Windside-roottori

Windside-tuuliturbiini eli tuuliruuvi on suomalaisen Risto Joutsiniemen 1980-luvun alussa kehittelemä kierretty versio Savonius-roottorista.

Roottorin rakenne

Windside-tuuliroottorin rakenteen pääkomponentteina on kaksi poikkileikkaukseltaan lähes puoliympyrän muotoista spiraaliksi pituussuunnassa kierrettyä siipeä. Nämä sijaitsevat kiertosymmetrisesti pystysuoran akselin suhteen. Siipi on kolmidimensionaalisesti käyristynyt ohut kuori. Siivet kiinnittyvät keskiakseliin ja tasapainottavat toistensa keskipakovoimat.
Windside ei tarvitse päätylevyjä, kuten Savonius-tuuliturbiini. Savonius-tuuliturbiinin hyötysuhde paranee noin puolella päätylevyjen ansiosta, mutta Windsidessa se vain huonontaa asiaa, koska tuuli ei pääse kiertymään ylä ja alapuolelta.
Roottori voidaan laakeroida joko ulokkeeksi tai tukea molemmista päistään. Rakenteen oma paino vastaanotetaan aksiaalilaakerilla. Tuulen vaikutuksesta roottoriin syntyy tuulen suuntainen vastusvoima ja kohtisuorassa oleva vääntömomentin aikaansaava nostovoima. Nämä vastaanotetaan radiaalilaakerien avulla. Siipien kierrosta johtuen siiven poikkileikkaukseen kohdistuvasta aerodynaamisesta voimasta syntyy myös pystysuora komponentti, joka kevittää rakenteen painoa. Tähän mennessä on tehty vain pieniä Windside -tuuliroottoreita. Suurimmat tähänastiset ovat olleet halkaisijaltaan 2 m ja korkeudeltaan 6 m, eli projektiopinta-alaltaan 12 m2.  Periaatteessa kokoa voidaan kasvattaa skaalaamalla kaikkia mittoja säilyttäen geometria muuttumattomana. Koon kasvattaminen vaikuttaa kuitenkin moniin sekä aerodynaamisiin että rakenteellisiin tekijöihin.

Windside maailmalla

Windside-turbiinit on kehitetty toimimaan itsenäisinä yksikköinä vaikeissakin sääoloissa. Turbiineja on käytössä muun muassa Etelämantereella ja meriolosuhteissa eri puolella maailmaa.
Roottorin hyötysuhde on parempi kuin millään muulla tunnetulla pystyakselisella roottorilla. Sen hyötysuhde on parempi kuin potkurimalleilla, kun tuulen nopeus on alle 5 m/s. Tämän vuoksi Windside-tuulivoimala tuottaa sähköä noin 120 päivää vuodessa enemmän kuin potkurivoimalat. Tällä on merkitystä silloin, kun laitteisto mitoitetaan siten, että tuulen nopeudella 3 m/s tuulen energia riittää tyydyttämään energiatarpeen. Windside-voimala alkaa tuottaa sähköä tuulen nopeudella 2 m/s, kun taas potkurimallit tarvitsevat tuulen nopeudeksi vähintään noin 3-4 m/s.

Aerodynaaminen toiminta

Tuuliroottorin aerodynaamiseen toimintaan koko vaikuttaa Reynoldsin luvun kautta lähinnä vastuskomponenttiin, jos geometrinen muoto ja väliaine - ilma - ovat samanlaiset. Esimerkiksi 10 m/s tuulella 1 m halkaisijaisen tuuliroottorin Reynoldsin luku on noin 660 000. Koska Windside-roottorin siiven kehänopeus on aina lähes sama kuin tuulen nopeus, ainoastaan halkaisija vaikuttaa Reynoldsin lukuun. Tällä Reynoldsin lukualueella yli kymmenkertainen mittojen kasvatus ei vaikuta vielä merkittävästi roottorin aerodynaamiseen toimintaan. Reynoldsin luvun kasvaessa on todennäköistä pieni vähennys vastuksessa ja pieni lisäys nostovoimassa. Nämä molemmat tekijät parantavat suuren roottorin toimintaa.

Keskipakovoimat

Windside-tuuliroottorin kehänopeus pysyy lähes muuttumattomana ( = tuulen nopeus ) halkaisijasta riippumatta. Näin ollen siiven pinta-alayksikköön kohdistuvat keskipakovoimat ( v potenssiin kaksi/r ) pienenevät halkaisijan kasvaessa. Keskipakovoimien suhteen tilanne on sitä edullisempi mitä isompi roottorin halkaisija on. Pyörteiden irtoaminen sylinterimäisen rakenteen takana, Kármánin pyörrerata, aiheuttaa jaksollisia kuormia rakenteeseen. Näiden taajuus f = 0,2 V/D, jossa V on tuulen nopeus ja D rakenteen halkaisija. Esimerkiksi 10 x 40 m roottorilla 40 m/s tuulessa f = 0,8 Hz. Taajuus laskee halkaisijan kasvaessa tai tuulen nopeuden hidastuessa, mutta sama riippuvuus on myös Windside-roottorin pyörimisnopeudella. Siten koosta riippumatta ominaisvärähtelyjä vastaan jäykistetyn roottorin resonanssiin ei pitäisi olla mahdollista. Toisaalta pyörreradan aiheuttamien värähtelyjen haittaa vähentää myös Windside-roottorin spiraalimainen muoto, mikä estää pyörteen irtoamisen samanaikaisesti koko roottorin korkeudelta.

Suuret Windside-tuuliturbiinit

Tutkimuksissa on käynyt ilmi, että aerodynaaminen toiminta paranee, mutta rakenteen muodonmuutokset ja jännitykset kasvavat sekä ominaisjaksot pienenevät. Rakennetta on helppo jäykistää, jolloin muodonmuutokset saadaan rajattua ja ominaisjaksoluvut riittävän suuriksi resonanssin synnyn estämiseksi. Näillä edellytyksillä Windside-roottori voidaan toteuttaa hyvinkin suurena, esimerkiksi 50 x 200 m.