Windgenerator (ontwikkeling & bouw van wind-genset)

[m.bouwer]

De Gewiekste 1984
Systeem gebaseerd op centrifugaalkracht
Bij toenemend toerental bewegen de wieken zich (tegen de veerdruk in) naar buiten: De sleufgaten zorgen voor verdraaiing richting vaanstand.

[midwoud1]

1995

Centrifugale wiek verstelling voor snellere opstart rpm.
Mechanisch gekoppelde wieken.
Bij maximum toeren werd de molen proportioneel uit de wind gedraaid met de staart dmv een toerental gestuurde actuator.

Screen Shot 07-04-15 at 12.44 PMa.jpg

Screen Shot 07-04-15 at 12.45 PMa.jpg

[Adriaan Kragten]

De Gewiekste 1984
Systeem gebaseerd op centrifugaalkracht
Bij toenemend toerental bewegen de wieken zich (tegen de veerdruk in) naar buiten: De sleufgaten zorgen voor verdraaiing richting vaanstand.

Een nadeel van het gebruiken van de centrifugaalkracht in het blad zelf is dat die bij een normale bladmassa, een normale snellopendheid van ongeveer 7 en een normale rated windsnelheid van ongeveer 10 m/s al behoorlijk groot is. Je hebt dan erg zware veren nodig want anders begint het blad al bij een veel te laag toerental te verdraaien. Als ik de lichte veertjes van de molen van De Gewiekste bekijk dan moet dit haast wel het geval zijn. Als de veerkracht hoog is dan moet er een taatslager aan één kant van de veer zitten want anders creëert de veer extra torsiewrijving.

Bij een los gewicht op de bladas kun je, om het moment te berekenen, dit gewicht in gedachten verplaatsen totdat het ligt in een vlak dat haaks staat op de bladas en waar de rotoras in ligt. Als de bladas de rotoras snijdt dan is het moment dat door dit gewicht om de bladas veroorzaakt wordt maximaal als de lijn door het gewicht en de bladas een hoek alfa maakt van 45° met de rotoras (het moment is dan een sin(2alfa) functie). Als de totale verstelhoek 20° is, dan moet deze hoek dus variëren tussen 35° en 55° om zo weinig mogelijk last te hebben van de momentvariatie die het gevolg is van de verplaatsing van het gewicht.

Bij positieve bladverstelling werkt het aerodynamisch moment en het centrifugaalmoment in dezelfde richting en is met een beperkte massa toch al een redelijk totaalmoment te realiseren. Om een aerodynamisch moment te verkrijgen dat ook maar beperkt varieëert als gevolg van de bladrotatie, moet de bladas ongeveer in het kwartkoordepunt liggen (zie KD 285 figuur 6).

[Adriaan Kragten]

1995

Centrifugale wiek verstelling voor snellere opstart rpm.
Mechanisch gekoppelde wieken.
Bij maximum toeren werd de molen proportioneel uit de wind gedraaid met de staart dmv een toerental gestuurde actuator.

Screen Shot 07-04-15 at 12.44 PMa.jpg

Screen Shot 07-04-15 at 12.45 PMa.jpg

Fons de Beer beschrijft in zijn boek Windbouwwerk 1 (een ODE uitgave uit 1982) een systeem met negatieve bladverstelling met twee verschillende veren en twee aanslagen. Het blad begint met een grote instelhoek om de rotor gemakkelijk te laten aanlopen. Al bij een laag toerental bereikt het blad zijn normale bladhoek. Bij hoge toerentallen komt een veel zwaardere veer in werking en overtrekt het blad waarbij de instelhoek zelfs negatief kan worden. Toch werkte dit systeem niet perfect omdat de slanke bladen te torsieslap waren (o.a omdat hij multiplex voor de bladen gebruikte). Bij hoge toerentallen kon er flutter in de bladen optreden wat merkbaar was aan een zware brom.

Een nadeel van negatieve bladverstelling is dat de rotorthrust toeneemt terwijl die bij positieve bladverstelling juist afneemt (als het blad voldoende verdraaid is). Als het blad overtrekt dan neemt de profielweerstand zeer sterk toe en dan wordt bijna al het opgewekte vermogen verbruikt om deze toegenomen profielweerstand te overwinnen. Dit beperkt heel effectief de toename van het toerental maar de wieken moeten wel zodanig ontworpen zijn dat ze het maximale toerental en de toegenomen thrust aan kunnen.

Een ander verschil tussen positieve en negatieve bladverstelling is de manier waarop gereageerd wordt op windstoten en de verstelhoek die nodig is om het rotortoerental ook bij hoge windsnelheden voldoende te beperken. Stel we kijken naar een snellopend blad dat draait bij zijn ontwerpsnellopendheid en we kijken naar het deel van het blad waar de snellopendheid 6 is. Met formule 5.3 uit KD 35 is te berekenen dat de hoek phi tussen de relatieve windrichting en het rotorvlak dan 6,3° is. Stel de aanstroomhoek alfa is 3°. Omdat geldt dat phi = alfa + beta betekent dit dat de instelhoek beta van het blad 3,3° moet zijn. Stel er komt een plotselinge windstoot waarbij de windsnelheid plotseling verdubbelt. Dit lijdt ongeveer tot verdubbeling van phi die dan dus 12,6° wordt. Alfa wordt dan 12,6 - 3,3 = 9,3° wat tot gevolg heeft dat de lift zeer sterk toeneemt. De ontbondene van de lift in de bewegingsrichting die het koppel levert, neemt hierdoor ook sterk toe waardoor de rotor gaat versnellen en daardoor neemt het toerental toe. Door de toename van het toerental wordt het bladverstelmechanisme geactiveerd maar dit kost dus tijd.

Stel het profiel overtrekt bij 12°. Bij negatieve bladverstelling hoeft het blad ter plaatse van het punt dat we bekijken maar 12 - 9,3 = 2,7° te verdraaien voordat het profiel overtrekt. Voor plaatsen op het blad waar de snellopendheid lager is dan 6, is phi groter waardoor verdubbeling van phi zelfs nog sneller tot overtrekken lijdt. Bij negatieve bladverstelling is dus maar een klein verstelbereik nodig van hooguit 10° om de rotor voldoende te kunnen afremmen.

Bij positieve bladverstelling moet de aanstroomhoek alfa na verstelling nog kleiner zijn geworden dan de oorspronkelijke hoek van 3° omdat anders de lift vanwege de toegenomen relatieve snelheid toch te groot is. Stel de hoek moet 1° worden. Dit betekent dat het blad ter plaatse van het punt dat we bekijken 9,3 - 1 = 8,3° moet verdraaien. Voor plaatsen op het blad waar de snellopendheid lager is dan 6, is phi groter en moet het stelbereik dus nog groter zijn om na verstelling op een aanstroomhoek van 1° uit te komen. Het benodigde stelbereik voor positieve bladverstelling moet dus behoorlijk groot zijn. Afhankelijk van de ontwerpsnellopendheid van de rotor zal dit stelbereik tussen de 20° en de 40° moeten liggen.

[m.bouwer]

Kleine Beer molen op een Gewiekste zelfbouwshow.
Sommigen hadden een uitvoering met polyester bladen.

[midwoud1]

Fons was een pionier van de kleine windturbines .
De Kleine Beer was een molen met een wiek diam. van 3 meter.
Een versnelling overbrenging van 1:9 .
De generator een wasmachine motor van een Philips bovenlader 24 volt.
De molen was continu op de wind gericht zonder beveiliging rpm.
Fons vertelde dat hij heel slecht sliep als het stormde.

[Adriaan Kragten]

De molen was continu op de wind gericht zonder beveiliging rpm.
Fons vertelde dat hij heel slecht sliep als het stormde.

De molens van Fons de Beer hadden wel degelijk een bladverstelling waarvan het de bedoeling was dat het toerental bij hoge windsnelheden begrensd werd doordat de instelhoeken zo klein werden dat het blad overtrok. De hele geometrie van de beveiliging was echter ontworpen met try and error en het hing van de afstelling van aanslagen en veren af of de instelhoek bij hoge toerentallen klein genoeg werd. Op blz. 51 van zijn boek schrijft hij dat het blad eigenlijk te gevoelig was voor flutter. Hij beschrijft het fenomeen flutter ook heel aardig maar het klopt niet helemaal. Flutter is een gecombineerde torsie-buigtrilling. De eigenfrequentie voor torsie is onafhankelijk van het toerental. De eigenfrequentie voor buiging is laag maar neemt toe met het toerental omdat het blad t.g.v. de centrifugaalkracht steeds buigstijver wordt. Bij een bepaald hoog toerental worden beide eigenfrequenties aan elkaar gelijk. Als er eenmaal een trilling optreedt dan varieert de lift met dezelfde frequentie als de torsietrilling maar de variërende lift versterkt de buigtrilling. Als je dan van de zijkant tegen de rotor aankijkt dan wordt hij opeens veel dikker en maakt hij een brommend geluid. Een houten blad hoeft maar korte tijd heftig te flutteren of hij scheurt. Ik heb ooit bij iemand een massief houten blad gezien waarbij dat was gebeurd en de tip leek wel een kwast.

Ik heb ooit metingen in de windtunnel van TU-Delft uitgevoerd aan een snellopende rotor met bladen van gewelfd PVC of aluminium strip. Die bladen zijn erg gevoelig voor flutter omdat de torsiestijfheid erg laag is. Bladen met stalen gewelde bladen werken beter maar de plaatdikte moet toch behoorlijk groot zijn voor een bepaalde vrije bladlengte (ongeveer 2 mm voor een vrije lengte van 800 mm). Ik gebruik gewelde plaatwieken daarom alleen voor mijn kleinste windmolens. De CWD heeft ooit een testveld voor water pompende windmolens in Almere gehad. Daar werd ook een 6-bladig Duits water pompend molentje getest maar de windsnelheden waren daar zo hoog dat de kunststof bladen al na een paar weken testen helemaal kapot geflutterd waren.

[JantjeV8]

Is voor meer (airodynamische) kennis van de rotorbladen niet erg veel info te verkrijgen in de (model)vliegtuigwereld?

[midwoud1]

Wiekprofielen voor windturbines moeten profielen zijn welke lift geven .
Dit zijn oa. Clark-Y en NACA 4412 en 4415.
Dat is al heel lang bekend bij molenbouwers.
Modelvliegtuigen hebben meestal andere vleugelprofielen ,bijv.halfsymetrisch ,want met bovengenoemde is moeilijk te vliegen.

Screen Shot 07-06-15 at 09.45 AM.JPG

[midwoud1]

Rotorkop met aktieve wiekverstelling.

https://www.youtube.com/watch?v=MRVGYVrgsdc

Screen Shot 07-05-15 at 11.37 AMa.jpg

[Adriaan Kragten]

Dit zijn oa. Clark-Y en NACA 4412 en 4415.

Screen Shot 07-06-15 at 09.45 AM.JPG

Voor de oudere Clark-Y karakteristieken wordt de Reynoldswaarde niet vermeld terwijl het profiel voor windmolens vaak bij lage Reynoldswaarden gebruikt wordt waarvoor het profiel snel overtrekt. De oudere aerodynamische karakteristieken van de NACA 4412 en de 4415 zijn onbetrouwbaar omdat de windtunnel waarin de profielen gemeten waren een te hoge turbulentiegraad had. De gegeven Reynoldswaarden zijn daardoor te laag. Andere nadelen van deze NACA profielen zijn dat de vlakke onderkant niet exact vlak is en dat de nullijn niet samenvalt met de vlakke onderkant maar met een lijn door de neus en de staart van het profiel. De hoek tussen de nullijn en de vlakke onderkant is ongeveer 2° en je gaat dus 2° de mist in als je de vlakke onderkant gebruikt om de instelhoek van het blad mee in te bepalen.

Het Gö 623 profiel is geometrisch nagenoeg identiek met de NACA 4412 en heeft deze nadelen niet. De Gö 623 maakt deel uit van een serie van vier profielen de Gö 622, 623, 624 en 625 met een dikte van respectievelijk 8 %, 12 %, 16 % en 20 % van de koorde. Deze profielen worden beschreven in mijn gratis rapport KD 463. De Gö 623 en de 624 zijn het best geschikt voor windmolenbladen. Een nadeel van deze profielen is dat de onderkant slechts vlak is over 70 % van de koorde. Als je het blad uit een geschaafde houten plank maakt moet je dus niet alleen de bovenkant bewerken maar ook een deel van de onderkant.

Het Gö 711 profiel is vlak over 97,5 % van de koorde waardoor het bewerken van de onderkant niet meer is dan het aanbrengen van een radius. Het profiel heeft een dikte van 14,85 % van de koorde en wordt beschreven in mijn gratis rapport KD 285. Een nadeel van dit profiel is dat de aerodynamische karakteristieken alleen gegeven worden voor een tamelijk hoge Reynoldswaarde van 4 * 10^5. Hierdoor mag de koorde niet te klein zijn. De minimum weerstand-lift verhouding is echter zeer laag waardoor een hoge Cp mogelijk is. Door vergelijking met andere profielen heb ik aerodynamische gegevens afgeleid voor dunnere versies met een dikte van 12 % en 10 % van de koorde. Deze gegevens staan in mijn gratis rapport KD 333. Deze profielen zijn zeer geschikt voor houten bladen met een constante koorde en instelhoek waarbij de bovenkant gemaakt wordt met een omgebouwde vandiktebank waarvoor het vlakke mes vervangen is door een mes dat voorzien is van de geometrie van de bovenkant van het profiel.

[midwoud1]

De molen hier met een wieken diam. 3 mtr. heeft een clark-Y profiel.
Dit stond in het Windwerkboek 1981 van Tossijn en Westra blz. 363,364,365.
Was toen waardevolle informatie.
Heeft over de jaren goed gewerkt, materiaal hout Oregon pine.
Ik heb contact met molenbouwers in de USA daar waren ze nogal enthousiast van het wiekprofiel GOE 222 ,
polyester bladen ,goedkope aanbieding uit China .
Later hoorde ik dat ze erg veel lawaai maakten ,daarna wilde men overgaan naar 4412 en Clark-Y
Deze ken ik als zeer geluidarm.
Echter met harde wind en wiek verstelling van een paar graden maken deze ook geluid.

Screen Shot 07-06-15 at 06.43 PM.JPG

[Adriaan Kragten]

Later hoorde ik dat ze erg veel lawaai maakten ,daarna wilde men overgaan naar 4412 en Clark-Y
Deze ken ik als zeer geluidarm.

De geluidsproductie van een wiek wordt volgens mij maar beperkt veroorzaakt door het gebruikte profiel. Alleen snellopende rotoren met gewelfde plaat wieken maken bij gelijke diameter, snellopendheid en belasting duidelijk meer lawaai dan rotoren met echte profielen maar dit komt omdat de scherpe neus turbulentie van de grenslaag veroorzaakt.
Bij gelijke rotordiameter heeft de ontwerpsnellopendheid de grootse invloed op de geluidsproductie voor een bepaalde windsnelheid. De geluidsproductie neemt sterk toe met toenemende ontwerpsnellopendheid.
De daarop volgende invloed is de belasting van de rotor die de werkelijke snellopendheid bepaalt. Als de belasting te licht is dan draait de rotor met een hogere tipsnelheid dan behorende bij de ontwerpsnellopendheid en dat geeft een toename van de geluidsproductie. Als de belasting te hoog is overtrekt het profiel wat ook toename van de geluidsproductie geeft. De geluidsproductie is minimaal wanneer de rotor draait bij zijn ontwerpsnellopendheid omdat het profiel dan aangestroomd wordt voor de hoeken waarvoor het blad ontworpen is.
Als een rotor snel draait en de wind valt plotseling weg dan is de snellopendheid tijdelijk ook te hoog en dat geeft ook extra geluidsproductie. Scheve aanstroming geeft ook extra geluidsproductie omdat de aanstroomhoek tijdens een omwenteling behoorlijk verandert.
Het meeste geluid komt van de tip omdat daar de snelheid het hoogst is en omdat er een wervel van de tip af komt. Deze wervel is te verkleinen met omgezette wiektippen en sommige grote molens zijn hiermee uitgevoerd.
Het materiaal van de wiek heeft ook een behoorlijke invloed. Houten bladen dempen het geluid maar stalen bladen kunnen het geluid als een gong versterken.

[midwoud1]

Goede informatie .
Ik heb een set bladen waarvan ik de trailing edges ( achterlijsten ) flink scherp heb gemaakt van de tip tot 1/3 van het blad.
Het resultaat was een zeer geluidarme wiekenloop.
Ook heb heb ik de opbouw van een Enercon 126 gevolgd . Toen de wieken werden aangevoerd per verlengde dieplader ,zag ik hier ook de scherpe achterlijsten . Om ze niet te beschadigen waren ze in grote klemmen gelegd bekleed met Tempex om beschadiging te
voorkomen.
Deze wieken waren 60 meter lang . gedeeld in twee delen van 30 meter , een halve wiek per dieplader.

Screen Shot 07-12-15 at 08.46 AMa.jpg

[m.bouwer]

Mooie nieuwe creatie van die EAZ jongens.