Flettner-Rotor

Der Antrieb der E-Ship 1 wird durch vier Flettner-Rotoren verstärkt
Vortrieb am Schiff

Der Flettner-Rotor ist ein der Windströmung ausgesetzter rotierender Zylinder. Er wirkt wie ein Segel und erzeugt durch den Magnus-Effekt eine Kraft quer zur Anströmung. Benannt ist er nach Anton Flettner, der ihn als Schiffsantrieb patentieren ließ.

Der Flettner-Rotor kommt vor allem bei Rotorschiffen zur Anwendung. Ein alleiniger Rotorantrieb ist grundsätzlich nicht möglich, da er bei fehlendem Wind keinen Vortrieb und auch keine Manövrierfähigkeit sichert.

Der Flettner-Rotor ist nicht mit dem Flettner-Doppelrotor des gleichen Erfinders zu verwechseln, einer Rotorkonfiguration für Hubschrauber.

Aufbau

Magnus-Effekt am Flettner-Rotor

Als Schiffsantrieb besteht ein Flettner-Rotor aus einem senkrecht stehenden, hohen, rotierenden Zylinder aus Blech oder aus Verbundwerkstoffen, dessen größere Endscheiben die Strömung am Rohr halten und dadurch eine sonst deutliche Verringerung des Wirkungsgrades am Ende des Rotors verhindern. Der Rotor wird mit einer an die herrschende Windgeschwindigkeit angepassten Geschwindigkeit gedreht. Üblich ist ein elektrischer Antrieb.

Prinzip

Kräfte am Flettner-Rotor
Kurse zum Wind eines Rotorschiffs

Bläst Wind gegen einen rotierenden Zylinder, so wird die Luft beschleunigt, wo Drehsinn des Zylinders und Windrichtung zusammenkommen. Auf der gegenüberliegenden Zylinderseite wird sie abgebremst, strömt also langsamer. Dies erzeugt Unterdruck (schnellere Strömung) und Überdruck (verlangsamte Strömung), in Summe also eine quer zur Strömung wirkende Kraft (dynamischer Auftrieb, in der Grafik F), ähnlich wie an einem stehenden (Flugzeug-)Tragflügel, doch mit weitaus besserem Wirkungsgrad – rund dem Zehnfachen eines Segels oder starren Tragflügels mit gleichem Windwiderstand. Diese (Teil-)Kraft wirkt in die Richtung, in der Strömungsrichtung und Drehrichtung des Körpers gleichsinnig sind, und hängt (wie letztlich die Fahrgeschwindigkeit) von der Anströmungsgeschwindigkeit, der Drehgeschwindigkeit des Rotors und entscheidend auch vom Verhältnis beider zueinander ab. Die Geschwindigkeit der Rotoroberfläche liegt oft etwa beim Drei- bis Vierfachen der Windgeschwindigkeit, um einen sehr effizienten Antrieb zu ermöglichen, was bei Schiffsantrieben bisher im Bereich von ca. 100 Umdrehungen pro Minute lag.

Eine Änderung der Drehrichtung des Rotors bewirkt die Umkehrung der dadurch erzeugten Kraftkomponente F2. In jedem Fall aber wirkt eine zweite Kraftkomponente, die aus dem Widerstand entsteht, in Strömungsrichtung: F1. Die Summe (Resultierende R) dieser beiden Teilkräfte wird genutzt.

Die durch die Rotation erzeugten quer zum Wind wirkenden Antriebskräfte der Rotoren leisten, wie normale Segel, keinen Vortrieb bei Im-Wind-Kursen und – im Gegensatz zu normalen Segeln – auch kaum bei Kursen vor dem Wind.

Die Drehzahl des Rotors muss mit der Windgeschwindigkeit gesteigert werden, sodass bei hoher Windgeschwindigkeit auch hohe Antriebsleistung für die Rotoren bereitzustellen ist, jedoch bei geringer Windgeschwindigkeit ein verhältnismäßig größerer Aufwand für das Betreiben der Rotoren anfällt.

Sigurd Savonius forschte daran, die Zylinder mit Windkraft anzutreiben und erfand und entwickelte dabei den Savonius-Rotor. Für den Antrieb wäre auch eine andere Windturbine mit vertikaler Welle geeignet.

Auch Laurence J. Lesh tüftelte an einem Rotorschiff mit vom Wind angetriebenen Rotoren. Der Lesh-Rotor war ein linsenförmiges aerodynamisches Profil, das nicht selbst in Rotation kommen konnte, sich aber in beide Rotationsrichtungen starten ließ. Nach Modellversuchen versprach der Rotor nahezu viermal mehr Vorschub als ein Segel. Mit dem Rotor konnte auch eine Halse gefahren werden ohne den Rotor umzubauen, wie beim Savonius-Rotor oder anderen Turbinen mit vertikaler Achse nötig. Die Profile ließen sich bei höheren Windgeschwindigkeiten aber auch ganz anhalten und wie ein Segel nutzen. Ein Versuchsboot für einen Rotor in Originalgröße wurde 1933 in Chicago gebaut.

Nach Erfahrungen des Betreibers Norsepower lässt sich bei Nutzung eines modernen Flettner-Rotors in Leichtbauweise mit einer elektrischen Leistung von weniger als 90 kW für die Elektromotoren des Rotors eine konventionelle Maschinenleistung von bis etwa 3 MW ersetzen.

Verwendung

Rotorschiffe wurden zuerst während der 1920er Jahre und von Flettner selbst entwickelt, konnten sich allerdings nicht durchsetzen und verloren in den Jahren nach 1930 den wirtschaftlichen Konkurrenzkampf gegen Wärmekraftmaschinen (Dampfmaschinen und -turbinen sowie Dieselmotoren) in gleichem Maße wie die Segelantriebe.

Anfang der 1980er Jahre entwickelten Lucien Malavard, Bertrand Charrier und Jacques-Yves Cousteau ein neues Segelprinzip basierend auf dem Magnus-Effekt. Cousteau ließ 1982 den Katamaran Moulin à Vent mit einem Prototyp des Segels aus einem senkrechten Rohr mit länglich-elliptischem Querschnitt ausstatten. 1985 lief das Forschungsschiff Alcyone mit zwei Segeln aus senkrechten elliptischen Rohren vom Stapel. Das Segelsystem mit dem Namen Turbovoile bzw. Turbosail ist als Hilfsantrieb konzipiert. Anstatt wie der Flettner-Rotor zu rotieren und dadurch den Bereich niedrigen Luftdrucks möglichst lange an der Oberfläche zu halten, wurde der Wirkbereich des schnelleren Luftstroms auf der Lee-Seite durch einen Strömungsabweiser und eine Saugvorrichtung zum Absaugen der Turbulenzen hinter dem Abweiser maximiert. Für die Calypso II war ein Turbovoile mit nahezu eiförmigem Querschnitt vorgesehen, das Schiff wurde aber nie gebaut.

Am 2. August 2008 lief in Kiel das E-Ship 1 vom Stapel, das echte Flettner-Rotoren in bis zu diesem Zeitpunkt nicht genutzter Größe verwendet. Die Flettner-Rotoren sind nicht nur Hilfsantrieb, sondern wirken mit ihren Drehimpulsen auch als Schiffsstabilisatoren.

Heutzutage werden Flettner-Rotoren bei Schiffen als Zusatzantrieb verbaut, um einen energiesparenden Hybridantrieb zu bilden.

In Japan laufen drei Kleinwindkraftanlagen mit Flettner-Rotoren.

Schiffe

Buckau 1924, erstes Schiff mit Flettner-Rotoren
Flettners Rennyacht
Zwei der vier Flettner-Rotoren der E-Ship 1
Die Plymouth A-A-2004, ein Wasserflugzeug mit Flettner-Rotoren an Stelle von Tragflächen

Flugzeuge

Der Flettner-Rotor erzeugt eine Kraft senkrecht zur Richtung der anströmenden Luft. Das bedeutet, dass er als Tragfläche für ein Flugzeug eingesetzt werden kann. Bei gleicher Anströmgeschwindigkeit erzeugt ein Flettner-Rotor sogar einen deutlich höheren Auftrieb als ein starres Profil. Dies erlaubt eine besonders geringe Fluggeschwindigkeit. An Flugzeugmodellen mit etwa einem Meter Spannweite erwies sich dieses Prinzip als funktionsfähig. Die Modelle zeigten jedoch auch Probleme in Bezug auf die Fluglage: Die Corioliskraft der Rotoren koppelt Drehungen um die Hochachse mit Drehbewegungen um die Rollachse.

Ein Problem ist, dass ein Flettner-Flugzeug beim Ausfall des Rotorantriebs keinen Auftrieb mehr hat und abstürzt.

Etwa 1930 wurde mit der Plymouth A-A-2004 (Zulassung 921-V) der Prototyp eines Wasserflugzeuges mit Rotoren statt Tragflächen gebaut. Es ist jedoch nicht klar, ob dieses Flugzeug jemals geflogen ist. Konstruktionen für Menschen tragende Flugzeuge nach diesem Prinzip werden gelegentlich vorgeschlagen, haben jedoch bisher nicht das Stadium eines flugfähigen Prototyps in voller Größe erreicht.

Windkraftanlagen mit horizontaler Achse

Windkraftanlagen dieses Typs, auf Englisch Magnus Wind Turbine (MWT) oder aktuell präziser Magnus Horizontal Axis Wind Turbine (Magnus HAWT) genannt, wurden mit zwei bis fünf Flettner-Rotoren anstatt Flügeln ausgestattet. Die polnische Windkraftanlage Acowind A-63 hat drei Flettner-Rotoren. Sie war die Demonstrationsanlage eines geplanten Windparks. Die Anlage wurde stillgelegt und das Gesamtprojekt beendet, weil Anlage und geplanter Windpark in einem Naturschutzgebiet liegen. Nach vielen Jahren Entwicklung und etlichen Prototypen laufen in Japan zwei Kleinwindkraftanlagen mit horizontaler Achse und je fünf oberflächenoptimierten Flettner-Rotoren.

Windkraftanlagen mit vertikaler Achse

Auf Englisch werden sie Magnus Vertical Axis Wind Turbine (Magnus VAWT) genannt. Die Anlagen dieses Typs werden seit 2011 entwickelt um Taifune, Hurricanes wie auch Zyklone zu überstehen, wodurch sie die nicht weiter definierte Klasse Typhoon-Proof Wind Turbine erreichen. Die Vorserienmodelle wurden mit drei Rotoren ausgestattet und waren für Wind mit bis 340 km/h (etwa 90 m/s) ausgelegt. Eine Testanlage mit 1 kW sollte bei beliebigen Typhoon-Windgeschwindigkeiten (über 118 km/h bzw. 32 m/s) immer noch Strom produzieren, konnte dies aber während der Testdauer nicht unter Beweis stellen. Eine Vorserien-Demonstrationsanlage mit 10 kW hatte drei Rotoren und wurde auf der südlichsten japanischen Insel im Taifun-Gebiet (englisch typhoon alley) erprobt. Der Turm bekam nach der Testphase einen neuen Kopf mit nur zwei Rotoren und optimierten Luftleitflügeln, wie er für die patentierten kommerziellen 10 kW-Anlagen konstruiert wurde. Kontrolliert werden die Magnus VAWT über Internet per Satellit. Eine zweite Demonstrationsanlage, die der kommerziellen 10 kW-Version entspricht, wurde auf den Philippinen errichtet, wo sie statistisch näher an einem vorbeiziehenden Taifun-Auge arbeitet. Die Anlagen können allen Windstärken außer der Hurricane Kategorie 5 (über 252 km/h) schadlos widerstehen und produzieren Strom bis Windgeschwindigkeiten von 144 km/h (40 m/s). Bislang wurde die Anlage auf den Philippinen während eines Taifuns durch herumfliegende Trümmerteile getroffen und für kurze Zeit abgeschaltet (Stand 2022).

Literatur

Commons: Flettner-Rotoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Patent DE420840C: Verfahren zur Erzeugung des Quertriebes an Quertriebskoerpern, z. B. an Segeln von Schiffen. Angemeldet am 29. Juli 1923, veröffentlicht am 4. November 1925, Anmelder: N. V. Instituut voor Areo- en hydro-dynamiek in Amsterdam.‌
  2. 1 2 Patent US1674169A: Arrangement for exchanging energy between a current and a body therein. Angemeldet am 18. Juli 1924, veröffentlicht am 19. Juni 1928, Anmelder: Instituut voor Aero- en Hydro-Dynamiek, Erfinder: Anton Flettner.‌
  3. ↑ New Rotor Ship Sails in Lightest Wind. In: Popular Science. Juli 1933, S. 45 (englisch, blog.modernmechanix.com (Memento des Originals vom 8. Januar 2019 im Internet Archive) [JPG; abgerufen am 7. Januar 2019]).
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  40. ↑ Wolfhart Fabarius: Schub fur Flettner-Rotor · Leistung höher als erwartet · Bis zu 20 Prozent weniger Treibstoff · Geeignet für Schiffe mit freier Decksfläche. In: Täglicher Hafenbericht, 6. Dezember 2019, S. 3
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  44. ↑ Neubau für Viking Line erhält den Namen Viking Glory: Flettner-Rotoren werden zunächst nicht installiert. In: SeereisenMagazin, Ausgabe 3/2019 (Mai-Juni). Seereisenmagazin Medien, 1. Mai 2019, abgerufen am 17. Juli 2018.
  45. ↑ André Germann: Umweltpaket für „Viking Glory“. In: Täglicher Hafenbericht. 29. Oktober 2019, abgerufen am 1. Februar 2020.
  46. ↑ Scandlines installiert Rotorsegel von Norsepower an Bord der Hybridfähre „Copenhagen“. Pressemitteilung Scandlines, 14. August 2019, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 14. Februar 2017; abgerufen am 28. August 2019.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  47. 1 2 Scandlines: Scandlines bereitet nächstes Fährschiff für ein Norsepower Rotorsegel vor. (Pressemitteilung). In: mynewsdesk. Scandlines Deutschland, 3. August 2021, abgerufen am 24. Oktober 2021.
  48. ↑ Erstes klappbares Rotorsystem · Norsepower rüstet RoRo-Frachter nach. In: Täglicher Hafenbericht vom 9. Juli 2020, S. 1
  49. ↑ Behrend Oldenburg: So klappt's auch mit dem Rotor · Norsepower hat 24 Jahre alten Ro-Ro-Frachter nachgerüstet. In: Täglicher Hafenbericht vom 2. Februar 2021, Sonderbeilage SSM Hamburg, S. 5
  50. ↑ Eckhard-Herbert Arndt: 3400 Tonnen CO2 einsparen · Flettner-Rotoren von Norsepower auf neuem Erzfrachter installiert. In: Täglicher Hafenbericht vom 17. Mai 2021, S. 1
  51. ↑ Rotorsegel auf Scandlines-Fähre „Berlin“ installiert. Olaf Lüder, 17. Mai 2022, abgerufen am 26. Juli 2022.
  52. ↑ Video von einem Flugmodell mit Flettner-Rotor als Tragfläche
  53. ↑ Krzysztof Baranowicz: Silniki Wiatrowe: Wiatraki Z Rotorami Magnusa. In: Darmowa Energia. Fundacja Ekorozwoju (KRS 0000178876), 2. August 2001, abgerufen am 4. April 2019 (polnisch).