehr günstig. Für die Flügel kann sägeraues Holz, für andere Funktionsteile Reststücke von Multiplexplatten zu reduzierten Preisen verwendet werden, die dadurch noch eine sinnvolle Verwendung finden.

Der größte Nachteil von Holz besteht in der Gefahr einer etwas geringeren Wetterbeständigkeit gegenüber Kunststoffen, die jedoch bei genauerer Betrachtung als harmlos zu bewerten ist. Vor allem die luftexponierte Lage, runde Oberflächen, senkrecht stehende Flügel und häufige Drehbewegungen, ergeben beste Vorraussetzungen für eine geringe Wasseraufname und schnelles Abtrocknen des Holzes ohne der Gefahr von langanhaltender Staunässe, wie sie beispielsweise bei Gartenmöbeln häufig gegeben ist. Entgegen vieler Kunststoffe, enthält Holz auch keine Weichmacher die irgendwann zu einem Flügel-Bruch führen können.

Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Strategien die Wasseraufnahme des Holzes zu verhindern - entweder wasserdicht mit Lack versiegeln oder offenporig mit Lasuren, Ölen oder Wachs arbeiten.

Einen sehr guten Wetterschutz gibt es mit einer mehrschichtigen Versiegelung mit Lack (z.B. hochelastischer Bootslack). Dazu sehr schöne und edle Oberflächen, erhöhte Stabilität an den Kanten und wenig Feuchtigkeitsschwankungen im Holz. Allerdings ist es unvermeidbar, dass sich nach einer gewissen Zeit kleine Mikrorisse bilden, die zu Verfärbungen und schließlich zum Abplatzen der Lackschicht führen. Deshalb sollte man in regelmäßigen Abständen das Windrad auf kleinste Lackschäden überprüfen und diese nachversiegeln. Auf diese Weise kann man die Lebensdauer der Anlage über lange Zeit aufrechterhalten. Eine erstmalige Grundierung mit fäulnishemmender Lasur, erhöht noch einmal zusätzlich die Widerstandskraft gegen eindringende Feuchtigkeit und kann die Wartungsintervalle etwas verlängern.

Die bewährtere und auch umweltfreundlichere Variante besteht jedoch in der Verwendung von modernen Hartölwachsen, die eine erstaunlich gute Wetter- und UV-Festigkeit aufweisen und das Wasser über eine lange Zeit abperlen lassen. Nach einiger Zeit kommt es allerdings zu Graufärbungen auf der Oberfläche, die aber kaum einen Schaden im Holz verursachen. Der große Vorteil liegt dagegen in einer außerordentlichen Robustheit – hier kann keine Lackschicht vom Wasser unterwandert werden und alle Oberflächen trocknen ohne Fäulnisgefahr wieder ab. Es besteht somit keine Eile und man kann nach Gefühl hin und wieder mal nachölen. Der Hauptnachteil liegt also hauptsächlich auf der optischen Seite. Die Lebensdauer kann auch hier sehr hoch sein.

Einsatzmöglichkeiten

als Ersatzrepeller

Der Windrotor eignet sich für alle Micro-Windanlagen die in etwa auf die hier verwendete Schnelllaufzahl von 5.7 ausgelegt sind bzw. dem Leistungsbereich des Rotors entsprechen und über den passenden Anschluss an die Generatorwelle über ein M12- bzw. M16-Gewinde verfügen. Er eignet sich als Ersatzrepeller (z.B. bei Bruch oder Beschädigung des Originals) oder zur Verbessserung der Performance einer bestehenden Anlage durch perfekten Rundlauf, erhöhte Leistungsabgabe und leiserem Betriebsverhalten, sowie für die optische Aufwertung der Gesamtanlage durch den Naturwerkstoff Holz (insbesondere im Gartenbereich).

für alle Selbstbauprojekte

Darüber hinaus ist der Rotor ideal für alle Selbstbauprojekte geeignet, um Windströmung effektiv in Rotationsenergie zu wandeln - vom einfachen Windspiel ohne Generator, über Experimente mit selbstgebauten Generatoren, Pumpen o.ä., bis hin zu individuellen Kleinwindanlagen auf höchstem technisch und optischen Niveau.

Beim Zusammenspiel aller Anschlusskomponenten muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die zulässige Drehzahlgrenze des Rotors auch bei Sturm nicht überschritten wird (siehe technische Daten).

Zum Beispiel durch Flatterbänder an den Flügelenden, durch eine Seitenfahne, Furling-Systeme, Helikopter-Sicherung, Wirbelstrombremsen, Fliehkraftbremsen oder Ähnliches

Ideale Einsatzmöglichkeiten sind Windanlagen im Garten, auf dem Hausdach oder Car-Port, für das Wohnmobil, Ferienhäuser oder Segelyachten.

Rotorblätter:

Die Rotorblätter der Windturbine sind die eigentlichen Kraftwandler mit einer sehr fein abgestimmten aerodynamischen Geometrie. Sie bestimmen zum großen Teil die Leistung, das Anlaufverhalten, die Laufruhe und Sturmfestigkeit der ganzen Anlage und müssen vielen Anforderungen gerecht werden - einerseits den starken Flieh- und Biegekräften bei Sturm standhalten, aber genauso bei Schwach- und Normalwind eine möglichst anliegende Strömung über die gesamte Spannweite erreichen. Jeder Strömungsabriss durch eine ungenaue Profilierung führt unmittelbar zu Drehmomentverlusten und größerer Geräuschentwicklung durch ungewollte Luftverwirbelungen.

Die hier entwickelten Rotorblätter aus Fichtenholz haben eine besondere Leichtigkeit, Festigkeit und Elastizität (siehe "Werkstoff"). Die Fliehkräfte sind dadurch wesentlich kleiner und die Beschleunigungen aufgrund einer geringeren Trägheit schneller, als bei schweren Kunststoff- oder Metall-Flügeln. Mit dem Vorteil höherer Sicherheit sowie einer besseren Schwachwind- und Böen-Effektivität, mit der viele Kleinwindanlagen ihre Probleme haben. Die hohe Elastizität der Flügel führen bei starken Belastungen zu einer Art Pitch-Effekt, indem der Flügel leicht gebogen und in sich gedreht wird. Der dadurch verursachte Strömungsabriss bremst den Rotor in Extremsituationen und wirkt damit ein Stück weit selbstregulierend.

Das eingeklebte Wirbelband sorgt für kleinste Mircowirbel entlang der Rotorblatt-Rückseite, die dazu führen, dass die Strömung bei höheren Geschwindigkeiten nicht abreißt . Es ist entscheidend für einen ruhigen und effektiven Betrieb ohne pfeifende Geräusche.

Profil

Kleine Baugrößen erfordern grundsätzlich eher flache Profile. Gleichzeitig muß aber auch eine gewisse Profildicke gegeben sein, um die nötige Festigkeit zu erreichen.

Als guter Kompromiss kommt das bewährte Tragflächenprofil NACA 4412 zum Einsatz. Dessen relativ flacher und unsymmetrischer Verlauf (unten glatt, oben gewölbt), erreicht bereits bei kleinen Reynoldszahlen (kleine Baugröße, kleine Drehzahlen), sehr gute Auftriebswerte, wo bei anderen Profilen oftmals noch die Strömung abreißt.

Die Schnelllaufzahl (Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit an der Flügelspitze zur Windgeschwindigkeit) wurde mit 5,7 auf einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt, bei gleichzeitig moderater Drehzahl, gutem Anlaufverhalten und geringer Geräuschentwicklung.

Sämliche Geometrieberechnungen wurden nach 'Schmitz' ausgeführt und binden alle bekannten aerodynamischen Aspekte (reduzierte Windgeschindigkeit vor dem Rotor, Drallverluste und Flügelstreckung) mit ein.

Sturmfestigkeit

Um die großen Fliehkräfte bei Sturm (bei 2000U/min bereits ca. 140 Kg pro Flügel!) sicher abzufangen, ist am Ende des Flügelschafts ein hölzerner Querstift eingebracht. Die auftretenden Schubkräfte an den Durchsteckschrauben, werden somit über einen wesentlich größeren Bereich verteilt und die Abscherfläche des Holzes deutlich erhöht.

Nabe

Um eine ausreichende Sturm-Festigkeit zu erreichen, wurde die Nabe in Sandwich-Bauweise mit Multiplexplatten aufgebaut. Durch die mehrschichtige Querverleimung, erreicht dieses Schichtholz eine extreme Reißfestigkeit und dient, im Zusammenspiel zweier Durchsteckschrauben pro Flügel, als zentraler Anker aller angreifenden Flieh- und Biegekräfte.

In der Mitte der Nabe ist eine Korkplatte integriert, die aufgrund ihrer Elastizität eine Verspannung des Flügels mit der Nabe ermöglicht. Die Blattwinkel bleiben bis zur Nabe schräg gestellt für eine höhere Biegefestigkeit gegen den Winddruck und maximales Anlaufmoment. Die Schraubenköpfe, Scheiben und Muttern wurden passgenau in das Holz eingelassen, um Spalten für eindringendes Wasser so weit wie möglich zu vermeiden.

Nachdem ein möglichst genauer Rundlauf des Rotors sehr entscheidend für das Anlaufverhalten, die Laufruhe und Lebensdauer der Lager ist, kann mittels der Rundkappe noch eine Feinzentrierung vorgenommen werden.
An ihrer Rückseite können halbseitig bis zu 8 Schraubenmuttern gesteckt werden, die durch ihr Gewicht und ihre exzentrische Position ein Drehmoment bilden um kleine Unwuchten im Rotorsystem auszugleichen.

Fertigung

Die Flügelgeometrie wird zunächst mit einem geeigneten CAD/CAM-System modelliert (hier selbstprogrammiert).

Als Ausgangsmaterial kommt möglichst astarmes Fichtenholz zum Einsatz. Genauso gut können aber auch andere Holzarten verwendet werden wie z.B. Esche oder Lärche, die besonders wetterfest und auch längsstabil sind.

Mittels einer 3D-CNC-Portalfräsmaschine (idealerweise mit Drehachse) wird die Flügelkontur beidseitig aus dem Brettabschnitt je nach Frässtrategie mit einem Schaftfräser oder Radienfräser gefräst. Anschließend folgt maschinengestützt und/oder von Hand ein genauerer Nachschliff.

Durch die Trennung von Nabe und einsteckbaren Flügeln, fällt sehr viel weniger Verschnitt und Fräsarbeit am Flügel an, als wenn - wie im Propellerbau oft üblich - die relativ dicke Nabe aus dem Flügelschaft zusammengesetzt wird (entsprechen dick muss das Rohmaterial sein). Der Energie-und Materialeinsatz wird dadurch minimiert.