Der C- Rotor, Zusammenfassung (Stand März 2013)

gemeinsame Forenentwicklung eines Rotorprofils

Der C- Rotor, Zusammenfassung (Stand März 2013)

Beitragvon Bernd » Di 13. Jan 2009, 16:48

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Die Geschichte des C-Rotors:

Wer die grundlegende Bauform des C-Rotors erstmalig erfunden hat ist bis heute nicht genau geklärt.
Dokumentiert wurde die Bauform des C-Rotors in mehreren Ländern in den 70/80er Jahren des letzten Jahrhunderts.
Patentiert wurde er später auch einige male in unterschiedlichen Ländern. Diese Parallelentwicklungen sind
nichts ungewöhnliches angesichts des sehr simplen Aufbaus des Profils. Als Erfinder bzw. Entdecker kann nach derzeitigen
Wissensstand ein Professor einer französischen Uni gelten, der erstmals Ende der siebziger eine frühe Form des C-Rotors mit einem
Savonius unter Messbedinungen verglich. Später folgten einige Patentierungen mit nahezu gleichen Rotoraufbau deren Eigner sich
heute manchmal als "Erfinder" dieser Bauart sehen, was aber nicht zutreffend ist. Erfunden wurde er weit früher.
Vermutlich sogar noch Jahrzehnte früher, aber Dokumentationen über diese frühen Erfindungen sind heute im Netz kaum zu finden.

Die Entwicklung rund um den heutigen Aufbau des C-Rotors begann im Kleinwindanlagenforum.
Da im Kleinwindanlagenforum die Weiterentwicklung des C-Rotors leider nur sehr ungern gesehen war wurde dieses Forum gegründet.
Die Seite " http://www.dasWindrad.de " entstand. Hier wurde und wird diese Flügelkonstruktion durch die Forenmitglieder weiterentwickelt.

Alle Verbesserungen sind ein gemeinsames Produkt dieses Forums und stehen allen frei zur Verfügung.
Die heutige Bauform entspricht kaum mehr dem was in den ursprünglichen Patentschriften zu sehen war.
Der C-Rotor ist ein eigenständiges Produkt der Mitglieder dieses Forums geworden, ohne eine komerziell orientierte Patentierung anzustreben
die seine Verbreitung nur behindern würde. Der C-Rotor kann von jedermann frei nachgebaut werden.

Optimierung durch Vergleichsmessungen
Durch einfache Versuche wurden nach und nach Verbesserungen an der Bauform gewonnen.
Ich selber verwendete zwei 40cm Zimmerventilatoren als "Antrieb".
Ein anderer Tüftler baute sich diese "Windwand" um zu neuen Erkenntnissen zu kommen.

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Der von mir entworfene H-Rotor Prüfstand ist eine recht einfach nachzubauende Konstruktion aus Sperrholz
und Radialkugellagern.
Alle Materialien mit Ausnahme der Kugellager sind im Baumarkt erhältlich. Die Kugellager sind
für ca. 3 Euro/Stück bei Ebay erhältlich. Auf diesem Prüfstand können beliebige H-Rotorblätter mit ca. 50cm Flügelhöhe
auf ihre Eigenschaften hin untersucht und verbessert werden.

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Hier der Link zur einer ausführlichen Beschreibung des "Vertikalrotor Prüfstandes" :
http://www.daswindrad.de/forum/viewtopic.php?f=10&t=12&p=87#p87
Wichtigstes Element des Prüfstandes ist eine schwimmend gelagerte Leistungsbremse, mit deren Hilfe man das
Drehmoment an der Rotorwelle direkt im laufenden Betrieb (!) des Testrotors ermitteln kann.
Zusätzlich zur Drehmomentermittlung wird die Drehzahl des Rotors über einen einfachen Fahrradtacho ermittelt.
Aus Drehzahl und Drehmoment ergibt sich dann die aktuell an der Rotorwelle abgegebene mechanische Leistung nach der vereinfachten Formel:
Leistung (in Watt) = Drehmoment(in NM) mal Drehzahl (in U/min) durch 9,55 Ein Video das den grundsätzlichen Ablauf der Messung erläutert : http://www.vallstedt-networks.de/diverses/bremse_1.avi


Messergebnisse
AZunächst wurde eine Vergleichsmessung am C-Rotorflügel mit und ohne Endkappen durchgeführt.
Als Endkappen bezeichnen wir die deckelartigen Abschlusskappen an den Flügelstirnseiten. Sie verhindern, dass
die über die Leitfläche in den Vorflügel gedrückte Luft an den Stirnseiten des Flügel nutzlos heraus strömen kann.
Es ergab sich bei dem Betrieb MIT Endkappen ein Leistungsplus von ca. 25% sowie eine höhere Nutzdrehzahl.
Diese Kappen kann man also als unabdingbar bezeichnen, ohne sie verschenkt man enorm viel Leistung.

Dann wurde ein Vergleichstest mit gerader und gerundeter Leitfläche durchgeführt. (Bei jeweils
identischer Leitflächengrösse (!) das Foto täuscht) Das Ergebnis zeigt einen klaren Vorteil für die gerundete
Leitfläche, wie aus der Kennlinie zu ersehen ist. Die maximale Leistung liegt höher, der Nutzdrehzahlbereich
vergrössert sich, der Kennlinienverlauf ist deutlich optimaler. Neben dieser reinen Leistungsverbesserung ergibt
sich durch die Leitflächenrundung eine höhere Stabilität des Flügels.

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Es folgte die Ermittlung des optimalen Grössen/Proportionsverhältnisses zwischen der Vorflügelbreite und der Leitflächenlänge.
Für diese Messungen wurden diverse Vorflügelgrössen an einer festgelegten Leitfläche durchgemessen.
Die Ergebnisse wurden in den folgenden Grafiken zusammen gefasst.

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Die Messversuche zeigten, dass sich ein Verhältnis von Vorflügelbreite zur Leitflächentiefe von ca 1:2 als relativ optimal heraus kristallisierte.

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Die Messungen ergaben, dass eine windschnittige Formgebung des Vorflügels die Leistung und insbesondere auch den
Nutzdrehzahlbereich deutlich ansteigen lässst
. Spätere Messungen zeigten diesen Effekt sogar noch viel deutlicher auf.


Mit dem H-Rotorprüfstand wurde dann die energetische Ausbeute von einem C-Rotor mit 1, 2 und 3 Flügeln ermittelt.
(jeweils baugleiche Flügel) Das Ergebnis lautete :
ca. 0,27W für den Einflügler
ca. 0,52W für den Zweiflügler
ca. 0,61W für den Dreiflügler


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Man kann also festhalten dass die Erhöhung der Flächenabdeckung des Rotorumfangs die "Ernteleistung" verbessert.
Oberhalb des Optimums dürften sich die Flügel gegenseitig so stark beschatten dass die Leistung vermutlich
wieder absinkt. Wo sich genau das optimale Verhältnis von "Gesamtflügeltiefe (alle Flügeltiefen zusammen gerechnet) zum
Rotorumfang ergibt, ist noch nicht abschliessend geklärt.
Derzeit empfehlen wir beim 3 Flügler ein Verhältnis von Gesamtflügeltiefe zum Rotorumfang von ca. 45% (Stand März 2013)


Optimierte Werte für den 1 Flügler
Ich führte Experimente mit einem Rotor mit nur einem Flügel durch.
Bei dem 50 x 50cm Prüfrotor wurde die Leitflächentiefe auf ca. 25cm vergrössert, was dem doppelten Wert des einzelnen
3 Flügel Rotorblatts entspricht. Es erfolgten Messungen mit 3 Vorflügelvariationen. Hier die Ergebnisse:

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Als nächstes folgte die Messung mit einem vergleichsweise riesig wirkenden 10cm breiten Vorflügel.
Links mit einer"windschnittigen" Verkleidung vor dem halbrunden Vorflügel und rechts in einfacher halbrunder Bauform.

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Als klarer Sieger dieses 1 Flüglertests erwies sich die Variante mit 10cm breiten, aerodynamisch geformten Vorflügel, im Bild links zu sehen.
Hier Vergleichswerte der durchgeführten Messungen, NDN = Nutzdrehzahlniveau:

25cm Flügeltiefe und 10cm Vorflügel, NDN = ca. 55 U/min, maximale Leistung ca. 0,44W
12,5cm Flügeltiefe und 6,5cm Vorflügel, NDN = ca. 75 U/min, maximale Leistung ca. 0,32W
25cm Flügeltiefe und 6,5cm Vorflügel, NDN = ca. 85 U/min, maximale Leistung ca. 0,32W

Hier ein Link zu einem Video indem das Beschleunigungsverhalten des optimierten Einflüglers demonstriert wird :
http://www.dasWindrad.de/videos/glaeserner_2.avi

Als Resumee können wir festhalten, dass ein auf geringeren Luftwiderstand optimierter stromlinienförmiger
Vorflügel die Leistung und die Nutzdrehzahl nach oben treibt. Zusammen mit einer gerundeten Leitfläche
und passenden Endkappen ergibt sich ein Leistungsvorteil von ca. 30%. Die Nutzdrehzahl steigt sogar um stattliche
ca. 60% was die Generatorauslegung deutlich erleichtert

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Für weitere Optimierungen schien es sehr interessant zu wissen, bei welchem Winkelgrad des 360Grad Umlaufs der
C-Rotorflügel welches Drehmoment erzeugt.
Zur Ermittlung dieser Werte wurde der "optimierte 1 Flügler" auf den Prüfstand
montiert. Bewusst wurde auf die Montage eines Gegengewichtes (wie im Foto noch ersichtlich) verzichtet, um
aerodynamisch verfälschende Effekte zu vermeiden. Alle 10 Grad wurde das Drehmoment im Stand ermittelt.

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Ein paar Worte zu dem was ihr weiter oben im Diagramm sehen könnt.
Ein reiner Widerstandsläufer hätte eine andere Kurve, da ginge zwischen 180 Gad und 360 Grad leistungsmässig gar nichts.
Die Werte im "hinteren" Bereich um 180Grad herum wären vermutlich unter Realwindbedingungen etwas besser,
denn in meinem Versuch war dort der Abstand zu den Ventilatoren am grössten. Ich glaube mit diesem Diagramm
erhält man erstmalig eine Einschätzungsmöglichkeit, wo evtl. noch weiteres Optimierungspotential schlummern könnte. :)


Rotor Proportionen und Dimensionierung für den Nachbau
Alle bisher durchgeführten Messungen erbrachten viele, für die Dimensiomierung eines C-Rotors wichtige,
"optimale" Propotionsverhältnisse. Evtl. werden die derzeitig ermittelten Dimensionierungsempfehlungen noch
weiter optimiert werden. Sie stellen aber derzeit sicher einen relativ guten Richtwert dar. (Stand März 2013)

Die folgende Abbildung, die uns freundlicherweise von unserem ersten bei uns angemeldeten User "Huracan"
zur Verfügung gestellt wurde, verdeutlicht die Zusammenhänge und die Terminologie um den C-Rotor.
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Die Proportionen:
Am kleinen 50cm Rotor hat sich ein Proportionsverhältnis von Vorflügelbreite zur Leitflächentiefe von
ca. 1:2 bis 1:2,5 als relativ optimal erwiesen. Die Gesamtflügelabdeckung auf dem Rotorumfang (alle Flügeltiefen incl. Vorflügeltiefe zusammen gerechnet)
kann derzeit für einen 3 Flügler in Bereich von ca. 40 - 45 % des Rotorumfangs als optimal angesehen werden.
Es dürfte ein guter Richtwert sein, nachdem man derzeit dimensionieren sollte.
Ergänzung: Ein Berechnungstool für einen Dreiflügler ist hier zu finden.
(Stand Dez. 2011)


Die "Eintauchtiefe" des Leitblechs in den Vorflügel:
Dazu müssen noch genaue Messungen erfolgen. Es scheint sich aber eine recht geringe Eintauchtiefe als
sehr zweckmässig zu erweisen. Ich persönlich würde derzeit eine ziemlich geringe Eintauchtiefe von
ca. 1/8 Vorflügeltiefe einsetzen. Neben der guten Funktionalität reduziert die geringe Eintauchtiefe
obendrein auch noch die Masse des Flügels. Die Leitfläche sollte eine Wölbung/Rundung im Rotorradius aufweisen.

Die "optimierte Bauweise"
Wir haben bisher heraus gefunden, dass sich zum einen eine Rundung der Leitfläche im Rotorradius sowohl als
auch eine "windschnittige" Formgebung der Vorflügel als wirklich sehr leistungsfördernd erwiesen haben.
Beide eben genannten Maßnahmen zusammen genommen ergeben gegenüber runden Vorflügeln und geraden
Leitflächen ein Leistungsplus von über 30% ! Neben dem reinen Leistungsplus erhöht sich vor allen auch die
mittlere Drehzahl des "Nutzdrehzahlbereichs" bei dem man die grösste Energiemenge "ernten" kann mit dieser
Bauweise ganz erheblich, nämlich um etwa 60%. Das ist für die Auslegung eines Generators sehr hilfreich, da
es grundsätzlich einfacher ist, einen Generator für höhere Drehzahlen zu bauen oder zu kaufen. Nicht zuletzt
ergibt die Leitflächenrundung eine erheblich höhere mechanische Steifigkeit und Stabilität des Flügelblattes.

März 2013, Bachelorarbeit zum Thema C-Rotor
Unser User Felix alias Resistance hat eine hervorragende Bachelorarbeit zum Thema C-Rotor angefertigt und sie unserem Forum
freundlicherweise zur Verfügung gestellt.
Diese Arbeit ist das umfangsreichste und beste Werk das bisher zu diesem Thema angefertigt wurde.
Hier der Link zu seinem Werk: download/file.php?id=5861

Felix hat viele neue Erkenntnisse gewonnen, z.B. den größen-/geschwindigkeitsabhängigen Wirkungsgrad.
Das heisst bei seinen Messungen ergaben sich mit der Baugrösse als auch mit der Windgeschwindigkeit ansteigende Werte.
Die Windgeschwindigkeit während der Werteermittlung betrug 10m/s.

Wirkungsgrad der in der Bachelorarbeit getesteten C-Rotor Prüflinge bei 10m/s:

C-Rotor Durchmesser 0,13 m: ca. 5 %
C-Rotor Durchmesser 0,26 m: ca. 12-13%
C-Rotor Durchmesser 2 m: über 20 %

Durch die Erkenntnisse die Felix ziehen konnte scheinen unsere bisherigen Bemassungsempfehlungen überdenkenswert.
Breitere Vorflügel und eine etwas grössere Flächenabdeckung der Flügel könnten die Effektivität möglicherweise noch weiter steigen.
Am besten schaut ihr selber mal rein in seine Bachelorarbeit.

Grüsse

Bernd
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