Savonius-turbiinin pitkä korpivaellus

Savonius-turbiinista on kirjoitettu 20-luvun lopulta saakka lukuisia tieteellisiäkin artikkeleita Sigurd Savoniuksesta alkaen [1]. Hänellä itselläänkään ei ollut oikeaa kuvaa siitä, mikä Savonius-roottorin toiminnassa on keskeisintä. Tämä käy selvästi ilmi hänen yrityksistään verrata kaksisiipistä turbiinia kolmi- ja nelisiipisiin. Hänen kaikissa kaksisiipisissä versioissaan siivet muodostivat kaksi kertaa kokonaisen pyörähdyksen aikana oleellisesti S:n muotoisen, esteettömän läpivirtauksen. Sen sijaan hänen kolmi- ja nelisiipisten roottoreiden läpivirtaus oli tehokkaasti estetty, joten vertailusta tuli täysin epäreilu, eikä oikeita monisiipisiä vaihtoehtoja lainkaan päätynyt vertailtavaksi. Savoniuksen vetämästä johtipäätöksestä, että siipien lukumäärän lisääminen yli kahden huonontaa roottorin tehokkuutta, on mielestäni valitettavasti tullut aiheetta yleinen totuus ja se on pysäyttänyt tämän turbiinityypin kehityksen melkein sadaksi vuodeksi.

Savonius ei siis lainkaan ymmärtänyt esteettömän läpivirtauksen keskeistä merkitystä keksimänsä roottorin toiminnalle. Kaksisiipisen, tai yksisolaisen Savonius roottorin keskeisin ongelma on se, että kunnon tehoa saadaan vain katkonaisesti kaksi kertaa täyden pyörähdyksen aikana. Muuna aikana roottori itseasiassa jarruttaa ja ottaa energiaa hidastuvasta pyörimisestä. Windside-yhtiön kehittämä spiraalimalli kykenee kyllä tehokkaasti eliminoimaan tehovaihtelut, sillä siivet ovat aina jollakin korkeudella otollisessa asennossa tehoa tuottavan läpivirtauksen kannalta. Saatavilla olevasta tuulienergiasta talteenottamatta jää kuitenkin huomattava osa.

Kaksisiipinen, yksisolainen Savonius-roottori eroaa useampisiipisistä keskeisesti siinä, että läpivirtaussolan suunnittelussa ei tarvitse lainkaan huomioida toisten virtaussolien tarvitsemaa esteettömyyttä. Pyrittäessä hyödyntämään saatavilla olevaa tuulta jatkuvasti roottorin asennosta riippumatta, roottorin kurkun, eli pyörähdysakselin ympärillä siipikehän sisäpuolella olevan tilan on oltava esteetön, tulipa läpivirtausi mistä suunnasta tahansa. Tämä johtaa vaatimukseen, että siipien sisäkärkien on ohjattava virtaus suoraan kurkun läpi vastakkaisen puolen kaareville ulosvirtaussolille.

Pystyakseliset tuuliturbiinit jaetaan kirjallisuudessa lähes poikkeuksetta kahteen tyyppiin: tuulen laahausvoimaan (drag) perustuvat turbiinit ja tuulen nosteeseen (lift) perustuvat turbiinit. Edellisten prototyyppi on perinteinen tuulimittari, jossa on kolme puolipallon muotoista kuppia. Jälkimmäisten perustyyppi on Darrieus-turbiini, jossa on 2 – 4 nosteen kehittämiseen suunniteltua siipiprofiilia Kummassakaan näistä tyypeistä läpivirtaus ei ole ollut minkäänlainen suunnittelukriteeri. Savoniusroottorit on sijoitettu laahaustyyppisten joukkoon, mikä mielestäni on selkeä virhe. Nimitys läpivirtausturbiini on tuttu vesiturbiinien puolelta, mutta niihin liittyy poikkeuksetta kiinteät ohjaimet virtauksen suuntaamiseksi vastaanottaville siiville. Ilman kiinteitä ohjaimia
vapaassa virtauskentässä toimiville läpivirtausturbiineille on siis löydettävä toinen nimi.

Ehdotukseni on S-sola-turbiinit, joiden ensimmäinen, yksisolainen tyyppi on Savonius-roottori. Visuaalisen mielikuvan saamiseksi kuvaan 1. on koottu kuusi ensimmäistä S-solaturbiinia, joiden siipiprofiili toistuu kaikissa samanlaisena. Tämän valinnassa on pyritty siihen, että siipien kupera osuus sijaitsee mahdollisimman lähellä turbiinin ulkokehää maksimaalisen vääntömomentin tuottamiseksi. Parillisella siipiluvulla solia on aina puolet siipiluvusta. Samaa sääntöä voidaan soveltaa myös parittomiin siipilukuihin, mikä tuottaa puolikaslukuisia solamääriä. Tämä ei ole mikään ongela: kun joku sisäänmenosola on optimaalisessa asennossa sisäänvirtauksen kannalta, pääosa ulosvirtaukseata jakaantuu kahden vierekkäisen solan kesken.

Kuva 1.

 

Tehontuottoalue on näissä turbiineissa varsin kapea. Maksimi saavutetaan, kun roottorin annetaan pyöriä noin kolmanneksella vapaasta pyörimisnopeudesta.

On huomattava, että uuden siiven lisääminen aiheuttaa aina lisäkustannuksen. Jollain kohtaa lisäämisestä ei enää ole mitään hyötyä, jolloin tehokkaimman turbiinin siipiluku on löytynyt. Ilman kokeellista tai laskennallista näyttöä arvaukseni on, että taulukon kaksi ensimmäistä roottoria voidaan unohtaa. S-solaturbiineja kannattaa ainakin alkuvaiheessas tutkia pientuulivoimaloiden turbiinivaihtoehtona. Todelliselle kehitykselle on edellytyksiä vasta, kun toiminnallisesta tehokkuudesta ja viimekädessä kustannustehokkuudesta on saatu kvantitatiivista näyttöä.

Pekka Hiismäki, professori, emeritus, Hamina
pekka.hiismaki@gmail.com

[1] http://www.prh.fi/stc/attachments/innogalleria/savonius_kirja.pdf