Flügel

 

Die Flügel der Windturbine sind die eigentlichen Kraftwandler  mit einer sehr fein abgestimmten aerodynamischen Geometrie. Sie bestimmen zum großen Teil die Leistung, das Anlaufverhalten, die Laufruhe und Sturmfestigkeit der ganzen Anlage und müssen vielen Anforderungen gerecht werden - einerseits den starken Flieh- und Biegekräften bei Sturm standhalten, aber genauso bei Schwach- und Normalwind eine möglichst anliegende Strömung über die  gesamte Spannweite erreichen. Jeder Strömungsabriss durch eine ungenaue Profilierung führt unmittelbar zu Drehmomentverlusten und größerer  Geräuschentwicklung durch ungewollte Luftverwirbelungen. 
Dennoch gibt es keine absolute Idealform - jedes Profil und und jede Auslegung (Starkwind, Schwachwind, Schnelllaufzahl...) hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, und auch der Wind kommt nie verwirbelungsfrei immer genau von vorne. Insofern gibt es auch hier, trotzt guter theoretischer Grundlagen, noch einigen Spiel- und Experimentierraum für kleinere Anpassungen. 

Profil

Kleine Baugrößen erfordern grundsätzlich eher flache Profile. Gleichzeitig muß aber auch eine gewisse Profildicke gegeben sein, um die nötige Festigkeit zu erreichen.


Als guter Kompromiss kommt das bewährte Tragflächenprofil NACA 4412 zum Einsatz. Dessen relativ flacher und unsymmetrischer Verlauf (unten glatt, oben gewölbt), erreicht bereits bei kleinen Reynoldszahlen (kleine Baugröße, kleine Drehzahlen), sehr gute Auftriebswerte, wo bei anderen Profilen oftmals noch die Strömung abreißt.

Die Schnelllaufzahl wurde mit 5,7 auf einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt, bei gleichzeitig moderater Drehzahl, gutem Anlaufverhalten und geringer Geräuschentwicklung. 

Zusätzlich wurden die Blattwinkel zur Spitze hin um 3 Grad herausgedreht (so dass die Strömung flacher auf die Profilunterseite trifft), was sich günstig auf das Böenverhalten (weniger Windwiderstand bei minimalen Auftriebsverlusten) auswirkt und die Geräuschentwicklung (weniger Verwirbelungen) nochmal weiter reduziert. Die abgerundeten Flügelspitzen vollenden einen möglichst sanften Strömungsaustritt.

Sämliche Geometrieberechnungen wurden nach 'Schmitz' ausgeführt und binden alle bekannten aerodynamischen Aspekte (reduzierte Windgeschindigkeit vor dem Rotor, Drallverluste und Flügelstreckung) mit ein. 

Fertigung

Die Flügelgeometrie wird zunächst mit einem geeigneten CAD/CAM-System modelliert (hier selbstprogrammiert).  

Als Ausgangsmaterial kommt gewöhnliches, sägeraues und möglichst astarmes  Fichtenholz zum Einsatz. Genauso gut können aber auch andere Holzarten verwendet werden wie z.B. Esche oder Lärche, die besonders wetterfest und auch längsstabil ist.

Mittels einer 3D-CNC-Portalfräsmaschine (idealerweise mit Drehachse) wird die Flügelkontur beidseitig aus dem Brettabschnitt mit einem Radienfräser gefräst. Anschließend folgt maschinengestützt und/oder von Hand ein genauerer Nachschliff.

Durch die Trennung von Nabe und einsteckbaren Flügeln, fällt sehr viel weniger Verschnitt und Fräsarbeit am Flügel an, als wenn - wie im Propellerbau oft üblich - die relativ dicke Nabe aus dem inneren Flügelschaft zusammengesetzt wird (entsprechen dick muss das Rohmaterial sein). Der Energie-und Materialeinsatz wird dadurch minimiert.

Um die enormen Fliehkräfte bei Sturm (bei 2000U/min bereits ca. 140 Kg pro Flügel!) sicher abzufangen, ist am Ende des Flügelschafts ein hölzerner Querstift eingebracht. Die auftretenden Schubkräfte an den Durchsteckschrauben, werden somit über einen wesentlich größeren Bereich verteilt und die Abscherfläche des Holzes deutlich erhöht. 

Der Einsatz von CNC-Technik hat den großen Vorteil, immer wieder problemlos Optimierungen an der Form vornehmen zu können. Ist dagegen eine sehr teure Spritzgußform für Kunststoffe erst einmal gebaut, wird jede Nachjustierung meist unmöglich. Mit computergesteurten Verfahren ist man auch grundsätzlich flexibler. Die modellierten Freiformflächen können digital beliebig vervielfältigt und weltweit parallel produziert werden.