Aerodynamische Leistungsoptimierung der Archimedes‑Spiralwindturbine: kombinierte experimentelle und CFD‑Analyse der Effek­te von Schrittverhältnis und Blattanzahl

Warum eine neue Turbinenbauart wichtig ist

Während Städte nach sauberer Energie suchen, erscheint Windkraft als naheliegende Wahl. Die hohen, dreiblättrigen Turbinen, wie man sie auf freien Flächen kennt, haben es in dicht bebauten urbanen Umgebungen jedoch schwer: Dort ist der Wind langsamer, unruhiger und ständig wechselnder Richtung. Diese Arbeit untersucht eine andere Maschinengattung – die Archimedes‑Spiralwindturbine – die die Form einer verdrehten Spiral‑Schale hat. Die Forschenden stellen eine praxisorientierte Frage: Wie sollten die Spiralgeometrie und die Anzahl der Blätter dieser Turbine abgestimmt werden, damit sie in realen, niedrig‑geschwindigen Stadtwinden effizient und zuverlässig arbeitet?

Eine Spiral­turbine für Stadtwinde

Die Archimedes‑Spiralwindturbine (ASWT) ist eine kompakte, horizontalachsige Turbine, deren Blätter sich in einer glatten Spirale um die zentrale Welle legen, statt gerade nach außen zu reichen. Diese Form ermöglicht es, Wind aus vielen Richtungen aufzunehmen und schon bei schwachen, unregelmäßigen Böen anzulaufen – typische Bedingungen zwischen Gebäuden. Dieselbe spiralförmige, mehrblattige Gestaltung, die bei geringen Geschwindigkeiten hilft, kann jedoch auch den Luftwiderstand und die strukturellen Lasten erhöhen und so die Spitzenwirkungsgrade begrenzen. Die Studie konzentriert sich darauf, den Bereich zu finden, in dem die Turbine weiterhin leicht anlauft und stabil läuft, dabei aber möglichst viel Windenergie in nutzbare Leistung umwandelt.

Die Form der Spirale abstimmen

Ein zentrales Gestaltungsmerkmal dieser Turbine ist, wie schnell sich die Spirale entlang der Welle „aufwickelt“ bzw. „abwickelt“, gesteuert durch zwei Längen, genannt Schritt 1 und Schritt 2. Deren Verhältnis (S1/S2) bestimmt, ob die Blätter enger gekrümmt oder weiter gestreckt sind. Um diesen Effekt isoliert zu untersuchen, hielten die Forschenden die Gesamtgröße und Proportionen des Rotors konstant und variierten nur S1/S2 über sechs Ausführungen. Sie erstellten 3D‑Computermodelle, führten detaillierte Strömungssimulationen durch und testeten dann passende physische Modelle im Windkanal bei realistischen Windgeschwindigkeiten zwischen 5 und 10 Metern pro Sekunde. Alle Versionen erreichten ihre beste Leistung in einem ähnlichen Drehzahlbereich, doch eine mittelgroße Konfiguration (PR‑5) ragte deutlich heraus und erzielte die höchste Leistung, weil sie die Luft gleichmäßiger über das Blatt leitete, ohne übermäßigen Widerstand zu erzeugen.

Die richtige Blattanzahl finden

Mit der Spiralform auf diese optimale Einstellung fixiert, untersuchten die Forschenden anschließend, wie viele Blätter die Turbine haben sollte – sie testeten zwei, drei, vier, fünf und sechs Blätter. Mehr Blätter bieten eine größere Fläche, auf die der Wind drücken kann, was das Anlaufen bei niedrigen Geschwindigkeiten erleichtert und ein gleichmäßiges Drehmoment liefert. Zu viele Blätter verdicken jedoch auch den Rotor, erhöhen Turbulenzen und Reibung in der Luft und können die Effizienz bei höheren Drehzahlen schmälern. Die Simulationen und Windkanalmessungen zeigten ein klares Muster: Die dreiblättrige Variante lieferte die beste Gesamtbalance und erreichte einen maximalen Leistungsbeiwert von etwa 0,264 bei einem moderaten Umfangsverhältnis, während Versionen mit mehr Blättern durch zusätzlichen Widerstand und unruhige Nachströmungen hinter dem Rotor beeinträchtigt waren. Das Zweiblattmodell schnitt bei höheren Drehzahlen etwas besser ab, war aber bei geringem Wind weniger leistungsfähig.

Ein Blick in die Strömung

Um zu verstehen, warum diese Unterschiede entstehen, betrachtete das Team detaillierte Karten von Druck und Geschwindigkeit um die Blätter. Im erfolgreichsten dreiblättrigen Design beschleunigte die Luft auf der Saugseite eines jeden Blatts gleichmäßig und verlangsamte sich auf der gegenüberliegenden Seite, wodurch ein starkes, gleichmäßiges Druckgefälle erzeugt wurde, das die Rotation antreibt. Die Nachströmung hinter der Turbine blieb kompakt und relativ geordnet, ein Zeichen für effiziente Energieentnahme bei moderater Turbulenz. Im Gegensatz dazu zeigte der Zweiblattrotor eine schwächere und ungleichmäßigere Belastung, während Rotoren mit fünf oder sechs Blättern überlappende Druckzonen und breite, langsam fließende Nachläufe erzeugten – Hinweise darauf, dass die Luft überbeansprucht wurde und ein großer Teil der zusätzlichen Blattfläche eher hinderlich als nützlich war.

Was das für städtische Windkraft bedeutet

Alltagsnah zeigt die Studie, dass sich die Archimedes‑Spiral­turbine so abstimmen lässt, dass sie dort gut arbeitet, wo konventionelle große Turbinen Probleme haben: in niedrigen, variablen Stadtwinden. Durch sorgfältiges Einstellen der Spiralöffnungsgeschwindigkeit (das S1/S2‑Verhältnis) und die Wahl eines dreiblättrigen Aufbaus können Entwickler einen kompakten Rotor erzielen, der leicht anläuft, stabil läuft und einen respektablen Anteil der Windenergie in Strom umwandelt – ohne aufwändige Steuerungssysteme. Zwar liegt der Spitzeneffizienzgrad weiterhin unter dem großer Feldturbinen, doch bietet dieses optimierte Spiraldesign eine vielversprechende Option für Dachinstallationen und kleinteilige, verteilte Energiegewinnung und liefert eine solide Grundlage für zukünftige Verfeinerungen in Form, Struktur und Materialwahl.

Zitation: Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J. et al. Aerodynamic performance optimization of the archimedes spiral wind turbine: combined experimental and CFD analysis of step ratio and blade number effects. Sci Rep 16, 13455 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43165-9

Schlüsselwörter: städtische Windturbine, Archimedes‑Spiralrotor, Optimierung der Blattanzahl, Computational Fluid Dynamics, Kleinmaßstäbliche Windenergie