Der Thom - vs. Flettnerrotor als Alternative zum Segel

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Reinhold Kellermann
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Der Thom - vs. Flettnerrotor als Alternative zum Segel

Ungelesener Beitragvon Reinhold Kellermann » 26. April 2010, 15:07

Im breiten Raum der Öffentlichkeit taucht immer wieder die Frage auf, ob eine Idee, eine Erfindung zu früh oder zu spät kam. In der Fachwelt stellt sie sich nicht, denn mit den Fortschritten der Technik lassen sich Jahrzehnte später leicht beweisen, ob und wie nützlich der Einsatz einer alten Technik sein kann. Dabei ist es gleichgültig, ob es sich zum Beispiel um ein Luftschiff NT (neuer Technologie) oder ein Flettner Rotorschiff handelt, das im kommenden Jahr in Dienst gestellt werden soll und den Projektnamen „E-Ship“ trägt.
In der Notwendigkeit, einen vom Wind betriebenen Antrieb für meinen Katamaran zu finden, kam ich über einige Umwege – die ich aber nicht missen möchte – zuerst zum Flettnerrotor und dann zum Thomrotor. Ausschlaggebend waren auch die leichte Bedienbarkeit mit kleiner Seemannschaft und letztlich auch der Kostenfaktor im Vergleich mit einem traditionellen Rigg mit den teuren Hightech-Segeln zu einem drehendem „Rohr“ in Sandwichbauweise. Der Flettnerrotor ist für Insider ein bekannter Windantrieb und eine Standardübung für Lehramtskandidaten Physik und mit brauchbaren Untersuchungen versehen.

Anton Flettner und sein Weg zum Windkraftschiff

Um jeden Zweifel von vornherein auszuräumen: Das Flettnersche Windkraft- oder Rotorschiff BUCKAU ist ein Segelschiff mit Hilfsantrieb, also ein Motorsegler gewesen. Der Flettner-Rotor ist ein alternativer aerodynamischer Antrieb, seine Projektion eine alternative Segelfläche. Wenn heute von Schiffen mit Flettner-Rotoren gesprochen wird, handelt es sich meist um Motorschiffe mit einem Segel-Hilfsantrieb, der Kraftstoff sparen soll. Die Rotoren haben die Wirkung von Segeln, verbunden mit den Vorteilen, dass sie nur etwa ein Zehntel der Fläche eines vergleichbaren Segelschiffes benötigen und dass zur Bedienung keine Mannschaft erforderlich ist. Sie bieten darüber hinaus Vorteile hinsichtlich der Stabilität des Schiffes und bilden bei Sturm keine Gefahr, da ihre projizierte Fläche kleiner ist als die einer entsprechenden Takelage.
Zur Zeit des großen Erfolgs von Anton Flettner gab es ungläubiges Staunen und Zweifel darüber, was diese Schiffe bewegt. Ludwig Prandtl, Leiter der Aerodynamischen Versuchsanstalt in Göttingen, schrieb dazu in einem umfassenden Beitrag zur Erläuterung des Magnus-Effektes und dessen Nutzung zum Antrieb von Schiffen, der in der Zeitschrift „Die Naturwissenschaften“ 1925 erschien: „Das Flettnersche Windkraftschiff, das durch eine ungewöhnliche Zeitungspropaganda in aller Munde ist, hat die Strömungslehre, die bis dahin ein bescheidenes Dasein, beschränkt auf den engeren Kreis der Fachleute geführt hatte, plötzlich in den Vordergrund des allgemeinen Interesses gerückt; der wunderliche ‚Flettner-Rotor’ zeigte nämlich ein Verhalten, das man sich mit den überkommenen Anschauungen über den Winddruck schlechterdings nicht erklären konnte, sollte doch der rotierende Zylinder dieselben Kraftwirkungen hervorbringen, wie ein Segel mit 10 bis 15 mal so großer Ansichtsfläche.“

Flettner suchte ursprünglich nach einer Alternative zu konventionellen Segeln, deren Bedienung sehr personalaufwendig war und viel Zeit erforderte. Das Segel bot folglich keinen wirtschaftlichen Schiffsantrieb mehr, von dem er in seinem Buch „Mein Weg zum Rotor“ schreibt, dass er „jederzeitige schnelle Bereitschaft, einfache Bedienung, kleine Bedienungsmannschaft“ bieten muss. Mit einem Hilfsruder ausgestattete Metallsegel sollten die „alten Segel“ ersetzen. Da symmetrische Profile nicht soviel Auftrieb bewirken wie unsymmetrische, schlug Flettner sogar Metallsegel mit veränderlichem Profil vor. Wie Prandtl schreibt, erreichten konventionelle Segel im Vergleich zu Metallsegeln etwa 80 Prozent der Kräfte. Somit mussten letztere im Vergleich deutlich größer werden, um konventionelle Segel abzulösen. Da zudem eine Havarie des Hilfsruders nicht auszuschließen war, blieb das Sturmrisiko bestehen. Die Metallsegel mussten bei Sturm mit dem Hilfsruder zuverlässig in Windrichtung gebracht werden, um eine möglichst kleine Angriffsfläche zu bieten.
Auch für die mit dem Zylinder umlaufenden Scheiben am oberen und unteren Ende erhielt er die zur Optimierung der Rotoranlage notwendigen Hinweise. Ohne auf die Details näher einzugehen, wird schnell deutlich, welchen Einfluss die Scheiben haben, wenn man nur den Auftriebsbeiwert ohne und mit Scheiben vergleicht. Zu Zeiten Flettners erreichte ein Zylinder ohne Scheiben einen Auftriebsbeiwert von ca = 4 und der Zylinder mit Scheiben einen
ca-Wert von 10!
Neben zahlreichen Versuchen mit Zylindern wurden recht bald Windkanalversuche mit einem Modell des geplanten Rotorschiffes BUCKAU und dem eines vergleichbaren Zweimastschoners durchgeführt, deren Segelflächen im Verhältnis 1:9,8 standen. Vermutlich um schon einen Vorgeschmack auf den praktischen Einsatz und die Vorteile des Rotors gegenüber dem klassischen Segel zu geben, weist Prandtl ausdrücklich auf die aufwendige Segeleinstellung für die verschiedenen Versuchsreihen hin, wohingegen beim Rotormodell nur die Umfangsgeschwindigkeit der Rotoren einer Änderung der Windgeschwindigkeit anzupassen war, um den gleichen Effekt zu erzielen. Er versäumt auch nicht darauf hinzuweisen, dass viele Schiffe schlecht gesegelt wurden, weil häufig aufwendige Segelmanöver zu spät oder gar nicht ausgeführt wurden. Mit dem Rotor muss beim Wendemanöver nur seine Drehrichtung geändert werden. Und mit entgegengesetzt drehenden Rotoren kann ein Schiff mit zwei oder mehr Rotoren sogar auf der Stelle drehen. Dazu genügt eine geringe Windgeschwindigkeit. „Gerefft“ wird beim Rotorschiff mit der Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors bis die Vortriebskraft bei Umfangsgeschwindigkeit null ebenfalls null ist. Der Luftwiderstand nicht drehender Rotoren ist geringer als der einer vergleichbaren Takelage. Die Buckau erhielt zwei aus einer Art Fachwerk bestehende, mit 1 bis 1,5 mm dickem, verzinktem Stahlblech bekleidete Rotoren von 2,8 m Durchmesser und 15,6 m Höhe. Die Projektion beider Rotoren von zusammen 87,4 qm entsprach somit knapp einem Zehntel der ursprünglichen Segelfläche von 883 qm. Das Hauptlager war in etwa 13 Metern Höhe über dem Hauptdeck auf einem freistehenden „Tragmast“ angeordnet und hatte sowohl den Winddruck, als auch das Gewicht des Rotors als Last aufzunehmen. Ein zweites Lager war auf Deck als Führungslager angeordnet. Für den Antrieb wurden umkehrbare 220-Volt-Gleichstrom-Nebenschlußmotoren von 11 kW Wellenleistung verwendet. Die Leistungsübertragung auf den Zylinder erfolgte mit einem Getriebe (i = 6) am oberen Lager, das die Drehzahl des Rotors auf maximal 140 min-1 herabsetzte. Für die Stromerzeugung wurde ein zusätzliches Bordaggregat mit einem Gleichstromgenerator in Leonard-Schaltung installiert, dessen Dieselmotor eine Leistung von 45 PS hatte.

BUCKAU segelte mit den Rotoren bei entsprechenden Windbedingungen schneller als mit konventionellem Rigg und konnte mit fast 20 bis 30° („2 bis 2 ½ Strich“) deutlich höher an den Wind gehen und das bei geringster Krängung. Sie hatte eine überraschend gute Manövrierfähigkeit und ließ sich sogar rückwärts segeln. Wie Flettner schreibt, haben die Versuchsfahrten die Göttinger Messergebnisse in vollem Umfang bestätigt. Übereinstimmend berichten mehrere Autoren als besonders bemerkenswert die Tatsache, dass an Bord weder nennenswerte Geräusche noch Schwingungen zu beobachten waren, wenn die Rotoren drehten. Unter guten Voraussetzungen lief sie nur von den Rotoren angetrieben 8,5 kn, gegenüber 7,5 kn unter Maschine. Dabei betrug die Leistungsaufnahme der Rotorantriebe zusammen nur 32 PS.

Anders verhält es sich beim Thomrotor. Wie Norwood schreibt, gibt es keine einzige (!!) Anwendung außer die im experimentalen Labor in den 30-iger Jahren des vergangenen Jahrhunderts, obwohl die Ergebnisse zeigen, dass der Vergleich mit dem Flettnerrotor und insbesondere mit Segeln, wingssails und Tragflächen eine überraschend leistungsfähige „Turbine“ für den Yachtbau erfunden wurde. J. Costeau hat sich in den 70-iger und dann sein Sohn ein Jahrzehnt später mit einem modifizierten Flettnerantrieb einen Katamaran gebaut. Inwieweit diese Konstruktionen erfolgreich waren, kann hier nicht verifiziert werden.
Eine sehr interessante Optimierungsform des Fletter-Rotors scheint allerdings fast völlig in Vergessenheit geraten zu sein, denn der schottische Ingenieur Alexander Thom berichtet schon 1934 in dem Aeronautical Research Committee Report and Memoranda No. 1623 der Cranfield University, daß viele große Scheiben an einem Flettner-Rotor dessen Leistung beträchtlich anheben. Aus einem maximalen Auftriebsbeiwert des Flettner-Rotors von ca. 12 wird mit Thom-Scheiben ein Auftriebsbeiwert von 20 errechnet - bei einem Sechstel des Widerstands. Dies entspricht einer Verzehnfachung der Gesamtleistung.

ENERCON Transportschiff, E-Ship 1

Neben vielen anderen Innovationen ist das E-Ship 1 mit vier Segelrotoren (rotierende Zylinder) ausgerüstet, die von Elektromotoren angetrieben werden und in Verbindung mit dem vorbei streichenden Wind Schub erzeugen. Ähnlich einem klassischen Segel, nur zehnmal effektiver. Diese Technik wurde in den 1920iger Jahren von Anton Flettner bereits erfolgreich erprobt, verlor durch Einführung der Dieselmotoren damals jedoch schnell an Bedeutung.
ENERCON hat mit der Abteilung „Neue Technologien“ das Thema wieder aufgegriffen und nach ausführlichen Berechnungen, Tests mit einem Rotor an Land und Modellversuchen im Windkanal die Rotorentechnik weiter entwickelt – und nun mit dem E-Ship 1 in die Realität umgesetzt. „Die Rotoren werden gemeinsam mit anderen neuen Technologien an Bord den Brennstoffverbrauch und damit den Schadstoffausstoß des Schiffes pro transportierter Tonne im Vergleich zur konventionellen Schifffahrt entscheidend senken“, sagt Rolf Rohden, hauptverantwortlicher Entwicklungsingenieur und Projektleiter für das E-Ship 1.
Weiterführende und sehr anschauliche „private“ Pilotprojekte sind die Schiffe von Mr. Stephen Thorpe und Prof. Fiesser an der Flensburg Universität (uni-kat) die einen Mono bzw. eine Proa im Wasser haben und wie die Medien berichten, innovative Meilensteine sind. Es war mir erlaubt, mit der Proa einen Schlag in der Flensburger Förde zu machen und diese Erfahrung hat mir neue Kraft und Mut gegeben, die Übersetzung zu beginnen mit dem Ziel, einem breiteren Publikum einen Zugang zu schaffen.
Als diese Erfindung gemacht wurde, war die Regel- und Steuerungstechnik noch mehr mit mechanischen Elementen versehen und damit teuer und langsam. Im Vergleich zu heute können preisgünstige Mikrocontroller, Regler und Sensoren bereitgestellt und daher die „Segelarbeit“ einem autonomen Steuercomputer überlassen werden. Drehzahl, Drehrichtung, Stabilisierung der Schnelllaufzahl der Rotoren stehen für die neuen Stellgrößen im Segelsport. Kann man Wenden, Halsen am Stand drehen mit nur einem Joystick? Man kann.

Das war "nur" der Vorspann zu diesem Thema:

Ich suche Visionäre und Avanantgardisten, die sich ernsthaft mit der Erfindung auseinander setzen wollen. Gegenstand des Angebots sind die Konstruktionspläne, Berechnungen und Unterlagen für die Ausstattung eines Katamarans/Mono mit einem Flettnerrotor bzw. in der verbesserten Version des Thom-Rotors. Grundlage dafür ist die letzte Überarbeitung und Übersetzung von Dr. J. Norwood.

Es besteht die Möglichkeit, die bestehenden Entwürfe deinen Anforderungen anzupassen.

Alle Unterlagen können auch als Datei geliefert werden.

1 Zeichnungen als *.dwg, *.dxf

2 Texte und Unterlagen als *.doc

3 Berechnung als *.xls

4 Link und Bildersammlung

5 Konstruktionsentwurf für einen 46´ Katamaran

Mit freundlichen Grüßen
Reinhold Kellermann

zawi
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Re: Der Thom - vs. Flettnerrotor als Alternative zum Segel

Ungelesener Beitragvon zawi » 27. April 2010, 10:01

Eine Skizze wäre gut.
Als Charterkunde kann ich mir das nicht so gut vorstellen, wenn Segel plus Rotoren laufen. Beides behindert Platz und Komfort an Deck. Ich denke schon dass die mittlere Zukunft den Hybridschiffen gehört tippe aber eher auf Solar + X.
Gruß, zawi

Reinhold Kellermann
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Re: Der Thom - vs. Flettnerrotor als Alternative zum Segel

Ungelesener Beitragvon Reinhold Kellermann » 27. April 2010, 16:16

Hallo:
Besten Dank für das gezeigte Interesse am Flettnerrotor. Da eine Einbindung von Bildern hier nicht(?) möglich ist, so verweise ich vorläufig auf
http://picasaweb.google.de/114524164292839959394/InseratThomrotorEbay#

Das Thema ist in den letzten Jahren mit Zeichnungen, Texten und Software immer umfassender geworden so dass ich mir überlegt habe, ein Buch herauszugeben. Derzeit baue ich an einem 46" Wharram und dort sollen die beiden Rotoren kommen.
Die beiden Rotoren sind die "Arbeitstiere" das Segel eher ein Hinweis auf die Funktion. Die beiden Rotoren erreichen eine Leistung von 65 kW netto und brauchen den Vergleich mit einem 150 kW Diesel nicht zu scheuen.

Ich bitte um Verständnis, wenn die Detailzeichnungen nicht öffentlich sind und Berechnungen der Leistungsdaten vorerst ausgesetzt werden.

Mit freundlichen Grüßen
R. Kellermann

zawi
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Re: Der Thom - vs. Flettnerrotor als Alternative zum Segel

Ungelesener Beitragvon zawi » 30. April 2010, 12:47

Danke für den Link.
Zugegeben, die drehenden Rohre bzw. Rotoren haben schon Vorteile gegenüber den großen Segelflächen.
Vielleicht die Kombination Rohr + Solar als Hybridschiff der Zukunft?

Gruß, zawi

Reinhold Kellermann
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Re: Der Thom - vs. Flettnerrotor als Alternative zum Segel

Ungelesener Beitragvon Reinhold Kellermann » 30. April 2010, 16:51

Hallo:
Solar ja, aber hier muss man sich die Leistungs- bzw. Eneregiebilanz ansehen und die schaut eher schlecht aus. Nimmt man etwa 1000 (W) brutto für den Quadratmeter und die gesamte Energiekette bis zu Prop, dann kommt bestenfalls 80 Watt in den Vorschub. Für ein Boot, das für 30 kW diesel ausgelegt ist, kannst du dir die Fläche ausrechnen, die du brauchst. Als Komfortstrom ja bedingt, aber da rechne ich lieber mit dem Wind.

Mit freundlichen Grüßenhttp://www.yachtrevue.at/forum/posting.php?mode=reply&f=9&sid=d6d836728baf6a98974705e507104762&t=5852#
Reinhold

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Re: Der Thom - vs. Flettnerrotor als Alternative zum Segel

Ungelesener Beitragvon zawi » 3. Mai 2010, 11:51

Momentan ist man bei 4 Knoten für 10m Schiffslänge - rein solar:

http://www.greenlinehybrid.com/

Ist durchaus wert jede unbenützte Fläche auszunützen, besonders in Flauteregionen.
Wind ist natürlich eine gute Ergänzung um ganz vom Diesel wegzukommen.

Gruß, zawi

ulliPAUL
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Re: Der Thom - vs. Flettnerrotor als Alternative zum Segel

Ungelesener Beitragvon ulliPAUL » 27. März 2012, 21:53

Ich bin auch der Meinung, dass man den Flettner Rotor wieder beleben sollte.
Meiner Meinung nach könnte ein Rotor entwickelt werden, der vom Aufbau und den Kosten minimal ist.
Meine Vorstellung, ist ein eigenständige Entwicklung des Flettner Rotors, die auf jeden Segelfähigen Bootsrumpf aufgebaut werden könnte; wie ein Außenbord Motor an jedes Boot angeschraubt werden kann.
Die Energie um den Rotor zu drehen sollten Solarzellen aufbringen können. (Inzwischen hat man schon Solarzellen mit über 20% Leistung entwickelt, Stand Frühjahr 2012.) Das setzt voraus, dass zum einen die Masse des Rotors auf das notwendigste reduziert und die Lager so ausgelegt werden, dass minimalste Reibung erzeugt wird.
Die Arbeit von Reinhold Kellermann zu diesem Thema ist begeisternd. Ob er seine Steuerung der beiden Flettner-Thom-Rotoren als opensource Technologie zur Verfügung stellt? Das würde die Verbreitung des Rotors mit Sicherheit stark unterstützen. Den Rotor zu bauen können sich bestimmt viele vorstellen. Vor einer elektronischen Steuerung schrecken sicher viele zurück. (ich schließe mich da ein :oops: ) Damit fängt die Überlegenheit dieses Segelsystems aber erst an! vorwärts fahren - logisch, aber rückwärts fahren, seitlich einparken oder auf der Stelle drehen- revolutionär!
Ihr braucht noch eine Bonbon?
Ich stelle mir vor, ich habe die Solarzellen und natürlich auch ein paar Notbatterien die als Puffer bei Bewölkung oder Dämmerung hilft noch anzukommen. Ist jetzt einmal der Wind weg, hilft mir ein elektrischer Flautenschieber in den Hafen zu kommen. Zum einen habe ich entweder noch die Sonne oder zur Not die Akkus, die eigentlich für die Rotoren sind.
Ich bin dabei und finde hier hoffentlich ein paar Freunde, die auch mitmachen wollen.
Euer Ulli


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