Savoniusrotor

Prinzip des Savonius-Rotors im Querschnitt

Savonius-Rotor, zur Glättung der Lastwechsel in mehrflügliger und gekoppelter Anordnung

Der Savonius-Rotor wurde von dem finnischen Schiffsoffizier Sigurd Savonius um 1925 erfunden.

Dieser Rotor besteht aus zwei an einer vertikalen Rotorachse angebrachten waagerechten Kreisscheiben, zwischen denen zwei oder mehr halbkreisförmige gebogene Schaufeln bzw. Flügel senkrecht stehend angebracht sind.

Die Schaufeln sind gegeneinander versetzt angeordnet, so dass ein Teil des Windes von den rechts und links gerade zur Strömung offenen Schaufelseiten umgeleitet wird und auf die Rückseite einer der dort konkaven Schaufeln einwirken kann. Die Wirkungsweise beruht sowohl auf aerodynamischem Auftrieb als auch auf widerstandsbedingtem Vortrieb. Die mittlere Schnelllaufzahl des Savoniusrotors ist mit 1,6 angegeben. Der maximale Wirkungsgrad wird zu 28 % eingeschätzt. Bei der Planung und Herstellung des Rotors kann durch Anordnung der Schaufelsegmente die Laufrichtung in rechts- oder linkslaufende Maschinen festgelegt werden. Bei einigen Ausführungen wird eine pendelnde Aufhängung (Kardangelenk) verwendet, um die Biegekraft bei langen schmalen Rotoren zu reduzieren. Diese Anordnung verringert jedoch den Wirkungsgrad beachtlich, weil dann die Schaufeln der antreibenden Strömung ausweichen und im Drehsinn wirkende Hebelkraft auf die Rotationsachse so verloren geht.

Vorteile

• Einfacher Aufbau und einfache Montage
• Hohes Drehmoment bei relativ niederer Drehzahl
• Unabhängig von der Windrichtung, keine Windausrichtung erforderlich
• Einsatz schon bei extrem niedrigen Windgeschwindigkeiten ab (2–3 m/s)
• Koppelung mehrerer Rotoren zu einer größeren Anlage möglich, sowohl im horizontalen als auch im vertikalen Verbund
• sturmsicher durch selbstständige Leistungsbegrenzung
• Kaum wahrnehmbare Laufgeräusche
• Hohe Toleranz gegen jede Turbulenz, die standortbedingt im Wind enthalten sein kann, und ohne spürbare Wirkungsgradverluste bei abrupten Änderungen der Anströmungsrichtung.
• Der Savonius-Rotor verträgt böige Windverhältnisse, weil er durch seine Massenträgheit abrupte Strömungswechsel gut ausgleichen kann.
• Im Gegensatz zu den Rotoren mit horizontaler Drehachse, bei denen das Gewicht der Rotorblätter in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft unterschiedliche Belastungen auf die Blattstruktur ausübt, abhängig davon, ob sich die Blätter gerade senkrecht oben, unten oder seitlich im Drehkreis befinden, hat der Savonius-Rotor den Vorteil, dass seine Blattschaufeln auf ihrer vertikalen Drehachse von der Gravitation gleichmäßig belastet werden.
• Ein weiterer Vorteil gegenüber Rotoren mit horizontaler Drehachse besteht in der Zweipunkte-Lagerung, eine oben und die andere im unteren Bereich der Turbine. So werden alle Belastungen auf zwei relativ weit auseinander liegende Lagerpunkte verteilt, wodurch die Lagerung dann weniger anfällig für Verschleiß wird.

Nachteile

Als Nachteil des Savonius-Rotors muss davon ausgegangen werden, dass seine möglichen Leistungsbeiwerte mit geschätzten 28 % unterhalb derer des Darrieus-Rotors oder derer von Anlagen mit horizontaler Rotordrehachse liegen.

Wie bei allen Rotoren mit vertikaler Drehachse sind die Schaufeln beim Savonius-Rotor aufgrund der ständigen Wechsel der Anstellwinkel zur einwirkenden Strömung Lastwechseln ausgesetzt, welche im Zusammenspiel mit den Fliehkräften Schwingungen oder Materialbelastungen verursachen können. Eine ausgeprägte Unwucht aufgrund der zyklisch unterschiedlich starken Belastung durch die Strömung während der Rotation ist charakteristisch für den Savonius-Rotor, auch wenn die Gewichtsverteilung perfekt austariert ist. Diese durch Lastwechsel verursachte Unwucht kann jedoch minimiert werden, indem statt der zwei Schaufeln eine größere Anzahl, meist drei, angeordnet werden.

Unwucht kann aber auch bei starker Strömung durch Verformung entstehen, wenn die Konstruktion nicht ausreichend stabil gehalten ist.

Ein weiterer Nachteil ist es, dass der Savoniusrotor relativ zu anderen Anlagentypen nicht sehr groß gebaut werden kann, weil ab einer nicht genau bestimmten Größe von etwa 25 Quadratmetern zur Strömung ausgerichteter Frontalfläche Unwuchten in sehr schwer beherrschbarem Umfang auftreten können. Kleinere Rotorabmessungen mit einer durch feststehend aufgestellte Einleitflächen verstärkten Strömung können hier Abhilfe schaffen.

Man kann den Savonius-Rotor auch mit horizontal liegender Drehachse betreiben, hier entstehen dann aber durch die zusätzlichen Lastwechsel durch Gravitation höhere Beanspruchungen als bei vertikal stehender Drehachse. Im Betrieb des Rotors unter Wasser in einer Strömung laufend ist der Gravitationseffekt dann wegen der spezifischen Gewichtsrelativierung kleiner oder hebt sich auf.

Anwendungen

• Anfänglich im Schiffbau zur Belüftung der Mannschafts- und Laderäume, später auch bei Transportfahrzeugen (Eisenbahnwaggons, Lieferwagen, Omnibussen usw.), hier Flettner-Lüfter genannt
• Wasserpumpen, Tiefbrunnen, Bewässerung, Schwimmbadfilter
• Drucklufterzeugung
• Stromerzeugung, Gleichstrom- und Wechselstrom-/Drehstrom-Generatoren
• Werbeträger
• Als wenig bekannte Anwendung wurde der Savonius-Rotor vom Erfinder Sigurd Savonius zum Antrieb von Schiffen, wie es mit dem Flettner-Rotor praktiziert wird, genutzt. Das heißt, es wurde kein Schaufelrad oder Schiffspropeller damit angetrieben, sondern es wurde der direkte, aufgrund der komplexen aerodynamischen Reaktionen in der Savoniusturbine entstehende, Druck und Sog in einer gegen die Windrichtung versetzten Richtung, ähnlich wie beim Flettner-Rotor durch den Magnus-Effekt, genutzt. Savonius hatte seinen Rotor deshalb erfunden, weil er nach einer Möglichkeit suchte, das Flettner-Prinzip ohne die dort notwendige Fremdleistung eines Motors für den Rotationsantrieb zu nutzen. Dieser Aspekt hat allerdings bisher keine praktische Bedeutung und wird auch nicht bei der Wirkungsgrad-Ermittlung miteinbezogen.
• Auch wenig bekannt ist die Eigenschaft des Savonius-Rotors, in einer Strömung ganz unter Wasser eingetaucht gut zu funktionieren. Insofern bietet sich diese Technik zur Nutzung auch von langsam fließenden Strömungen an, vor allem deshalb, weil die Energiedichte im Wasser ein Vielfaches höher als in der Luft ist. Gegenüber einem Wasserschaufelrad, welches nur wenig ins Wasser eingetaucht ist – oder gar nicht – (Letzteres beim oberschlächtigen Wasserrad), nutzt der Savoniusrotor voll eingetaucht nicht nur den Vortrieb sondern auch strömungsdynamische Effekte wie den Auftrieb mit einer im Vergleich zum Wasserrad größeren gegen die Strömung gerichteten Reaktionsfläche.

Entwicklung

• 1981 konstruierte Heinz Schulz einen Durchström-Rotor, der zahlreiche Stürme mit Spitzengeschwindigkeiten von 35 m/s (= 126 km/h) schadlos überstand.

• 2002 konstruierte Carl von Canstein einen Leichtbau-Savonius-Rotor, dessen aus mit PVC beschichtetem Dralontuch bestehende Rotorblätter mit fast s-förmigen, spantenartigen Tragarmen auf der Drehachse auseinander gespannt wurden. Diese Anordnung hatte den erwünschten Effekt, dass außer Leichtbauweise und Materialeinsparung auch der Lufteintritt von oben und unten in turbulenter Strömung maximiert wurde, ohne dabei den Effekt der Vermeidung von Flügelrandverlusten zu beeinträchtigen. Dieser Effekt wurde früher von relativ schweren, kreisrunden Abdeckelungen oben und unten an der Turbine erzielt. So wurde der an sich schon gute Wirkungsgrad in turbulenter Strömung zusätzlich verbessert.

• Canstein hat dann im März 2007 in einem von Wasser durchströmten Kanal einen Versuch mit einem Savonius-Rotor mit zwei rigiden Schaufeln und ansonsten maximiert offener Bauweise ausgeführt, um herauszufinden, wie der Savonius im Wasser funktioniert. Der beste Wirkungsgrad konnte entgegen der Erwartung nicht bei einer Teileintauchung von 2/3 der mit horizontaler Drehachse angeordneten Turbine sondern nur voll eingetaucht unter Wasser erreicht werden.

• Dieses Ergebnis lässt Rückschlüsse auf die komplexen strömungsdynamischen Reaktionen im durchströmten Rotor zu. Es war erwartet worden, dass der Rotor bei 2/3-Teileintauchung besser laufen würde, weil so der zur Strömung gegenläufige Teil des Rotors weniger Reibungswiderstand zu überwinden hat. Tatsächlich läuft der Savonius-Rotor ganz in Wasser eingetaucht bedeutend besser und bei einer Fließgeschwindigkeit von 1 m/s konnte im Versuch eine ausreichende mechanische Nutzlast entnommen werden, um eine Vorrichtung für die Einbringung von Dünger in den Bewässerungskanal einer Bananenplantage zu betreiben. Hierbei waren die Abmessungen des horizontal liegenden Rotors mit 16 cm Zylinderhöhe und 16 cm größter Rotorbreite ausreichend. Der Bewässerungskanal war etwa 25 cm breit und das darin fließende Wasser etwa 20 cm hoch. Ein Nebeneffekt der rotierenden Turbine war eine sehr stark akzentuierte Auf- und Abbewegung des lose im Wasser gehaltenen Rotors, die relativ zu seinen zyklischen Reaktionsabläufen verlief. Hierbei handelt es sich um die typische Unwucht des Savonius-Rotors, wie sie durch die unterschiedlich starke zyklische Belastung während der Rotation entsteht. Diese Bewegung konnte als zusätzliche mechanische Leistung und Nebenprodukt genutzt werden, um ein Rüttelsieb ausreichend in Bewegung zu setzen. Das Drehmoment des Savonius-Rotors unter Wasser ist um Zehnerpotenzen stärker als in der Luftströmung, auch die Drehzahl ist bei 1 Meter Fließgeschwindigkeit höher als in der Luft.

• Will man einen klassischen Savonius-Rotor mit großen Abmessungen nur einseitig am Boden lagern, so empfiehlt sich hierfür eine Kreisbahnlagerung mit zentralem Führungszapfen, da diese das Gewicht und andere Betriebslasten besser auf eine größere Auflagefläche verteilt. Diese Kreisbahnlagerung kann durch einige im äußeren Drehkreis unter den Schaufeln montierte Räder ausgeführt sein, die auf einer geeignet ebenen glatten Kreisbahn um einen zentralen Lagerzapfen laufen. Hierbei ist es möglich, die relativ hohe Drehzahl dieser Laufräder direkt durch in den Rädern integrierte Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen.

• Die Firma TMA nutzt passive, außerhalb des eigentlichen Savonius-Rotors angeordnete Einleitflächen als Statoren, um damit dem im Zentrum positionierten Rotor so verstärkte Strömung zuzuführen. Die Firma gibt als Wert für den Rotor 45 % Wirkungsgrad an. Dies bezieht sich aber nicht auf die gesamte dem Wind entgegengestellte Fläche. Zählt man die Fläche der fest angebrachten Statoren dazu, so ergibt sich dann ein Wirkungsgrad, der unterhalb von 28 % liegen dürfte. Dennoch hat eine solche Konstruktion Sinn, weil so der mechanisch bewegliche und damit beanspruchte Rotor bei gleicher Leistung nur etwa halb so groß sein muss. Dadurch werden bekannte Nachteile wie die typische Unwucht konstruktiv begrenzt. Interessant ist zu bemerken, dass Professor Ingo Rechenberg von der TU Berlin in den 1990er Jahren eine passive Einleitfläche, die aus einem Kreis konzentrisch angeordneter Flügel mit aerodynamischen Profilen bestand, erfunden hat. Diese erzielte hinter dem Zentrum der Kreisfläche in einem aus ablaufender Strömung bestehenden Wirbelschlauch eine bis zu zehnfach verstärkte Strömung. Das war wertvolle Grundlagenforschung, bei der es keine Rolle spielt, dass Prof. I. Rechenbergs Anordnung für eine wirtschaftliche Nutzung zu aufwendig gestaltet war. Prof. Ingo Rechenberg hatte im Windkanal den Strömungsverlauf hinter den Flügelspitzen des Kondors nachgestellt und dabei eine Konzentration der Strömung in einem ablaufenden Schlauch aus Luft, der aus einzelnen kleinen Verwirbelungen bestand, die hinter den Federn abliefen, beobachten können. Die 45 % Wirkungsgrad, die von der Firma TMA bei deren im Markt eingeführten Modell des Savonius-Rotors angegeben werden, dürften ein guter Kompromiss zwischen dem maximal durch Konzentration der Strömung erreichbaren Wert und einer wirtschaftlich vernünftigen Bauweise sein.

Eine weitere Nutzung der Technik mit Windkonzentrator findet sich mit einer neuen Variante erstmalig auch bei den Rotoren der Firma Energy-Age Wind mit Standort in Münster, Westfalen^[1]. Bei dieser Bauart handelt es sich um eine der Windrichtung nachgeführte Mantelturbine. Mit Hilfe dieser Ummantelung wird auf den im Inneren derselben laufenden Savonius-Rotor eine verstärkte Strömung wirksam, mit der der Rotor eine um den Faktor 3 höhere Leistung erbringen kann. Diese Mehrleistung muss in Relation zur Größe des eigentlichen Rotors gesehen werden und der Leistung, die er ohne Ummantelung erbringen würde. Die gesamte mit der Mantelturbine dem Wind entgegengestellte Fläche ist in der Berechnung des Wirkungsgrades nicht einbezogen. Dennoch gilt auch hier, dass die als strömungsverstärkend wirksamen Komponenten kaum dem Verschleiß unterworfen sind, der ein entsprechend größerer Rotor ohne Ummantelung bei gleicher Leistung ausgesetzt wäre. Lediglich die statische Festigkeit des gesamten Aufbaus gegen den Wind muss hier konstruktiv ausreichend groß gehalten sein, so dass auch bei Sturm ein fester Stand gewährleistet ist. Bei dieser Technik wird bereits daran gedacht, die Mantelturbine in angepasster Form unter Wasser in Fluss- oder Meeresströmungen zu nutzen, weil hier die Rotorwelle mit Generatoranschluss über Wasser geführt werden kann, was das Eindringen von Wasser in die dafür empfindlichen Komponenten ausschließt.

Siehe auch

• Windkraftanlage
• Darrieus-Rotor
• Horizontalwindmühle

Literatur

• Heinz Schulz: Der Savonius-Rotor. Ökobuch Verlag, Staufen 2002, ISBN 3-922964-48-6

Weblinks

• http://www.oekokosmos.de/article/articleview/653/1/21?PrintableVersion=enabled
• http://tmawind.com/ Hersteller von Savonius-Anlagen mit zugestellten passiven Leitflächen zur konzentrierten Einlenkung der Strömung

Quellhinweise

1. ↑ Homepage des Herstellers: Mantelturbine zum Einlenken konzentrierter Strömung in einen Savonius-Rotor, Anlagen mit 1–5 kW. energy-age wind ltd. & Co. KG, 13. August 2008. Abgerufen am 13. August 2008.