Wieso hat sich das drei blättrige Windrad durchdesetzt?
Hallöle,
ich wüsste gerne weshalb Windkraftanlagen für gewöhnlich drei Rotorblätter haben. Liegt das an der Stabilität der Dreiecksform, hat diese Anordnung die höchste Last - Energie - Bilanz, oder was ist der Grund.
4 Antworten
Windräder mit wenigen Blättern sind "Schnellläufer" und für die meisten Windverhältnisse bis hin zu starken Winden geeignet. Nur bei seichten Winden stehen sie still. Dagegen sind Windräder mit vielen Blättern (wie manchmal in "Western" zu sehen) "Langsamläufer", sie fangen auch noch kleine Luftbewegungen ein, werden aber schon bei etwas stärkeren Winden leicht beschädigt oder gar zerstört. Meistens passen also eher wenige Windblätter.
Bei der geradzahligen Anordnung von Rotoren verstärkt sich die Mastschwingung. Denn beim vorbei drehen vor (oder manchmal auch hinter) dem Mast verliert das betroffene Blatt durch den veränderten Luftstrom etwas an Last. Blatt und dadurch auch der Mast bewegen sich etwas in Windrichtung zurück, um kurz darauf wieder unter Volllast zu stehen. Wenn ich jetzt genau gegenüber ein erhobenes Blatt habe, dass weiter unter Last steht, giert die Drehachse weg vom Teillastblatt vor dem Mast hin zum erhobenen Vollastblatt und zugleich schiebt der Mast in Windrichtung und verstärkt das Gieren.
Das alles zusammen führt zu ungünstigen Vibrationen, die durch eine Dreiblaltanordnung vermieden werden.
(Und Einblatträder haben einerseits zu wenig Fläche und andererseits ganz andere Schwingungsprobleme.)
Ich glaube dass die Effizienz damit am höchsten ist. Die Anzahl der Blätter hängt von der Strömungsgeschwindigkeit, dem Druck usw ab und hier versucht man eben die optimale Effizienz im Mittel zu erreichen.
Ich bin mir da gar nicht mehr so sicher ob man das geschlossenen anschreiben kann.
Es sind eben Lösungen der Navier Stokes Gleichungen und die sind für diese Ansätze am Ende oft nur noch nummerisch lösbar.
Also ich nehme am Ende an, dass hier das Mathematische Modell des Windrades mit den Navier Stokes Gleichungen zB in Matlab eingegeben wird und anschließen spukt das Ding dann eben eine Effizienz für einen gewissen Lastbereich aus und eventuell nich für unterschiedliche Blattzahlen.
Eventuell findest du aber über Google Scholar ein paar Paper wo eben genau das Untersucht wird.
Ich glaube eben nur mal gehört zu haben, dass es mit der Effizienz zu tun hat, aber ich bin jetzt auch kein Profi auf diesem Gebiet somit kann ich keine Gewähr auf die Korrektheit meiner Aussage geben.
Ich schau einfach mal über scihub ob ich was finde.
die mittlere Effizienz eines Windrades in Relation zur Rotorblattanzahl berechnen
Der wichtigste Faktor, wenn man das berechnen will, ist der Energieverlust durch die Rotation der Abluft. Dieser Verlust wird größer, je langsamer die Turbine dreht. Die Leistung an der Welle ist 2 Pi mal Drehzahl mal Drehmoment. Je langsamer die Turbine dreht, um so größer ist bei gleicher Leistung das Drehmoment. Das Gesetz der Drehimpulserhaltung erzwingt, daß ein gleich großes Drehmoment auf die Luft einwirkt, die dadurch in Rotation versetzt wird und nicht nur die entsprechende Menge von Drehimpuls pro Sekunde abführt, sondern auch Rotationsenergie, die damit als Verlust zählt. Du kannst das Trägheitsmoment des Abluftzylinders hernehmen und schauen, wie viel Drehimpuls er abbekommt und wie viel Rotationsenergie er bei der entspr. eigenen Umdrehungsgeschwindigkeit mitnimmt. Je schneller die Turbine läuft, um so weniger rotiert die Abluft, und um so weniger Energie nimmt sie dadurch mit. Die Anzahl der Blätter ist hieran indirekt gekoppelt: Für Schnelläufer nimmt man weniger Blätter.
Windräder mit zwei Blättern sind noch ein bißchen effizienter, aber sie machen Vibrationsprobleme, die man bei dreiblättrigen Rotoren nicht hat.
Marcellus Jacobs, der vor hundert Jahren Windgeneratoren zu bauen anfing, hat das schon bald festgestellt und in seiner Firma dann nur noch dreiblättrige Rotoren gebaut. In einem Interview der Mother Earth News hat er darüber berichtet.
I discovered–very early in the game–that a two-bladed propeller has vibration problems that a prop with three blades doesn’t have.
https://www.motherearthnews.com/renewable-energy/wind-power-history-zmaz73ndzraw
Hier noch eine Erklärung dazu:
[...] bei der Erzeugung elektrischen Stroms: Hier sollen die Windräder möglichst hohe Drehzahlen erreichen, um den baubedingt hohen Drehzahlen der Generatoren entgegenkommen zu können.
Die Reduzierung der Blattzahl klappt bis herunter auf drei einigermaßen problemlos. Das heißt, daß die Flügel dann noch starr mit der Rotorwelle verbunden werden können. Bei nur zwei Blättern treten dann aber Probleme auf. Konstruktionsbedingt ändert sich dann nämlich das Trägheitsmoment des Rotors bei jedem Umlauf, was zu unerwünschten Unwuchten und Schwingungen führt.
Es geht unter anderem um den maximalen Höhenunterschied. Bei zwei oder vier blättern gibt es den Effekt, das die maximale Höhenunterschied erreicht wird. Bei drei Flügeln passiert das nicht, da sich kein Flügel Hanau gegenüber steht. Bei der heute üblichen höhen der Windmühlen ist der winddruckunterschied unten und oben ganz schön groß.
Dazu würden mich dann Berechnungen interessieren. Wäre cool, wen man die mittlere Effizienz eines Windrades in Relation zur Rotorblattanzahl berechnen könnte, angenommen alle Rotorblatt-Flächen seien ideal platonisch. ^^