Rotor-Modul
Rotormodul
Einführung
Warum eine Vertikalachsturbine?
Vertikalachsturbinen erleben in jüngerer Zeit ein neues Interesse, da sie gegenüber den lange bevorzugt erforschten Horizontalachsturbinen eigene Vorteile bieten. Die Vertikalachsturbine hat spezifische Stärken und Schwächen.
Die Tangentialkraft wird nicht über die gesamte Umdrehung gleichmäßig erzeugt; da die Flügel momentbildende Bereiche durchlaufen und wieder verlassen, entsteht eine Drehmomentwelligkeit. Diese Schwankungen erschweren die Steuerung des Generators und belasten die Struktur. Auch das Anlaufmoment ist höher als bei Horizontalachsturbinen. Dennoch überwiegen viele Vorteile.
Der Generator kann über der Wasseroberfläche angeordnet und direkt über die Welle angetrieben werden. Unter Wasser ist nur ein einziges Lager nötig. Die Turbine dreht sich unabhängig von der Anströmrichtung immer in dieselbe Richtung. Durch die vertikale Bauweise lassen sich mehrere Turbinen übereinander anordnen und leicht skalieren. Deshalb gewinnt der Einsatz dieser Technik in ländlichen Regionen ohne Netzanschluss an Bedeutung. Sie eignet sich zur Stromerzeugung und ist eine günstigere Alternative zur Verbrennung fossiler Energieträger – ist aber noch in Entwicklung und nicht ausgereift.
Flügelprofil
Flügelprofil
Verschiedene Flügelprofile und die zugehörigen Fertigungsverfahren wurden betrachtet. NACA-00XX-Profile als Drehteil mit aufgenietetem Aluminiumblech wurden verworfen, da die Fertigung für den Einzelbau des Prototyps zu aufwendig war.
Auch ein Konzept mit helikalen Flügeln, das ein gleichmäßigeres Drehmoment versprach, wurde untersucht – und wegen der sehr komplexen und teuren Fertigung verworfen.
Ein Konzept mit um 60° versetzten Flügeln halber Länge sollte den Effekt helikaler Flügel mit einfach herstellbaren Profilen erreichen. Das Drehmoment war jedoch nicht gleichmäßiger, das Anlaufmoment hoch und die zusätzlichen Tragarme verursachten zu viel Widerstand.
Ein weiteres dreiflügeliges Konzept mit nur einem Tragarm in Flügelmitte erwies sich als weniger stabil und effizient als der aktuelle Prototyp.
Im finalen Prototyp kamen symmetrische NACA-00XX-Profile aus Holz zum Einsatz – wegen der einfachen Fertigung, geringer Kosten, internationaler Verfügbarkeit und eines bewährten Designs.
Verbindungsart
Verbindungsart
Verschiedene Verbindungsarten wurden getestet. Vertikale Schrauben parallel zur Welle durchbohrten das Flügelprofil und schwächten es. Horizontale Schrauben senkrecht zu den Flügeln erwiesen sich als deutlich haltbarer. Tragarme gibt es nur an beiden Flügelenden, um den Widerstand gering zu halten; ein mittlerer Tragarm erhöhte nur den Widerstand und brachte unnötige Steifigkeit.
Fertigungsmöglichkeiten
Fertigungsmöglichkeiten
NACA-00XX-Flügel lassen sich auf unterschiedliche Weise fertigen. Da NACA-Profile verbreitet sind, können sie als stranggepresste Meterware gekauft und abgelängt werden – weniger geeignet für individuelle Profile. Für Serienfertigung eignen sich Pressen oder Gießen. Für den Prototyp werden geschliffene Holzprofile empfohlen. Auch Drehteile mit aufgenietetem Aluminiumblech kommen für die Serie in Frage; bei Standardprofilen ist stranggepresste Meterware zu empfehlen.
Optimierungen
Erkenntnisse aus der Forschung
Zur Optimierung des Wirkungsgrads wurden verschiedene Merkmale und Verbesserungen untersucht. Besonders wertvoll war die Arbeit Parametric Characterization of an Experimental Vertical Axis Hydro Turbine (Rawlings, 2008, University of British Columbia).
- Beim Vergleich verschiedener Tragarmprofile erwies sich das NACA-00XX-Profil als überlegen.
- Tragarme an den Flügelenden erhöhen zusätzlich den Wirkungsgrad.
- Anstellwinkel (AoA): 3° ist optimal für TSR < 2,35, 5° für TSR > 2,35. Die Anpassung zwischen 3° und 5° erhöhte den Ck-Wert um über 21 %.
- Endscheiben an den Flügeln (Tragarme an der ¼-Profiltiefe): NACA-Profile waren effizienter als kreisförmige Endscheiben; Endscheiben steigerten den Ck-Wert je nach Strömung um 12–16 % (16 % bei 1,5 m/s, 12 % bei 2 m/s).
- Gewölbte (asymmetrische) Profile erzielen einen höheren Wirkungsgrad, in Kombination mit 5° Anstellwinkel noch mehr.
- Eine Wellenverkleidung senkte den Wirkungsgrad um etwa 6 %.
- Eine einflügelige Konfiguration steigert ihren Ck-Wert mit höherer TSR; die dreiflügelige erreicht ihr Maximum bei TSR 2,55.
Physikalische Größen
Die physikalischen Grundlagen
Die Schnelllaufzahl (TSR) ist das Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Flügelspitze und der Fließgeschwindigkeit:
λ = ω · R / v
Die Drehzahl der Turbine hängt von der Schnelllaufzahl ab:
n = 60 · λ · v / (2π · R)
Die Wasserleistung ist die gesamte Leistung, die durch den Turbinenquerschnitt A strömt:
Pwater = ½ · ρ · A · v³
Die entnommene Leistung ergibt sich aus Leistungsbeiwert Ck und Wasserleistung (für die Berechnungen wurde ein globaler Ck = 0,35 angesetzt):
P = Ck · Pwater
Das resultierende Drehmoment beträgt:
M = P / ω
Ein lokaler, von der TSR abhängiger Ck-Wert lässt sich experimentell bestimmen; er ist genauer als der globale Ck, besonders bei niedriger TSR. Laut RAGHEB kann die optimale Schnelllaufzahl eines sorgfältig ausgelegten dreiflügeligen Rotors etwa 25–30 % über dem theoretischen Optimum liegen – mit höherer Drehzahl und Leistung.
Beim Prototyp gab jedoch der Generator die Drehzahl vor: Aus n ergeben sich Winkelgeschwindigkeit ω = 2π · n / 60 und Umfangsgeschwindigkeit u = ω · R – und damit die optimale TSR für den Rotor mit diesem Generator. Schnelllaufzahlen hängen von Turbinenbauart, Profil und Flügelanzahl ab; die Literatur dazu ist noch begrenzt.
Die Solidität beschreibt das Verhältnis von Flügelfläche zu überstrichener Fläche (σ = N · c / (2 · R) bei N Flügeln mit Profiltiefe c). In der Tabelle „Rotor calculations“ lassen sich verschiedene Soliditäten testen und die zugehörigen Leistungs- und Drehzahlkurven darstellen. Weitere Fachliteratur findest du auf der Seite Open Source.