Floß mit Wasserrad - Übersetzungen

Guten Tag,

von der Schule aus muss ich ein Wasserrad für ein Floß zur Stromgewinnung erstellen. Das Rad und die Konstuktion an sich sind soweit schon fertig. Mein Problem zeichnet sich darin aus, dass der Servomotor 3000 Umdrehungen pro Minute benötigt, um auf 750W zu kommen. Da wir einen Wirkungsgrad von ca. 40% des Wasserrades, welches 65cm Durchmesser hat, haben und eine Flussgeschwindigkeit von 6km/h sollte die Berechnung kein großes Problem sein. An der einen Seite des Wasserrades sollte ein weiteres Rad befestigt werden, dessen Durchmesser erstmal egal ist, aber auch nicht zu groß sein sollte. Dieses ist per Keilriemen mit einem prinzipiell kleineren Rad verbunden, für das selbiges gilt (nicht zu groß).

Allerdings weiß ich nun nicht, wie ich die Übersetzung gestalten soll. Da bei einem einfach Keilriemen die Geschwindigkeit konstant bleibt, bin ich mir sehr unsicher wie groß die 2 Räder sein müssen, um auf die besagten 3000rpm zu kommen. Sämtliche Versuche dies zu berechnen sind unreal, da das 2. Rad ca. 1mm Durchmesser haben muss.
Könnte man alternativ mit einer Übersetzung von Zahnrädern die Geschwindigkeit des Keilriemens erhöhen, um leichter auf die 3000rpm zu kommen?
Meine Frage ist nun, ob mir jemand eine Beispielrechnung zu diesem Problem schreiben könnte.

MfG
EinFragant
 
Servus,

erst mal zur Rechnung: Du hast da einen Rechenfehler. Ich konnte auch nachvollziehen wo. Du hast mit 3000 1/s und nicht mit 3000 1/min gerechnet! Aber selbst dann hätte das kleine Rad noch einen Durchmesser von nur 64mm.

Wenn, dann funktioniert das nur mit einem mehrstufigen Getriebe.

Ist das was rein theoretisches oder soll das funktionieren?
Wenn das funktionieren soll dann vergiss es sofort! Bei so einem Übersetzungsverhältnis dreht sich der Servomotor kein Stück! Das dahinplätschernde Wasser bringt auf das Wasserrad kaum Drehmoment. Mit der Übersetzung wird das Drehmoment ja kleiner. Also wird das Reibmoment des Motors am Ende gewinnen. Vor allem sind da alle anderen Verluste noch gar nicht mitgerechnet.

Gruß,
Daniel
 
Moin,

erstmal dickes Danke für den Hinweis.

Es muss funktionieren, sagen wir es mal so. Zur Zeit erstellen wir nämlich die Baupläne. Wir haben das Projekt, weil es auf der IdeenExpo und weiteren Messen dieser Art vorgestellt werden soll und tatsächlich auch in der Weser zum Einsatz kommen soll.
Gibt es keine andere Möglichkeit es zu verwirklichen? Wie würdest Du das denn machen, wenn du vor so ein Problem gestellt werden würdest. (Ich bin mal so frech und frage danach, weil ich recht wenig von dem Thema habe.)

LG,
EinFragant
 
Zunächst ist zu ermitteln, welche Leistung aus dem Gewässer zu entnehmen ist.

Du versuchst aus zwei Fingerhüten aus Oma's Nähkästchen einen Motor zu bauen, der in einen Formel I Rennwagen eingesetzt problemlos Weltmeisterschaften einfahren soll - wobei als Treibstoff Senf verwendet wird.
Es muss funktionieren, sagen wir es mal so.
Kein Problem, das zu zeichnen - auf dem Papier funktioniert so vieles ...
... wir schaffen das !
 
Servus,
Es muss funktionieren, sagen wir es mal so.
dann behaupte ich hier mal ganz einfach dass das nicht funktioniert! Du hast hier eine extrem kleine Drehzahl die Du um den Faktor 15,5 erhöhen willst. Jetzt nimm mal ein Fahrrad und Schalte in den höchsten Gang. Du kannst das Rad locker mit einem Finger festhalten selbst wenn ein Elefant auf dem Pedal stehen würde!
Wie würdest Du das denn machen, wenn du vor so ein Problem gestellt werden würdest.
ich würde die Aufgabe als nicht lösbar deklarieren!
Eigentlich alle Getriebe beruhen auf dem Prinzip dass eine schnelle Bewegung (wenig Drehmoment) in eine langsamere Bewegung (mehr Drehmoment) gewandelt wird.
Genau das ist auch der einzig gangbare Weg! Jedes motorisierte Fahrzeug (oder Fahrrad) beruht auf diesem Prinzip.
Von "Langsam" in "Schnell" wandel, geht nur mit extremen Verlusten. Wie schon geschrieben genügt die Eigenreibung des Motors um das System zum Stillstand zu bringen.
Wir haben das Projekt, weil es auf der IdeenExpo und weiteren Messen dieser Art vorgestellt werden soll und tatsächlich auch in der Weser zum Einsatz kommen soll.
Ist ja schön und gut. Es wird euch aber nicht gelingen aus wenig Drehzahl viel Kraft zu erzeugen. Das ist für mich kein ernst zu nehmendes Projekt, da es einem "Perpetuum Mobile" gleichen würde...

Die einzige Möglichkeit ist eine hohe Drehzahl am Antrieb (kleines Drehmoment) und damit eine kleine Drehzahl am Abtrieb (großes Drehmoment).

Gruß,
Daniel
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
Na ganz so ist das nicht:
Natürlich hat jede Art von Getriebe Verluste
und je höher die Übersetzung (in welche Richtung auch immer!),
umso schlechter ist der Wirkungsgrad und umso höher sind demzufolge die Verluste.
(Ausführungstipp: Finger weg vom Keilriemen - nimm für DIE Leistungen einen Fahrradkettentrieb!)

Grundsätzlich kann das schon funktionieren:
Im konkreten Fall liegt das Problem jedoch nicht nur in der relativ niedrigen Drehzahl des Wasserrades
und der relativ hohen Drehzahl, die der Generator (Servomotor) braucht, ...
Liefert denn das kleine Wasserrad überhaupt 750 Watt plus Getriebeverluste plus Reibung?
Was das Wasserrad nicht leistet, kann auch hinten nicht als elektrische Leistung rauskommen:
Das tiefschlächtige Wasserrad (<= Das ist ein Link und da stehen viele interessante Sachen dazu!)
hat jedoch nur einen sehr geringen Wirkungsgrades von maximal 20% bei optimaler Auslegung
und wenn du davon noch einiges an die diversen Verluste verlierst,
brauchst du entweder ein RIESIGES Wasserrad
oder bekommst sehr wenig Strom raus.

Lass uns das mal durchrechnen:
Bei einer Fließgeschwindigkeit des Wassers von 6 m/s
wird das Wasserrad im Optimalfall (!) mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 2 m/s laufen,
was einer Winkelgeschwindigkeit von omega = vu / r = 6,15 rad/s = 1 U/sec = 60 U/min entspricht.
Um sagen wir mal 1000 Watt zu leisten,
muss das dann ein Drehmoment von M = P / omega = 1000 W / 6,15 s^-1 = 162 Nm bringen.
Das ist ein sehr hohes Drehmoment und um das liefern zu können,
müsste ein Wasserrad mit nur 65 cm Durchmesser SEHR lang sein - unrealistisch lang.
(Ja, die Physik ist ein Hund und lässt sich nicht behumpsen!)

Du musst das umgekehrt angehen:
ZUERST musst du klären, d.h. errechnen bzw. am besten MESSEN,
wieviel MECHANISCHE Leistung das Wasserrad bei welcher Drehzahl liefert
und DANACH kannst du dir erst den Kopf zerbrechen,
mit welchem Generator nach welchem Getriebe du das in elektrische Energie umwandelst.
Dabei drängt es sich auf, einen Generator mit möglichst geringer Nenndrehzahl zu wählen,
um das Getriebe einfach gestalten zu können und die Getriebeverluste zu minimieren.

Weil´s gerade so schön dazu passt,
möchte ich hier auch wieder an die Zotlöterer-Wasserwirbel-Turbine (<= Link!) erinnern:
Die kann man zwar nicht auf ein Floß montieren und ein bissi Gefälle braucht man auch,
aber die sind gleichfalls sehr simpel aufgebaut und durchaus für Heimwerker oder Schulen realisierbar
- WENN diese die Wasserrechte besitzen (oder die Baustelle in einem Entwicklungsland liegt).
Das ist dann vielleicht auch hierzulande der Vorteil des Floßkraftwerkes,
denn das gilt wahrscheinlich eher als Schiff und nicht als Kraftwerk
und muss daher gänzlich anderen gesetzlichen Bestimmungen entsprechen.
 

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