open theory · offene theorie: Das oberschlächtige Wasserrad

Maintainer: Manfred Brücher, Version 1, 26.05.2002
Projekt-Typ: halboffen
Status: Archiv

Das oberschlächtige Wasserrad

Der Bestand

(2) Zwar läuft unser altes oberschlächtiges Wasserrad nach der letzten größeren Reparatur noch, dennoch soll das Neue bald in Angriff genommen werden. Immer noch nach 50 Jahren Betrieb. Das Alte hat einen Durchmesser von 5 m und 1,2 m Breite. Der Kranz und die Speichen bestehen aus Eiche Holz, die Schaufeln sind aus Blech. Der Kranz hat eine Tiefe von 20 cm und ist mit den 54 Schaufeln verschraubt. Diese sind dabei sehr flach gestellt d.h. die Entleerung beginnt erst spät, jedoch entstehen Verluste beim befüllen.

Schaufelwinkel 12°
Schaufelradius 100cm
innerer Radius 8,5cm
Schluckweite 9 - 12 cm

Wohl aus Angst vor dem anstreifen im Winter, wenn das Rad durch Eisbildung dicker wird, wurde der Abstand Gerinne - Rad mit 10 cm recht groß gewählt. Das ist jedoch ein Trugschluss denn dadurch spritzt mehr Wasser und gerade deshalb wird es dicker. Durch diesen großen Abstand entstehen also Verluste in doppelter Hinsicht.

Am Rande

Die alten Bücher

(4.2) Alte Bücher, 19.08.2004, 22:11, Alex ??: Hallo, erst mal Glückwunsch zu der gelungenen Seite ... Habe vor kurzem auch ein neues oberschlächtiges Rad Ø = 3,2 m, b=1,5 m erbaut.# Mein Buch der Bücher war und ist :# \" Theorie und Bau der Wasserräder \" von Ferdinant Redtenbacher. Die 2. Auflage, Erschienen 1858 in der Verlagsbuchhandlung von Friedrich Bassermann, Mannheim. Da Redtenbacher der Direktor der (jetzigen) TH Karlsruhe war - ist das Buch ein wissenschaftlich und technisch absolut fundieres Werk. Er bewaffnet sich mit dem \"... Brecheisen der Analysis ...\" und vollbringt für die Berechnung der Räder \"...mathematische Schlachten und Grossthaten ...\", welche sich mit den hier Beschrieben Angabe zum Teil decken. Soweit ich das aus meinem Ingenieursstudium beurteilen kann stimmen seine Differentialgleichungen und sonstigen Berechnungen für das oberschlächtige Rad prima mit meinen Beobachtungen und Erfahrungsschatz überein.
P.S. Mein nach seinen Vorgaben errichtetes Rad bestätigt Ihn ;-)

(5) Fragt man die "Wassermüller" nach dem Wirkungsgrad eines oberschlächtigen Wasserrad so sagt jeder prompt 75 %, W. Müller dagegen berichtete von seinen Wasserradversuchen welches einen Wirkungsgrad von 0,78 schon bei 10 % Beaufschlagung, 0,82 ab 20% und 0,85 von 30% bis 120% Beaufschlagung aufwies.

(5.1.2.1) Re: Beaufschlagung, 11.07.2003, 10:33, Josef Gartner: Nicht ganz richtig, Beaufschlagung ist der tatsächlich vorhandene prozentuale Anteil der Nennwassermenge, für die das Rad ausgelegt ist. Das maximale Schluckvermögen des Rades liegt über der Nennwassermenge. Daraus folgert, daß bei einer Beaufschlagung von z. B. 125 % die Leistung immer noch höher ist als bei 100 . Erst ab dem Erreichen des maximalen Schluckvermögens steigt die Leistung nicht mehr, weil das Wasser nur noch ungenutzt über das Rad fließt.

(5.2.1.1) Re: Gefunden, 27.08.2003, 08:37, Christa Lintschinger: Vielen Dank für die angebotene Hilfe. Musste leider so an die Sache herangehen, weil ein Kunde von uns sich so ein Wasserrad wünscht - jedoch nicht für einen technischen Zweck, sondern nur zur Zierde. Das Wasserrad in der derzeitigen Planung hat ca 3 m Durchmesser und ist ca 30 cm breit. Es soll unterschlächtig betrieben werden und führt direkt ins Bachbett hinein. Dieses soll jedoch zusammengefasst werden (bzw aufgestaut), um einen entsprechenden Durchlauf zu erhalten. Genau diese Angaben würde ich benötigen! (Muss also umgekehrt an die Sache herangehen). Vielen Dank

(5.2.1.1.1) Re: Gefunden, 27.08.2003, 11:12, Josef Gartner: Um ein Wasserrad nur zur Zierde zu betreiben, muß man keine großen Anstrengungen unternehmen. Es wird sich mit sehr geringer Wassermenge und ohne oder kaum Gefälle drehen. Im Gegenteil, es muß nicht auf maximale Leistung, sondern auf minimale Leistung ausgelegt werden, denn sonst "dreht es durch", läuft also viel zu schnell, wenn "hinten" kein Verbraucher, also keine Maschine oder kein Generator dranhängt. Ansonsten muß man mit irgendwas, und sei es nur eine mechanische Scheibenbremse, die Energie wieder vernichten.

Im Prinzip reicht dazu ein Stoßrad, das einfach in den vorhandenen natürlichen Bachlauf "gehängt" wird. Ein Aufstauuen des Gewässers ist dafür nicht notwendig, dafür bräcuhte man übrigens natürlich auch eine wasserrechtliche Genehmigung.

Persönlich übrigens halte ich nichts von solchen Dingern, ja ich finde es sogar etwas lächerlich. Wenn man sich schon die Arbeit macht und das Geld ausgibt, sollte man das Rad und die vorhandene Energie auch für irgendeinen Zweck nutzen.

Lies die alten Bücher, die hier angesprochen wurden. Kurze Infos zu den Wasserradtypen findest Du auch auf meiner Seite: http://www.gartner.iivs.de/wka/wasserrad.html. Oder wende Dich an ein Ingenieurbüro für Wasserkraft, Links hier: http://www.gartner.iivs.de/wka/kwka-hersteller.html.

Ich will ganz bestimmt nicht unhöflich erscheinen, aber für sowas braucht man eigentlich kein Planungsbüro. Und wenn, dann hat sich Euer Kunde vielleicht das falsche ausgesucht, sorry.

Gruß, Josef

(5.2.1.1.1.1) Re: Gefunden, 11.02.2005, 09:54, Helmut Lehner: Ihre letzte Anmerkung in Ihrem Pro-Beitrag möchte im Interesse der Anfragerin mit einer Kontra-Bemerkung kommentieren. Allein die Materialauswahl -Holz, Stahl oder Holz-Stahlverbund- dürfte zu einer unterschiedlichen Konstruktionweise, insbesondere Knoten-Ausbildung führen. Bei einer Nachfrage nach einer Wasserrad-Anlage kommt es vorerst auf die Interessen und das technische Verständnis des Kunden an. Es ist m.E. eine Aufgabe in der Kundenberatung, die Möglichkeiten zur erweiterbaren Nutzung auch einem \"nichttechnischen\" Interessenten näher zu bringen. Es grüßt Sie Helmut Lehner

(5.2.2) Re: Gefunden, 11.02.2005, 10:25, Helmut Lehner: Ihre Anfrage hat mich insofern angesprochen, da ich mich als \\\"Seiteneinsteiger\\\" für die Technik von ortsfesten und schwimmenden Wassertriebwerken interessiere. Für die Konstruktion eines Wasserrades (neuartiger Bauart)arbeite ich mit dem Wasserbau-Labor der Universität Siegen, das auf dem Gebiet für Entwicklungsländer tätig ist, zusammen. Ich plane inzwischen an einem WTW-Montagebausatz für ein afrikanisches Land, in dem ich 2004 einen Urwaldfluß auf die energetische Nutzung begutachtete. Sofern die Thematik(2003/2005?) bei Ihnen noch aktuell ist, stehe ich Ihnen mit meinen inzwischen erweiterten fachtechnischen Kenntnissen und den Fachkontakten gerne unverbindlich zur Verfügung. Dazu gehört u.a. das Büro für Wasserkraft der Landesinitiative für Zukunftsenergien von NRW. Es grüßt Sie Helmut Lehner

(5.3) Wirkungsgrad, 13.02.2005, 12:29, Gerald Mueller: Mueller (1939) erwaehnt in seinem Buch die Versuche von Staus (1928) und Meerwarth (1935). Staus untersuchte ein 3m Durchmesser oberschlaechtiges Wasserrad von etwa 5 kW Leistung; Meerwarth schrieb eine Doktorarbeit ueber Wasserraeder und untersuchte das 3m Rad genauer sowie ein 1m Modellrad. Dabei erzielten beide Wirkungsgrade von 85 Prozent, wobei hier die Verluste durch ein Vorgelege (eine Uebersetzung) nicht eingeschlossen wurden; der eigentliche Wirkungsgrad duerfte daher bei etwa 88 - 89 Prozent liegen. Dies gilt natuerlich nur fuer sorgfaeltig entworfene und ausgefuehrte Raeder aus Stahl; eine Ausfuehrung in Holz duerfte 5 - 10 Prozent weniger Wirkungsgrad bringen. Ein Entwurf von Amateuren kann wohl kaum ueber 70 Proznt kommen. Die modernen Wasserraeder wurden von Ingenieuren entworfen die mit den neuesten Erkenntnissen der Hydraulik vertraut waren; die jahrhundertelange Erfahrung die in einem Beitrag angesprochen wird gilt hier nicht. Der Entwurf von Wasserraedern war uebrigens Teil des Bauingenieursstudiums bis in dei 1920er Jahre. Wen's interessiert der kann ja mal nachlesen wie lange es gedauert hat bis der Unterschied zwischen potentieller und kinetischer Energie erkannt wurde. Buecher: in einem Beitrag wird Redtenbacher's Buch angesprochen. Dies ist allerdings recht alt, und spaetere Entwicklungen sind nicht beruecksichtigt. Meiner Meinnung nach ist das ausfuehrlichste Buch das von Mueller von 1899, 'Die Wasserraeder, Teil 1: Zellenraeder, Teil 2: Schaufelraeder' und ein Atlas mit ueber 30 Ausfuehrungszeichnungen, Veith und Co., Leipzig. Einige Exemplare sind noch in Unibibliotheken (Tu Braunschweig, Uni Hanniver, Uni Karlsruhe) erhalten. Bach's 'Die Wasserraeder' von 1886 ist ebenfalls lesenswert. Das Buch von Mueller das heute noch erhaeltlich ist von 1939 und stellt eine stark gekuerzte Zusammenfassung des Buches von 1899 dar; Mueller ist 1935 gestorben. Anmerkung; Die Fachzeitschrift 'Wasserwirtschaft' gibt im Juni eine Sonderausgabe zum Thema Wasserraeder heraus. Ich beschaeftige mich seit einiger Zeit zusammen mit der TU Berlin und dem Institut fuer Gewaessereokologie Berlin wissenschaftlich mit Wasserraedern und habe einen Ueberblick ueber die Technologie geschrieben ('Bautechnik', 2003) und auch Modellversuche mit einem 1m Durchmesser mittelschlaechtigen Wasserrad durchgefuehrt. Falls Interesse besteht kann ich die Dokumente allgemein zugaenglich machen

(5.3.1) Re: Wirkungsgrad, 16.02.2005, 00:58, Manfred Brücher: Da ist sicher ein sehr großes Interesse vorhanden.

Wirkungsgrad:
Nachdem das Rad hier nun einige Zeit fertig ist habe ich eine Wassermessung durchgeführt. Dazu diente ein scharfkantiger rechteckiger Ausschnitt mit 1,25 m Breite als Messwehr. Nach langer Wartezeit stellte sich eine Überfallhöhe von 260 mm ein. Dies entspricht recht genau 300 l/s. Zu dieser Zeit hatte ich eine elektrische Leistung von 11,3 kW. Die Fallhöhe liegt bei 5,3 m.
Das sind dann etwa 72 % insgesamt.
Der Generator ist ein Asynchron Motor, (Siemens 1LA2 156, 750 1/min) er kann höchstens 88 % haben.
Ein Flachriemen von 200 auf 750 1/min - 98 %
Ein etwas überdimensioniertes Stirnradgetriebe mit 3 Stufen - 98 % pro Stufe?
Rechnet man das alles zusammen, kommt man den 90 % schon fast zu nahe für das oberschlächtige Rad
Davon ab gehen noch die Verluste im Kabel bis zur Schaltanlage, die Kompensation die Versorgung der Schaltanlage selber und die Lager der Wasserradwelle.
Die el. Leistung wird den kleinsten Messfehler haben, direkt gefolgt von der Fallhöhe. Die Wassermenge dagegen, kann nicht so genau gemessen werden. Da gibt es diese induktiven Messgeräte, wie genau gehen die?

(5.3.2) Re: Wirkungsgrad, 17.02.2005, 19:47, Josef Gartner: Meinerseits wäre ebenfalls Interesse vorhanden, wobei ein mittelschlächtiges kleines Rad nicht viel mit einem großen, oberschlächtigen Rad gemein hat, um das es hier geht. Daß bei einem kleinen, und insbesondere bei einem mittelschlächtigen Rad die Bewegungsenergie eine ungleich größere Rolle spielt als bei einem großen oberschlächtigen, dürfte allen Beteiligten klar sein. Zur Wirkungsgrad-Aussage möchte ich anmerken, daß bei einem kleinen oberschlächtigen Wasserrad sehr wohl ein spürbarer Unterschied auf Grund der Ausführung des Wasserrads festzustellen sein wird, wie z. B. auch der Materialwahl Stahl/Holz. Holz wird hier schon auf Grund der notwendigen Materialstärke und der schlechteren "Formbarkeit" immer unterlegen sein. Je größer ein Rad wird, desto geringer wird der Wirkungsgradunterschied jedoch werden, da prozentual gesehen dieser Nachteil schwindet. Es grüßt Josef Gartner

(6) Das Rad war aus Stahlblech gefertigt und hatte eine runde Schaufelform. Das Wasser wurde über einen Schützenkasten dem Rad zugeführt. Vermutlich kam auch der von W. Müller entwickelte Kulisseneinlauf zum Einsatz. Die Stauhöhe im Zulaufkasten lag bei gut 40 cm. Das Versuchs Rad hatte einen Duchmesser von 3,60m, 0,80m Breite, und ein zweistufiges Getriebe aus gefrästen Zahnrädern.

Kulisseneinlauf mit verstellbaren Lamellen.
Damit könnte auch die Drehrichtung umgekehrt werden.
Die Luft kann besser entweichen
und die Richtung der Wasserstrahlen kann beeinflusst werden

(6.1) Begriff Schützenkasten, 02.06.2004, 19:03, Jürgen Sprenger: Mir liegt ein Bau- bzw. Umbauantrag für eine Wasserrad angetriebene Fruchtmahlmühle von 1868 nebst Bauzeichnung vor.Im Antrag heißt es unter anderem: "Es wird anstatt der zwei alten Wasserräder, ein oberschlächtiges Wasserrad ... zum Betrieb der 4 projectirten Mahlgänge angelegt.Um die Kraft noch mehr zu vergrößern, wird über dem Rad ein Gerinne (Druckkasten) angebracht,..." Hier meine Anfrage: Sind die Begriffe Druckkasten und Schützenkasrten synonym, beschreiben sie also das Gleiche?

(6.1.1) Re: Begriff Schützenkasten, 04.06.2004, 00:57, Manfred Brücher: In alten Zeichnungen findet man den Kasten manchmal. Der Schüzenkasten ist eine etwas höhere Rinne, die am Ende über dem Radscheitel eine hochziehbare Platte als Düse besitzt. Diese Platte sollte an der Unterkante in Stromrichtung gut abgerundet sein.
Der Kullisseneinlauf (Zungeneinlauf) ist in der obigen Zeichnung erkennbar.

In dem Kasten wird durch Rückstau ein Teil des Gefälles aufgebraucht bzw. erzeugt - je nach Standpunkt:
Die Stauhöhe darin wird möglichst verlustarm in Geschwindigkeit verwandelt v=wurzel(2gh)
bzw.
"Das Wasser wird gestaut - dadurch erhält es seine Kraft"
Auch wenn ich den Begriff Druckkasten nicht kenne sind wohl beide Begriffe gleich.
Interessant ist ein Druckkasten vorallem dann, wenn das Rad knapp unter der Decke seiner Stube läuft und daher ein S Blech nicht darrüber passen würde. So könnte man z.B. bis 6 m Fallhöhe mit einem (zwangsweise) 5 m Rad nutzen und den Wirkungsgrad noch etwas anheben. Nachteilig ist aber die Gefahr des verstopfens und die erforderliche Wasserstandsregelung über das Öffnen und schließen der "Düse".
Aber wir werden bald sehen, wie es spritzt - sehr bald.

(6.1.2) Re: Begriff Schützenkasten, 04.06.2004, 09:43, Josef Gartner: Es gibt viele Begriffe für einen solchen "Kasten", gerade auch alte Bücher verwenden keine einheitlichen Begriffsbezeichnungen. Der Ausdruck Druckkasten ist mir nicht geläufig. Er sollte jedoch genau wie z. B. Kulissenzulauf oder Lamellenzulauf eine Art von höherem Gerinne beschreiben, mit dessen Hilfe das Wasser gestaut wird, um es mit höherem Druck durch Düsen oder Ritzen in das Wasserrad einlaufen lassen zu können. Sinnvoll ist dies jedoch nur dort, wo aus irgendeinem Grund das Wasserrad nicht der Fallhöhe entsprechend groß gebaut werden kann, sondern kleiner gehalten werden muß. Damit kann die durch das kleiner gehaltene Rad verlorengegangene Fallhöhe z. T. ausgeglichen werden. Eklatanter Nachteil ist jedoch, daß die Gefahr der Verstopfung besteht. Somit wird man nicht um den Einsatz eines Feinrechens herumkommen, welcher eigentlich bei einem oberschlächtigen Wasserrad nicht notwendig ist (das ist auch ein erheblicher Vorteil dessen).#
Summa summarum für die Genehmigung: Es soll damit i. d. R. nicht der OWSp erhöht werden, sondern es soll erreicht werden, daß ein kleineres oberschlächtiges Wasserrad die (genehmigte?) Fallhöhe ausnutzen kann. Für die wasserrechtliche Genehmigung dürfte nur erheblich sein, daß Fallhöhe und Wassermenge dem alten Recht entsprechen (falls dort überhaupt vorgegeben). Mit welchen Mitteln die Ausnutzung der Fallhöhe erreicht wird, sollte unerheblich sein, so lange keine ungünstigeren Umwelteigenschaften vorliegen.

(6.1.2.1) Stauhöhe, 05.06.2004, 00:12, Manfred Brücher: Jetzt muss ich aber mal eines klarstellen:
Das was wir hier machen ist genehmigt nach dem eingetragenen alten Recht von 1563. An der Hauswand neben dem Einlassbauwerk ist eine Höhenmarke angebracht, welche die maximale Stauhöhe für uns festlegt. Darin enthalten, ist das minimal zulässige Gefälle des oberen Mühlgraben wegen der Gefahr des Versandens. Diese Stauhöhe wäre ca 50 cm über der jetzigen und die können wir aus Baulichen- und Kosten-Gründen gar nicht erreichen. Die Höhe der Wehrkrone, welche 800 m entfernt ist, bleibt davon freilich unberührt.

(6.1.2.1.1) Re: Stauhöhe, 07.06.2004, 10:34, Josef Gartner: Hallo Manfred,
ich glaube, Du hast versehentlich auf den falschen Beitrag geantwortet oder Du hast meinen Beitrag gründlich mißverstanden:
1. Es ging doch gar nicht um Euer Wasserrecht, sondern der Fragesteller schrieb sinngemäß: "...Habe Umbauantrag vorliegen über alte Fruchtmahlmühle von 1868...". Oder liege ich da falsch? Eures ist doch wie Du sagst von 1563.
2. Habe ausdrücklich geschrieben, daß es unerheblich sein sollte, mit welchen Mitteln die genehmigt Stauhöhe ausgenutzt wird.
Woraus also schließt Du, daß jemand meinen könnte, Euer Tun wäre rechtswidrig? Ansonsten... klär uns bitte auf.

(8) Die Leistungsmessung wurde mit diesem Getriebe vorgenommen. Dabei zeigte sich, das die Umfangsgeschwindigkeit von 1,25 bis 1,8 m/s schwanken kann ohne das sich der Wirkungsgrad nennenswert ändert. Mit seinen Versuchen konnte er auch zeigen, das das ober-schlächtige Rad der Turbine bei wechselnder Beaufschlagung überlegen ist und das Rad insgesamt mehr leistet (Jahresarbeit) wenn es bei voller Beaufschlagung im Unterwasser läuft. Das habe ich im Experiment mit unserem alten Rad bestätigen können.

(8.1) 21.07.2003, 13:59, Josef Gartner: Ich hätte die Möglichkeit, an meiner Wasserradanlage eine neue Generatortechnik einzusetzen. Derzeit läuft die Anlage an einem zweistufen Planetengetriebe und einer Keilrippenriemenübersetzung an einem Asynchrongenerator mit 1000 U/min. Durch Einsatz eines Permanentmagnetgenerators mit 50 U/min könnte die komplette Riemenübersetzung genauso entfallen wie eine Stufe des Planetengetriebes. Weiterhin wäre es möglich, die Radgeschwindigkeit automatisch den Wasserverhältnissen anzupassen. Also viel Wasser = höhere Umdrehungszahl = höheres Schluckvermögen = höhere Leistung; wenig Wasser = geringere Drehzahl = besseres Laufverhalten = optimaler Wirungsgrad bei Niedrigwasser. Mit einem Asynchrongenerator ist dies ja ohne Änderung des Übersetzungsverhältnisses nicht möglich. Was hältst Du von dieser Idee?

Das Experiment

Bei ca. 250 - 300 Umdrehungen entspricht eine Änderung der Drehzahl um 1 / min einer Änderung der Leistung von 33,3 Watt

Leider hat sich die Wassermenge während dem Versuch geringfügig geändert da ich zum anbringen des Reflektors das Wasser gestaut hatte. Die Leistung des Kinetoterm habe ich aus der Kennlinie des Gerätes ermittelt Zwar steigt die Leistung nicht proportional mit der Drehzahl, dennoch habe ich es einfach linear berechnet.

Die Verluste des Wasserrades wenn es im Unterwasser läuft
Wasserrad	Drehzahl	Eintauchtiefe	Pegel	Leistung W	Verlustleistung	Bemerkung
5,08	295	0		4000
5	290	0		3833		Zu Beginn des Versuches
4,9	288	0		3766		Bezugs Drehzahl
4,9	286	0		3700	66	Am Ende des Versuches
4,9	285	5		3666	100	Rad Arme bis zu den Schrauben im UW.
4,8	280	17	OK. Stufe	3500	266	Die 2. Schrauben tauchen ein
4,7	272	20	+ ca. 3 cm	3233	533	Kranz läuft ganz im UW.
4,48	260	33	+ ca. 15 cm	2833	933	Rad-Boden ist ca. 10 cm mit Wasser bedeckt

(10) Bei der Höhe der Verluste spielen sicherlich mehrere Faktoren eine Rolle, insbesondere die Umfangsgeschwindigkeit und der Raum unter und neben dem Rad im Unterwasser; niemals sollte jedoch der ganze Kranz im Unterwasser laufen. Es wäre günstig die Drehrichtung des Rades zu ändern damit das Rad sich in den wenigen Tagen im Jahr in denen es tiefer eintaucht wenigstens etwas frei pumpt. Nach meinem bisheringen Kentnisstand ist es jedoch nicht möglich die Drehrichtung zu ändern, wie sich später noch zeigt.

(11) Jeder (auch Firmen) der sich heute mit oberschlächtigen Wasserrädern befasst sagt, das die Geschwindigkeit des zufließenden Wassers gering sein muss, etwa so schnell wie die Umfangsgeschwindigkeit des Rades c1 = u bis c1 =1,5u. Bei den aller meisten Wasserrädern wird einfach das Wasser über eine Rinne dem Rad zugeführt.

Die vielleicht falsche Grundbedingung

(12) W.Müller schreibt Eingangs das der Effekt durch die Gewichtskraft des Wassers theoretisch vollkommen ist, der Effekt durch den Stoß dagegen sehr unvollkommen; er hat das sogar durch einige Formeln belegt.

Der erste Weg

(13) Zunächst habe ich also versucht den Stoß zu minimieren. Das neue Rad sollte also größer im Durchmesser werden und das Gerinne zum Rad hin ansteigen um das Wasser zu bremsen. Beim alten Rad ist der Abstand Rinne - Umfang recht groß und so könnte ich das Rad mit 5,2 m 20 cm größer bauen als das alte. Gleichzeitig wird das neue 30 cm breiter als das alte da der Kranz und die Arme aus Stahl statt aus Holz hergestellt werden.

(14) Es legt sich also eine Wasserwalze auf das Rad welche bei 300 l/s 15 cm dick sein wird, und damit dicker als die Schluckweite, die in der Zelle vorhandene Luft muss also seitlich entweichen, während das Wasser auf dem Rücken der Schaufel in diese einfließt. Dabei wird das Wasser tangential beschleunigt bevor es auf dem Radboden aufschlägt. Weiterhin heben die im Unterwasser laufenden Schaufeln (nur bei voller Beaufschlagung) jeweils bis zu 60 Liter Wasser etwa 20 cm hoch bevor Luft in diese einströmt und diese sich entleeren. Beide Umstände verursachen Verluste. W.Müller empfiehl zu diesem Zweck für Ventilation zu sorgen, wie das gehen soll, darüber schweigt er jedoch.

(14.1.2.1) Re: Ent-/Belüftung, 26.04.2004, 09:02, Josef Gartner: Theoretisch ja alles richtig. Warum aber wird in der Praixis so etwas nicht durchgeführt? - Weil der entstehende Leistungsgewinn so gering ist, daß er erstens die dafür anfallenden Kosten nicht wert ist und zweitens wie auch Manfred schon aufführte, die Haltbarkeit und Robustheit bewegter Teile bei weitem nicht die Lebensdauer des Rades selbst erreicht.# Verfolgt man diesen Ansatz weiter und läßt bewegte Teile zu, ist das Ergebnis überhaupt kein Rad mehr sondern über Ketten, Riemen oder sonstwie angetriebene Wasserbehälter, welche gefüllt an einer Seite gerade vertikal nach unten wandern, dort in einer 180°-Kurve entleeren, auf der anderen Seite wieder nach oben, um dort in einer 180°-Kurve wieder gefüllt zu werden - also eine Art vertikales Förderband. Solche Versuche wurden gemacht - und aus o. g. Gründen wieder eingestellt - außerdem ist es halt nicht ästhetisch. Man kann sich ja mal vorstellen, wie lange so ein Förderband und dessen mechanische Antriebsteile im Dauerbetrieb bei ständiger Befeuchtung hält.

(16) Obwohl so ein Neubau eines Wasserrades eine teure Angelegenheit ist, hält mich nichts davon ab in dieser Sache zu "forschen". Zuerst ging ich davon aus, dass das Wasser nur auf dem Rücken der Schaufel einströmen kann, weil die Geschwindigkeit in der Rinne so gering ist. Mein erster Ansatz war eine runde Schaufelform die das Wasser vom Schaufelrücken nicht zum Radboden führt sondern zur Zelleninnenseite umlenkt um die kinetische Energie, welcher der Fallhöhe Rinne - Radboden entspricht, zu nutzen. Das ist jedoch schwierig in der Herstellung, es kostet Schaufelraum und löst nicht das Problem der Ventilation.

(16.1.1) "Vorfüllung", 28.12.2004, 00:46, Manfred Brücher: Wie weit vor den oberen Scheitelpunkt kann man gehen? Wie weit ist man im Erzgebirge gegangen?
Die Rinne endet hier bei mir ca. 30 cm vor dem oberen Scheitelpunkt. Das kann tatsächlich einen besseren Wirkungsgrad bewirken, aber messen kann ich es nicht.
In der Tat läuft das Rad genauso gerne rückwärts wie vorwärts wenn nur ein paar Tropfen Wasser kommen und das Rad in völligem Stillstand war.
Eine zeitlang wollte ich eine Starterklappe oder ein Rohrsystem an die obere Rinne bauen, zusammen mit dem Schützenzug hochklappbar. Aber es scheint nicht wirklich notwendig zu sein. Einzig eine Drehrichtungüberwachung habe ich hier eingebaut, denn das Rad steht ja fast niemals still.

(17)

Das Wasser läuft auf dem Rücken der Schaufel ein und soll seine Energie durch Umllenkung abgeben

Der falsche Weg

(18) Nach einiger Zeit kam mir die Idee einen Schlitz (Kanal) in den Radboden zu bauen welcher vom einfließenden Wasser übersprungen werden kann.

Schlitze im Radboden zum ein und ausströmen der Luft
Durch diese kann ein Teil der Luft beim befüllen entweichen. Vor allem würde unten die Entleerung beschleunigt da Luft eintreten kann. Das würde auch den Einbau eines Kropfbleches (wie bei unter - und rücken - schlächtigen Rädern üblich) ermöglichen, auch wenn hier die Gefahr des verklemmen von Treibgut groß ist.

(19) Da ich mir nie sicher war, dass bei voller Beaufschlagung kein Wasser durch den Luftspalt verloren geht, machte ich mich daran ein Modell aus Zinkblech zu löten. Um Arbeit zu sparen beschränkte ich mich auf ein drittel Rad mit Gegengewicht. Dabei machte das Model zunächst einen guten Eindruck. Die Entleerung ging so schnell das das ausströmende Wasser einen Rückstoß in Vorwärtsrichtung verursachte. Um den Nutzen der Ventilation zu testen hatte ich die Spalte im Radboden später abgedichtet und das Modell im Unterwasser laufen lassen. Dabei zeigt sich die eigentliche Problematik: Die Umrechnung Modell - Original und die dazugehörigen Geschwindigkeiten und Füllverhältnisse.

(20) Bei kleiner Umfangsgeschwindigkeit sind diese offenbar nützlich, bei größerer jedoch eher schädlich da das Wasser der Schaufel hinterher fließt, die Luft entweicht und das ausfließende Wasser ja auch eine gewisse Zeit und Fallhöhe braucht. Ohne Ventilation enthält die Schaufel nach dem eintauchen weniger Wasser da die enthaltene Luft nicht entweicht und Wasser verdrängt was wiederum einer Kraft bedarf die jedoch nach dem unterem Totenpunkt wieder abgegeben wird. Dagegen wird das Rad nur dann überhaupt im Unterwasser laufen wenn die Schaufeln viel Wasser enthalten was wieder sehr für die Ventilation spricht. Es bleibt also unbeantwortet.

(20.1) schlitze und öffnungen, 22.03.2005, 14:27, thomas albrecht: gemäß herrn ferdinand buder (der mehr als 60 Jahre wasserräder gebaut hat) kann man den wirkungsgrad durch verbindungsschlitze zwischen den zellen etwas verbessern. sowohl befüllung als auch entleerung nach dem unterwassertauchen profitieren davon. bei niedrigwasser wird der wirkungsgrad jedoch leiden. der weiter oben angesprochene sauerstoffvorhang wird bei trad. holzbauweise durch spez. formgebung der schaufeln und unregelmäßigkeit in ihrer höhe bereits eingesetzt. auch ausnehmungen am kranz wurden schon probiert, mit dürftigem erfolg.

(20.1.1) Re: schlitze und öffnungen, 23.03.2005, 14:55, Helmut Lehner: Die Beiträge zu dem Projekt sind für mich eine gute Informationsquelle. Die meisten Beiträge zielen auf die Optimierung der Konstruktionsweise eines oberschlächtigen Wasserrades ab. Obwohl die Zellenrad-Konstruktion von allen anderen Wasserrad-Arten die höchste Leistung erzielt, ist ihre Wasserkraft-Ausbeute m.W. begrenzt. Nach meinem bisherigen Kenntnisstand beträgt das maximale mögliche Schluckvermögen 200 Liter pro 1 m Radbreite (bei welchem Durchmesser?). Die Oberwassertiefe am Absturzgerinne soll die Zellentiefe (oder Zellenkranzhöhe?) für ein optimiertes Schluckvermögen (-verhalten) nicht überschreiten. Trifft dies zu? Weiter würde mich interessieren in welchen Verhältnis die Zellenkranzhöhe sich zum Laufrad-Durchmesser verhält. Wo liegt die maximale mechanische Leistungsgrenze (P mechan.) eines oWR (60.000 Nm/sec = 60 x 0,8 = 48 kW elektr. P?) Wie hoch ist die maxmale erreichbare Drehzahl (15 oder 30 U/min) bei einem oWR bzw. die verarbeitbar Fließgeschwindigkeit max. v = g. Ist der potentielle Volumenstrom Q größer als der verarbeitbare Q, dann dürfte das oWR der Leistungsgewinnung Grenzen setzen. Bei welcher mechanischen Leistung spricht man von einer Kleinstwasserkraft-Anlage (15 kW -fwu Siegen) und wann von einer Kleinwasserkraft-Anlage? Für entsprechende Kommentare wird im voraus gedankt.

(20.1.1.1) Dimensionierung des oberschlächtigen Wasserrades, 25.03.2005, 00:51, Manfred Brücher: Den Raddurchmesser wählt man stets ca. 0,4m kleiner als die Fallhöhe - wenngleich man darüber streiten kann.
Ein breites Rad ist vom Wirkungsgrad her besser als eins mit einer großen radialen Tiefe. Man kann aber bei kleinen Rädern die radiale Tiefe nicht so groß machen wie bei einem großen, weil man prozentual mehr verliert wenn sich der Schwerpunkt nach innen verschiebt. Etwa 0,4 m für die radiale Tiefe sollte man nicht überschreiten besser sind Werte um 30 cm. Es kommt aber darauf an ob man viel Wasser hat und in achsialer Richtung kann man nicht immer beliebig breit bauen. Wer biegt einem so breite Bleche, und die lange Welle muss für das schwere Rad ausgelegt werden. Entscheidend sind auch die Kosten.
Allgemein rechnet man Q=b*a*u*0,4 mit
Q = Wassermenge in m^3/s
b = Breite
a = radiale Tiefe
u = Umfangsgeschwindigkeit
0,4 = Füllfaktor 0,3...0,4 je nach Wandstärke und Material der Zellen
Dann erhält man die Nennwassermenge. Bei dieser sollte das Rad etwa den besten Effekt haben. Hat man 20 % mehr, sollte immer noch jeder Liter mehr, ein mehr an Leistung bringen - aber irgendwann eben nicht mehr. Deshalb spreche ich nie gerne vom Schluckvermögen

Die Schluckweite sollte sollte möglichst größer als der Wasserstrahl bleiben, und auch hier ist ein breites Rad besser als eins mit zu wenig Zellen (Zellen Anzahl kontra Schluckweite).

Die optimale Drehzahl - nicht die Leerlauf-Durchgangsdrehzahl, sie liegt etwa 3 mal höher - errechnet sich aus der optimalen Umfangsgeschwindigkeit von 1,3 bis 1,6 m/s.

Alte Zöpfe abschneiden

(21) Auch wenn heute (fast) jeder sagt die Zuflußgeschwindigkeit soll der Umfangsgeschwindigkeit entsprechen kamen mir später wieder Zweifel. Schreibt doch W. Müller von einer Vorwasserhöhe von gut 40 cm was einer Geschwindigkeit von 2,9 m/s (c1 = 2u) entspricht. Er widerspricht sich damit stellenweise in dem Buch.

(21.1.2) Re: Alte Zöpfe abschneiden, 22.11.2002, 18:36, Gerald Mueller: oops, soll natuerlich umgekehrt sein; die Zellengeschwindigkeit ist 0.4 - 0.6 der Zuflussgeschwindigkeit. Das hat einige Implikationen was den Betrieb am Effizienzoptimum angeht. Bei freiem Zulauf sollte das Rad mit variabler, bei Zulauf mit (geregeltem) Sapnnschuetz kann es mit konstanter Geschwindigkeit betrieben werden. Meerwarth's Dissertation ueber 'Theoretische un experimentelle Untersuchungen am oberschlaechtigen Wasserrad' ist glaube ich an der Unibibliothek Stuttgart erhaeltlich.

(21.3.1) Re: Alte Zöpfe abschneiden, 23.04.2004, 09:58, Josef Gartner: Zwei Gründe:#
1. Je schneller das Rad dreht, desto stärker werden die Spritzverluste beim Einlauf (das Wasser läuft dann nicht mehr sauber in die Kammern, sondern wird zu einem Teil von den schnell vorbeidrehenden Radkammern weggespritzt).#
2. Je schneller das Rad dreht, desto weiter wird das in den Kammern befindliche Wasser an der "Rückseite" wieder mit hoch gezogen, wodurch Gewichtsverluste entstehen.#
Lt. den alten Büchern liegt die optimale Umdrehungsgeschwindigkeit bei 1,37 m/s. Man kann in einem gewissen Bereich davon abweichen, so von 1,2 bis 1,5 m/s. Würde sich das ganze nicht so verhalten, so würde es keine Leerlaufdrehzahl des Rades geben. Hängt man also "hinten" keine Last an das Rad (Generator, mechanischer Antrieb) und läßt das Wasser laufen, wird irgendwann eine Drehzahl erreicht, welche dann nicht mehr überschritten wird. Das ist der Punkt, an dem die Spritzverluste (hauptsächlich) durch die schnelle Drehzahl so hoch werden, daß sich das Rad dreht, aber keine weitere Leistung mehr entsteht. Gäbe es keine Verluste, würde sich das Rad unendlich immer schneller drehen. Glaube, das ist einleuchtend, daß das nicht den Tatsachen entspricht.#
Josef Gartner

(21.3.2) Re: Alte Zöpfe abschneiden, 24.04.2004, 00:32, Manfred Brücher: Bei höheren Drehzahlen wirkt sich die Fliehkraft teilweise positiv aus. Sie beschleunigt die Entleerung und legt den Schwerpunkt des Wassers in den Zellen weiter vom Zentrum weg. Damit verringert sich aber auch das Fassungsvermögen der Zellen und die Entleerung beginnt zu früh. Zu den Verlusten durch Sprizer beim füllen und durch hochziehen hinter dem unterern Totenpunkt kommen auch noch weitere Verluste wenn das Rad schneller läuft. Einmal die Masse des Wassers im Rad selber. Die Energie steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit mal die Masse des Wassers. Dann die Stoßverluste beim Füllen, sieht man einmal von den erheblichen Spritzverlusten ab. Das Wasser muß von einem schnell drehenden Rad erst beschleunigt werden. Dies wird auf dem Schaufelrücken geschehen. Dadurch geht die Höhe der radialen Tiefe und die Stauhöhe des Wassers im Gerinne, zusammen vielleicht 50 cm, verlohren. Dazu der Stoßverlust - die alten Bücher haben schon recht - so um die 1,3 m/s und mäßig darüber ist die optimale Umfangsgeschwindigkeit des oberschlächtigen Rades. Rechnet man heute die kosten des Rades hinzu kommt man vielleicht auf 1,5 m/s und mehr. Schneller ist aber nur dann sinnvoll wenn ein vorübergehendes Wasser-Überangebot verarbeitet werden soll. An diesem Punkt muss man sich aber fragen, wie man denn die Raddrehzahl im laufenden Betrieb ändern kann. Mechanisch per Schaltgetriebe, Kupplung, Riemenscheiben wechseln, elektronisch durch Umrichter hinter einem Permantentmagnet- oder Synchron-Generator, elektrisch durch polumschaltbaren Asynchron-Generator. Wobei letzteres vom Wirkungsgrad her die wohl schlechteste Lösung ist.
OK noch eine einfache bildliche Erklärung: Die Fallbeschleunigung auf der Erde. Da gab es doch mal diese Fahrstühle ohne Türen. Oben geht man rein, fährt damit runter und unten macht man einen Schritt raus. Läßt man diese Dinger schneller laufen, wie fühlt man sich dann? Oben springt man rein, wird man von der Decke nicht erschlagen, so ist einem schwerelos, schafft man es raus zu kommen, ist der Aufprall jäh und hart;) Das oberschlächtige Wasserrad ist ein Gewichtkraft-Motor, wohin geht die Energie, wenn man es schneller laufen lässt?

(22) Legt man eine Wasserwalze mit c1 = u auf das Rad so drückt doch das Gewicht des Wassers auf den Schaufelrücken und damit in die falsche Richtung und wird auch noch falsch beschleunigt.

(22.1.1) 22.11.2002, 23:31, Manfred Brücher: Ich würde sagen doch es drückt, und zwar in die falsche Richtung:
Angenommen man hat eine Rampe (geneigte Ebene) welche auf Rollen gelagert auf einer Ebene steht. Kommt jetzt eine Kraft von oben weicht die Rampe nach rückwärts aus.
Und nochwas spricht für die hohe Wassergeschwindigkeit: Ein langsamer Wasserstrahl ist sehr dick. Er verhindert das austreten der Luft aus der Zelle da die Schluckweite möglcherweise kleiner ist als die dicke des Wassers.
Wenn das Wasserrad durchgeht gelangt nur noch wenig Wasser in die Schaufel; das meiste wird vom Schaufelrücken weggeschlagen, wesshalb die Durchgangsdrehzahl gar nicht so hoch sein kann

(22.1.1.1) 11.07.2003, 11:11, Josef Gartner: Wenn das Wasser mit höherer Geschwindigkeit zufließt wie die Geschwindigkeit des Rades ist, und dies wird der Fall sein, drückt dies nicht rückwärts, weil der Wasserstrahl ja nicht senkrecht von oben kommt sondern mit eben dieser, abnehmenden Geschwindigkeit vom waagrechten her in einem senkrechten Übergang in die Schaufeln so einfließt, daß der größere Teil den Radboden und je nach dieser Geschwindigkeit und Eintrittswinkel ein kleinerer die Innenseite der vorderen Schaufel bzw. die Rückseite der oberen Schaufel trifft. Die Größe der Schaufeln muß auf die Wassermenge bei vorgeschlagener langsamer Einlaufgeschwindigkeit und dem damit "dickeren" Wasserstrahl ausgelegt sein, so daß die Luft problemlos entweichen kann. Es ergibt sich das Fazit: Die Leistung eines oberschlächtigen Wasserrads ist um so höher, je besser die zur Verfügung stehende Fallhöhe genutzt werden kann, also je größer das Rad ist. Schnellere Einlaufgeschwindigkeiten sind nur mit kleineren Raddurchmessern zu erreichen, weil man ja vor dem Rad ein Gefälle braucht, was man sich ansonsten sparen kann, ja das Gerinne soll sogar leicht ansteigend sein, um dem Wasser Geschwindigkeit zu nehmen und einen größeren Raddurchmesser und damit mehr Leistung zu ermöglichen. Ein oberschlächtiges Wasserrad ist immer eine Wasserkraftmaschine, die fast ausschließlich mit dem Gewicht des Wassers arbeitet und nicht mit der Strömungsenergie. Die Strömungsenergie mit einem oberschlächtigen Wasserrad vernünftig zu nutzen wird nicht funktionieren, das haben schon mehrere versucht. Man ist immer besser dran, wenn man versucht, das Gewicht möglichst gut zu nutzen und die Strömungsenergie zu vernachlässigen. Diese können andere Wasserkraftmaschinen konstruktionsbedingt wesentlich besser nutzen, jegliche Turbinen und auf der Wasserrad-Seite z. B. das Zuppinger-Rad.

(22.1.1.1.1) 12.07.2003, 19:55, Manfred Brücher: Bei mir hat das Gerinne auch ein, sogar starkes Gegengefälle. Das dient aber nicht dazu das Wasser zu bremsen, ganz im Gegenteil.
Die beste Methode die Leistung zu erhöhen ist die Wassermenge, aber darum geht es hier nicht.
Die Herren Müller, Staus, Meerwarth und andere haben den Wirkungsgrad sehr genau untersucht. Meerwarth hat auch schöne Diagramme erstellt die deutlich zeigen wie der Wirkungsgrad von der Stauhöhe im oberen Schützenkasten abhängt.
Wassergeschwindigkeit = Radumfangsgeschwindigkeit => ca. 75%
Wassergeschwindigkeit = ca. 2 fach Radumfangsgeschwindigkeit => ca. 85%
Diese 10% - Punke mehr Leistung will ich und zwar sobald Wasser auf das Rad kommt.
Meerwarth und W.Müller kann man ausleihen: TIBORDER und Uni

(22.1.1.1.1.1) 14.07.2003, 08:27, Josef Gartner:
|Bei mir hat das Gerinne auch ein, sogar starkes Gegengefälle. |Das dient aber nicht dazu das Wasser zu bremsen, ganz im |Gegenteil.

Zu beschleunigen? Nein, ein Gerinne mit starkem Gegengefälle dient i. d. R. dazu, die Stauhöhe zu erhöhen. Wäre das Gerinne eben, hätte das Wasser wohl annähernd ähnliche Geschwindigkeit nur der Raddurchmesser würde kleiner.

|Die beste Methode die Leistung zu erhöhen ist die |Wassermenge, aber darum geht es hier nicht.

Oder die Fallhöhe zu erhöhen. Aber es geht um besseren Wirkungsgrad bei gleicher Fallhöhe und gleicher Wassermenge.

|Die Herren Müller, Staus, Meerwarth und andere haben den |Wirkungsgrad sehr genau untersucht.

Ich habe Müller und Meerwarth vor ca. 3 Jahren vor dem Bau meines Wasserrads gelesen. Gebe aber zu, daß ich nicht mehr jedes einzelne Diagramm kenne.

|Wassergeschwindigkeit = Radumfangsgeschwindigkeit => ca. |75% Wassergeschwindigkeit = ca. 2 fach |Radumfangsgeschwindigkeit => ca. 85%

Soweit ich mich erinnern kann, ist dabei aber außer Acht gelassen, daß man um die doppelte Wassergeschwindigkeit zu erreichen, das Wasser mittels einem Gerinne mit Gefälle in Fließrichtung beschleunigen muß. Um dies zu erreichen, muß man entweder die Stauhöhe im Oberwasser erhöhen (aber das wollen wir nicht, es geht ja um Wirkungsgradverbesserungen) oder auf einen Teil der Fallhöhe beim Rad verzichten und dieses kleiner machen. Jetzt mag es schon sein, daß der Wirkungsgrad des Rades selbst bei beschleunigtem Wasser steigt. Man sollte aber mit dem Gesamtwirkungsgrad oberer zu unterer Wasserspiegel rechnen. Es stellt sich also die Frage: Möglichst großes Rad mit ansteigendem Gerinne oder kleineres Rad mit Gefälle im Gerinne. Wobei man mit jedem Schritt in Richtung kleineres Rad mehr in Richtung Strömungsmaschine kommt. Irgendwann bin ich dann besser bedient, gleich eine Turbine einzusetzen. Durchströmturbinen z. B. der Fa. Ossberger arbeiten nach dem von Dir angestrebten Prinzip mit allen Nachteilen wie Rechen, Regelung usw.

|Diese 10% - Punke mehr Leistung will ich und zwar sobald |Wasser auf das Rad kommt.

Das ist ja durchaus verständlich. Ich habe vor dem Bau meiner Anlage auch gedanklich alles mögliche durchgespielt. Für mich bin ich aber zu dem Schluß gekommen, auch nach Rücksprache mit einigen Herstellern, daß es das sinnvollste ist, den Raddurchmesser bei ansteigendem Gerinne möglichst groß zu wählen. Das Rad "streicht" bei Normalwasser das Unterwasser und taucht bei höheren Wasserständen in dieses z. T. ein. In der Praxis spielen auch Spritzwasser, Lauf- und Geräuschverhalten eine Rolle. Infos übrigens unter http://www.gartner.iivs.de/wka.

(22.1.1.1.1.1.1) 20.07.2003, 18:25, Manfred Brücher: Es geht nicht darum aus dem Wasserrad eine Turbine zu machen. Es sollen nur maximal 40 cm vom Gefälle in Geschwindigkeit verwandelt weden. Jede Übertreibung ist ein Fehler.
Ein Schußgerinne zur Erhöhung der Wassergeschwindigkeit wird einige Verluste verursachen, wegen der großen Reibungsfläche. Wie sich das S - förmige Leitblech auf den Wirkungsgrad auswirkt ist noch nicht bekannt.
Wer den Wirkungsgrad seines Wasserrades kennt, möge den bitte hier posten. Natürlich, wie Eingangs erwähnt, gilt hier Oberwasserspiegel zu Unterwasserspiegel als Fallhöhe.

(22.1.1.1.1.1.1.1) 21.07.2003, 10:24, Josef Gartner: Ich habe den Wirkungsgrad meiner Anlage unter Punkt 47.1.1.1 gepostet. Wobei man aber diesen nicht direkt vergleichen kann, weil das Wasserrad nicht aus Stahl sondern komplett aus Lärchenholz besteht und es natürlich klar ist, daß man damit keinen so guten Wirkungsgrad wie mit einem Stahlrad erreichen kann (größere Materialdicke, keine so guten Formgebungsmöglichkeiten, glaub Rest ist Dir bekannt). Demgegenüber hat es aber andere Vorteile, z. B. Geräuschverhalten.

Ich habe vor dem Bau meines Rades mit mehreren Herstellern gesprochen. Ich bin zunächst auch auf den gleichen Gedanken gekommen wie Du, das Wasser mittels abschüssigem Gerinne zu beschleunigen. Ausnahmslos alle Hersteller haben mir davon abgeraten.

Ich habe viele Anlagen verschiedener Hersteller und eigengebaute besichtigt, darunter welche mit ansteigendem, ebenen und abschüssigem Gerinne. Das beste Laufverhalten haben die Räder mit ansteigendem und ebenem Gerinne. Denn je mehr Du das einlaufende Wasser beschleunigst, desto mehr Spritzwasserverluste hast Du. Das Gerinne muß um so schmäler ausgeführt werden, je schneller das Wasser läuft, da die Luft am Wasserradeinlauf schneller entweichen können muß (also ein Spalt seitlich beim Einlauf bleiben muß). Daraus folgert dann wieder ein ungünstigerer Einlauf mit höherer, schmälerer Wassersäule. Trotzdem wirst Du das Spritzverhalten nicht vollständig in den Griff bekommen mit allen Nachteilen, z. B. Vereisung im Winter.

Sagen wir mal, Du gewinnst wirklich 10% Wirkungsgrad durch schnelleren Einlauf, verlierst davon 5% wieder durch Spritzwasserverluste und Reibung am Gerinne, bleiben also 5%, erkaufst dies aber durch höhere Geräuschbildung und starkes Spritzwasser. Dadurch starke Vereisung. Dann steht das Rad im Winter zwei Wochen, wodurch Du im Jahr gesehen mindestens die 5% wieder verlierst, außer Du baust eine Einhausung, was zusätzlichen Investitionsaufwand bedeutet.

Alle, mit denen ich gesprochen habe, die ein leicht abschüssiges Gerinne gebaut haben, waren im Nachhinein davon nicht mehr so überzeugt. Nur daß man dieses halt nicht mehr ohne Fallhöhenverlust korrigieren kann, man kann das Rad ja nicht mehr einfach kleiner bauen. Naja, beim nächstenmal...

Da hab ich mir gedacht, hörst Du doch lieber auf Leute, die schon seit Generationen Wasserräder bauen (ja, solche gibt es noch), und die strikt von einem abschüssigen Gerinne abraten. Ich habe es nicht bereut ;-). Das mit dem abschüssigen Gerinne ist übrigens die "Standardidee", auf die jeder kommt, der ein neues Rad bauen will, und die ein Hersteller erstmal ausreden muß.

Aber mach, was Du für richtig hälst, ich werde Dich sicher nicht aufhalten.

(23) Denkt bzw. konstruiert man ein Rad mit runden Schaufeln jedoch ohne innerer Radius und ohne Radboden so hätte man ein Turbinenlaufrad konstruiert. Kommt jetzt das Wasser von oben so läuft das Rad sicher rückwärts. Es wird sogar noch rückwärts laufen wenn das Wasser fast tangential einfließt. Das kann man auch mit einem Laufrad eines Ventilators (Radiallüfter) testen.

(24.1.1.1) 21.07.2003, 13:30, Josef Gartner: Richtig, wobei dieses wieder von der Steilheit der Schaufeln abhängt. Steilere Schaufel = weniger Aufschlag, spitzere Schaufel = mehr Aufschlag aber in anderem Winkel, jedoch auch: steilere Schaufel = frühere Entleerung, spitzere Schaufel = spätere Entleerung. Obige Darstellung ist jedenfalls übertrieben bzw. würde bei Wassergeschwindigkeit = null zutreffen. Natürlich ist das ganze wesentlich abhängig von der Einlaufgeschwindigkeit des Wassers und der Umdrehungszahl des Wasserrads, welche nach meiner Kenntnis zwischen 1,3 und 1,4 m/s betragen sollte, aber das ist natürlich auch abhängig von der Wasserradskonstruktion.

Diese natürlich ist widerum so gesehen ein einziger Kompromiß: steile Schaufel: frühe Entleerung, aber gutes Einlaufverhalten; spitze Schaufel: späte Entleerung, aber schlechtes Einlaufverhalten; Kammern bei Normalwasserstand voll gefüllt: Minimierung der Fallhöhenverluste, aber hohe Verluste durch zu frühe Entleerung; Kammern nur gering gefüllt: größere Fallhöhenverluste, dafür späte Entleerung (sollten nach Herstellerangaben im Normalwasserfall zu 1/3 bis 1/2 gefüllt sein); hohe Raddrehzahl: Minimierung der Radbreite durch Erhöhung des Schluckvermögens, jedoch Wirkungsgradverluste durch schlechte Befüllung und durch hochziehen des Wassers an der Radrückseite; geringe Raddrehzahl: breites Rad und damit höhere Investition notwendig, keine Verluste durch hochziehen des Wassers, gutes Einlaufverhalten, aber höhere Übersetzungen notwendig und dadurch wieder Wirkungsgradverlust. Und das sind jetzt nur ein paar Beispiele.

Wie so oft geht es darum, den besten Kompromiß zu finden. Und es ist halt so, daß ihn viele schon gefunden haben. Sicherlich mag es Detailverbesserungen geben, aber es macht halt keinen Sinn, im wahrsten Sinne des Wortes das Rad neu zu erfinden. Ich kann mit dem Script nichts anfangen, aber ich denke nicht, daß Du damit alle Eventualitäten berücksichtigen kannst. Gerade in diesem Bereich sind Versuche nach meiner Meinung durch nichts zu ersetzen.

(25) Die Wirkung des Wassers durch den Stoß ist unvollkommen, weil ein Teil der Energie durch Wirbelbildung verloren geht, ein weiter Teil in der Geschwindigkeit des abgelenkten Wasserstrahls verbleibt.

(25.1) 30.05.2002, 05:01, Ano Nym: Die Energieübertragung ist, wenn die kinetische Energie des Wassers genutzt werden soll, abhängig vom Impulsübertrag Wasser an Rad. Da das Wasser aber irgendwann mit dem Rad mitlaufen soll, ist es überhaupt nicht möglich diese Energie zu nutzen, sie muß irgendwo abgebremst werden, oder das Wasser und das Rad müssen sich in umgekehrter Richtung bewegen. Es macht also nur Sinn, entweder die kinetische Energie auszunutzen (Wasser bis nach unten fallen lassen = maximaler Impuls, dann auf eine Schaufel treffen lassen und um 180 Grad umlenken = Turbine), oder die potentielle (dann muß das Wasser im Bezugsrahmen des Rades still stehen.

(26)

Füllen mit geringer Geschwindigkeit:
Das Wasser rutscht den Rücken der Schaufel hinab und schlägt auf dem Radboden auf.

Von den Turbinen abgeschaut

(27) Bei der Pelton Turbine wird das Wasser um fast 180° umgelenkt. Vor dem Eintritt in das Laufrad hat das Wasser die doppelte Umfangsgeschwindigkeit (u), bewegt sich also mit u relativ zur Schaufel. Dann wird es um fast 180° umgelenkt; die Geschwindigkeit in der Schaufel ändert sich dabei nicht. Relativ zur Umgebung steht das Wasser jetzt still. Genau 180° ist nicht möglich da sonst die nachfolgende Schaufel auf das ausströmende Wasser stoßen würde. Das oberschlächtige Wasserrad ist ein Gewichtskraft Motor. Nach dem Füllen und vor dem Beginn der Entleerung ist der Wirkungsgrad fast 100% jedoch treten beim befüllen wenn der Rücken der Schaufel getroffen wird Verluste auf. Überspringt das einfließende Wasser den Schaufelrücken und wird in der Schaufel umgelenkt kann man diese Verluste verringern. Eine steil gestellte Schaufel kann leichter übersprungen werden.

Die gegensätzlichen Bedingungen

(28) Das Wasser soll beim füllen den Rücken der Schaufel nicht berühren sondern auf der Innenseite entlang strömen und dann umgelenkt werden um seine Energie abzugeben.

(28.1) Re: Die gegensätzlichen Bedingungen, 18.09.2002, 23:51, Hans Jürgen Riehl: Wählt man die Schaufelform ähnlich der Wurfparabel des einstömenden Wassers, so werden die Schaufelflächen in Umfangsrichtung beim Einströmen kräftefrei. Erst beim Auftreffen auf den Radboden und dann im weiteren Verlauf des Füllvorgangs treten Stoßkräfte auf.#In diesem Zusammenhang wird das durch die radiale Tiefe der Zelle verlorene Gefälle wichtiger als die Minimierung der Einströmverluste. Letztere werden ebenfalls minimiert, wenn man die Zellen breiter statt tiefer macht. Ohnehin ist diese Weise der Leistungsoptimierung nur bei kleinen (unter etwa zwei Metern) Raddurchmessern wesentlich, da ansonsten das Verhältnis Zellentiefe zu Raddurchmesser recht klein wird.

(29) Das erfordert einen recht steil gestellte Schaufel. Diese ist jedoch wegen der dann frühzeitigen Entleerung ungünstig. Aber vorallem ist eine hohe Geschwindigkeit des einfließenden Wassers erforderlich, die mindestens doppelt so groß sein soll als die Umfangsgeschwindigkeit. Ein guter Kompromiss muss her. Jedenfalls ist die Runde Schaufelform immer günstig, auch weil die Entleerung dadurch später beginnt und später endet.

(29.1) Runde, steile Schaufel, 09.06.2002, 11:51, Gasher G.14: Die runde Form der idealen Schaufel leuchtet ein. Was mich aber wundert ist der rechte Winkel, mit dem sie auf den Boden trifft. Dadurch wird der Fluss des einströmenden Wassers in seiner natürlichen Bewegung gebrochen; zusätzlich entsteht von der anderen Seite betrachtet ein Luftwiderstand.
Idealer- weil stromtypischerweise müsste die Schaufel doch beidseitig geschwungen auf den Boden treffen. Ich weiß aber nicht, ob in der praktischen Umsetzung der Aufwand gerechtfertigt ist, da sich eine solche Schaufel zum Boden hin verdicken müsste und sie sich so nicht durch ein einfaches Blech herstellen ließe.
Gasher

(29.1.1) Re: Runde, steile Schaufel, 16.06.2002, 00:26, Manfred Brücher: Für das senkrechte auftreffen der Schaufel auf den Radboden bei dem bestehenden Rad (so wird es heute auch von einigen Firmen gebaut) könnte es zwei Gründe geben:
1. So kann der (hier hölzerne) Radboden wunderbar mit einem einfachen Winkeleisen angeschraubt werden und die Zelle ist dann dauerhaft dicht. Die Herstellung ist einfacher und billiger; ein sauber geschnittenes Blech das senkrecht auf den Radboden stößt ist auch ohne es zu verschweißen relativ dicht, es reicht also eine verzugsarme Punktnaht.
2. Zwar kann man die kinetische Energie des einfließenden Wassers teilweise nutzen http://www.opentheory.org/wasserrad/text.phtml#48 jedoch entsteht nach der Umlenkung ein Impuls in die falsche Richtung. Leitet man das Wasser auf den Radboden wird das vielleicht umgangen.
Ich halte davon aber nicht viel außer man will das Rad mit geringer Wasser-Geschwindigkeit füllen. Eine gute Schaufelform ist http://www.opentheory.org/wasserrad/wrad-optimum-schaufel.gif
Wie kann ich mir Deine angesprochene Schaufel vorstellen? Mach bitte eine Skizze und mail sie mir.

(29.1.2) Re: Runde, steile Schaufel, 19.09.2002, 12:39, Hans Jürgen Riehl: Die Idee ist genau richtig. Leider erfordert die Optimierung dieses Ansatzes hohe Einströmgeschwindigkeiten und gleichzeitig niedrige Umfangsgeschwindigkeiten des Rades, damit sich der Eintrittswinkel während des Einströmvorgangs nicht zu sehr ändert. Diese Einstömgeschwindigkeit muss durch Gefällehöhe erzeugt werden. Eine Optimierung in Richtung Strömungsmaschine. Eine unter anderem bezüglich der Eintrittsverluste optimierte Schaufelform findet man beispielsweise bei der Hydrovolve. Kirchbach (Die Hydrovolve, München 1909) zeigt in seinen Schriften, dass minimale Eintrittsverluste (keine Spritzer), minimale Austrittsverluste (Wasser fällt ohne hohe Strömungsgeschwindigkeit aus der Maschine heraus) und gutes Anlaufverhalten (Vollbeaufschlagung einer Radhälfte im Anlauf) auch bei kleinen (unter 1 Meter) Raddurchmessern erzielbar sind.

(30) Ein weiter Umstand ist der Füllfaktor bzw. die Schaufelzahl. Die Schaufeln sollen nicht mehr als 0,3 bis 0,4 des maximalen Volumen gefüllt werden, sonst beginnt die Entleerung zu früh. Ebenfalls ist eine große Anzahl Schaufeln von Vorteil, macht das Rad jedoch schwerer und teurer.

(31) Es gab bisher 2 Möglichkeiten die erforderliche Geschwindigkeit "2u" zu erreichen. Erstens mit einem Spannschütz an welchem die Innenkante schön abgerundet sein soll. Dieser muss so eingestellt werden, das die Vorwasserhöhe ~ 40 cm konstant bleibt. Zweitens durch den von W. Müller beschriebenen Kulisseneinlauf; auch dieser muss derart eingestellt werden.

(32) Beiden gemeinsam ist der große Nachteil, das sie so leicht verstopfen; bei uns ist ein nicht weit geöffneter Spannschütz im Herbst schon nach wenigen Stunden dicht, wegen den vielen Blättern. Das wird wohl der Grund dafür sein das keiner einen solchen einbaut.

(33) Wie wäre es also wenn man das Vorwasser von der Oberkante holt, es auf einem S - Förmig (wie eine Kinderrutschbahn) gebogen Blech beschleunigt und dann den Strahl tangential umlenkt. Die Vorwasserhöhe ist dabei zwangsläufig konstant. Treibgut fällt einfach mit ins Rad und gibt auch noch seine (Lage)energie ab. Nach kurzem Test mit einem dünnen Blech habe ich mich entschlossen das alte Rad umzubauen. Dabei konnte ich nicht mehr als 23 cm Stufenhöhe erreichen was effektiv etwa 33 cm Fallhöhe oder 2,5 m/s entspricht.

(35)

Füllvorgang bei hoher Geschwindigkeit.
Das Wasser wird von der Innenseite der Schaufel aufgenommen und umgelnkt.
Der Verlust durch dieses Blech kann nicht besonders groß sein
denn in einem in die Strömung gehaltenen Staurohr
steigt das Wasser genau bis Oberkante Vorwasserhöhe.

(36) Das nun abgesägte alte Gerinne hat ein extremes Gegengefälle. Trotzdem gibt bisher keine Ablagerungen oder Verstopfungen; einmal ist ein ca. 12 cm dicker Ast von einem Meter Länge auf dem Blech liegen geblieben - der Rechenlose Betrieb. Das alte Rad macht seither ganz andere Geräusche. Ein paar Schaufeln haben einen anderen, falschen Winkel, wodurch sich die Schluckweite der davorliegenden erhöht. Dadurch stößt mehr Wasser in diese Schaufeln und das "klappern der Mühle " wird hier zum klopfen.

(36.1) 19.09.2002, 13:47, Hans Jürgen Riehl: Jedes Wasserrad zeigt eine Welligkeit des Drehmomentes. Zu dieser Welligkeit tragen zwei Komponenten bei: Lageenergieänderung und Stoßenergieänderung. Einfach zu berechnen ist die Anderung der Lageeinergie. Sie rührt daher, dass die Gewichsbeaufschlagung in diskrete Zellen erfolgt; nicht durch einen kontinuierlichen Gewichtsbelag. Die führt zu den Extremwerten zkrG für das Minimum und (z+1)*krG für das Maximum; mit z = Schaufelanzahl, r effektiver Radius, G Gewichtskomponente. Für große z konvergiert k gegen 0.64. Für Welligkeiten unter 1 % muss man z > 64 machen.

(37) Es ist erkennbar das der Rücken der Schaufeln vom Wasserstrahl getroffen wird aber nicht wie viel davon. Eine Videoaufnahme in Zeitlupe könnte vielleicht helfen. Auch ist das alte Wasserrad anders als das geplante mit sehr flachem Schaufelwinkel ausgestattet, vermutlich um bei geringer Wassermenge noch einen guten Wirkungsgrad zu erzielen; mein Großvater war ja darauf angewiesen auch im Sommer mahlen zu können. Heute ist jedoch die erzielte Jahresarbeit maßgebend.

Zwei Bewegungen überlagern sich

(38) Um eine gute Form und einen guten Winkel der Schaufeln des neuen Rades zu bekommen hatte ich Staroffice eine Tabelle erstellt welche die Form derer durch einige Punkte beschreibt und diese bei der Rotation neu berechnet ebenso auch die Kurve des eintretenden Wasserstrahls.

(39) Zwar ist es gelungen die Formeln dafür zu erstellen, es liegen auch Ergebnisse vor, jedoch komme ich bei der Flut der Zahlen mit deren Interpretation nicht so gut klar.

Der Kern der Sache

(40) Die Stellung der Schaufeln gegen den Wasserstrahl ändert sich fortwährend, so das selbst bei einem steilen Schaufelwinkel noch ein Teil des Wassers auf den Rücken derselben trifft. Eine steil gestellte Schaufel hat jedoch einen frühzeitigen Beginn der Entleerung zur Folge was den Effekt wiederum vermindert. Außerdem wird der Schwerpunkt des Wassers im Schaufelraum weiter nach innen rücken.

Das Skript für Linux

(41) Um die beste Schaufelform zu finden habe ich schließlich ein Perl Skript erstellt welches die Form der Schaufeln und den Weg des einströmenden Wassers berechnet. Die Ausgabe der Daten erfolgt in eine Datei welche dann von dem Programm "Plotmtv" dargestellt wird. Mit Plotmtv wird ein XY Diagramm aus den rohen Zahlenreihen erstellt. Damit kann man z.B. 20 solche Diagramme gleichzeitig berechnen lassen, jeweils eine Momentaufnahme und dann durch einfaches drücken der Taste 'N' (next) den "Film" ablaufen lassen. Das Programm ist weder fertig, noch kann es das fliessverhalten von Wasser simulieren. Es berechnet lediglich die Position des Wassers beim freien Fall überlagert mit der Anfangsgeschwindigkeit und die Drehung der Schaufeln

(41.1.2) Re: Das Skript für Linux, 23.03.2005, 23:25, Manfred Brücher: Ganz am Anfang wollte ich auch ein animiertes Gif als ausgabe des Skripts machen - das ist mir aber nicht gelungen ich weis nicht mehr genau.
Das Problem bzw. eins davon ist, dass ich ja nicht darstellen konnte, wie das Wasser in die Zelle kommt und von dieser abgelenkt würde, sondern nur den Weg des Wassers zeige, welches neben dem Rad mit der einstellbaren Geschwindigkeit fällt - eben die Fallkurve, Erdbeschleunigung senkrecht, konstante einstellbare Geschwindigkeit waagerecht. Erst viel später habe ich die Funktonen geschrieben, welche den Schittpunkt zweier Geraden finden. An diesem Schnittpunkt, Wasserlinie - Zelle wird das Wasser abgelenkt, respektive verwirbelt. Das dürfte äußerst schwierig werden. Ebenso wird Perl nicht die gewünschte Rechengeschwindigkeit bringen, sodass es zu lange dauert bis das Skript beendet.
In diesem Zusammenhang hatte ich mir mal gflow und das bild angeschaut. Es simuliert Strömung um ein Hindernis. Es ist in C geschrieben und das ist nun mal leider nicht meine Sprache, ebenso wie ich aus der höheren Mathematik die dahinter steckt nicht schlau wurde. Es ist Quell - offen, wie fast alles bei Linux, Du kannst ja mal schauen, ob Du was damit anfangen kannst. Will man dann auch noch den Impuls des Wassers beim auftreffen auf die Zelle in das Programm mit einbeziehen, dann sollte sich eine Gruppe von Experten damit befassen. Aber man sieht auch so schon ganz gut, in welchem Bereich der beste Winkel liegt und was eine gute Schaufelform ist.

Dem gegenüber steht aber die Entleerung. Ich hatte in einer Schleife den tiefsten Punkt der Zelle ermittelt und von da an zeilenweise Wasser (Fläche) hinein gerechnet bis die vorgegebene Wassermenge (Fläche) erreicht ist. Ab einer bestimmten Radstellung tritt dann die erste Zeile Wasser (Fläche) über den Rand der Zelle. Hier ist wieder das Problem, dass Wasser erst eine Stauhöhe und auch Zeit braucht, um über den Rand zu treten. Hier greift die Abflussformel für den freien Überfall bei scharfen Kanten sodass die Entleerung erst viel später als gedacht in vollem Umfang beginnt. Im weiteren Verlauf der Entleerung wird Kante der Zelle zumindest immer weniger gegen den Abfluss wirken, eine Stauhöhe zur Aufrechterhaltung der Bewegung des ausströmenden Wassers bleibt dabei jedoch notwendig, sodass auch die Entleerung weit hinter der horizontalen Stellung des Zellenrandes endet.

An dieser Stelle frage ich mich, was dann eine (schlechte) Simulation Wert ist. Zumindest einen Versuch

(42) Die gewünschten Parameter wie Radgöße, Wassermenge, Umfangsgeschwindigkeit,... kann man beim Start eingeben/ändern; eine interaktive Sitzung wäre jedoch besser; kann ja noch werden... Der große Vorteil von plotmtv ist, dass man in das Bild hinein zoomen kann und dabei das Bild nicht pixelig wird.

(42.1) 07.01.2003, 00:34, Manfred Brücher: Um dieses Programm voran zu bringen brauche ich Unterstützung denn ich komme einfach nicht weiter!
Wie berechnet man den Schwerpunkt eines Polygons? Klar man zerlegt es in Dreiecke; da ist der Schwerpunkt leicht zu berechnen. Diese Dreiecke könnte man dann mit dem Hebelgesetz s1 = m2*s/(m1+m2) schrittweise auf einen Punkt vereinigen. Aber wie soll das Programm das Polygon in Dreiecke zerlegen? Es könnte vorkommen das die Schnittline außerhalb der Fläche liegt oder einfach an dem falschen Punkt beginnt.
Mit Lineal und Bleistift ist das kein Problem - aber ich brauche eine Formel!

(43.1) Animation, 08.06.2005, 22:39, Manfred Brücher: Jetzt habe ich mal zwei Animationen erstellt.
Wenn das Wasser doppelt so schnell und
Wenn das Wasser gleich schnell
ist wie die Umfangsgeschwindigkeit des Rades von hier 1,57 m/s. (An den Links zum herunterladen die Zeichen ab dem letzten "/" einschliesslich löschen)

Die blauen Linien sind Ober und Unterkante eines Wasserschwalls von jeweils 25 Millisekunden Länge. Hier wird ein 5m Rad mit 54 Zellen und 1,5m Breite bei 300 l/s simuliert - andere Dimensionen sind natürlich auch möglich.

(44) Den Winkel unter welchem das Wasser beim Eintritt das Leitblech verlässt kann man hier auch verändern, ebenso die Position des Gerinne relativ zum oberen Totenpunkt. Die Simulation hat aber gezeigt, dass eine genau horizontale Befüllung ca. eine Schaufel vor dem oberen Totenpunkt am besten ist.

Der Test mit dem Alten

(45) Zur Herstellung des oben erwähnten S-förmigen Einlaufbleches habe ich ein altes, leicht rostiges Stück Blech verwendet da das ja nur provisorisch sein sollte. Dabei zeigt sich, das schon eine kleine Unebenheit im Blech bei 2,5 m/s eine Störung in der laminaren Strömung verursachen. Es ist also sinnvoll hier ein Blech aus rostfreiem Material zu verwenden. Die Abrundung des Blechs muss sorgfältig erfolgen. Der obere Radius orientiert sich an der Kurve des freien Falls überlagert mit der horizontalen Zuflussgeschwindigkeit. Es sollte keine kleineren Radien und keine Unebenheiten aufweisen, weil das die Ablösung des Wasserstrahls am oberen Radius bewirken kann (freier Überfall). Im letzten Winter bei strengem Frost hatte sich zeitweise Grundeis an diesem Blech gebildet, wodurch die Rinne schließlich zum überlaufen kam. Metall ist nun mal ein guter Wärmeleiter; an der Hölzernen Rinne war fast gar kein Eis angefrohren. Mag sein, dass durch geeignete Beschichtung der Rückseite des Einlaufbleches die Eisbildung vermieden werden kann.

(46) Durch diese Vorrichtung geht die Radgröße in Richtung kleinerer Durchmesser oder bzw. und es bewirkt einen Rückstau im Oberen Mühlgraben. So kann man auch nachträglich noch die Fallhöhe vergrößern in dem man das Ufer erhöht und das verlorene Gefälle im oberen Mühlgraben auf ein Mindestmaß verringert.

(47) Es bleibt aber die Ungewissheit ob bei hohen Geschwindigkeiten das Wasser nicht doch wieder aus den Zellen heraus spritzt. Auch bin ich mir nicht sicher ob es sinnvoll ist das neue Wasserrad 4,8 m also 20 cm kleiner als das alte zu bauen, nur um eine Stufenhöhe von 40 cm zu erzielen.

(47.1.1.1) 14.07.2003, 16:18, Josef Gartner: Sehe ich nicht so (siehe meine Antwort unter 22.1.1.1.1.1). Jedenfalls würde es mich sehr interessieren, wenn Du das Projekt umsetzt, auf welchen Gesamtwirkungsgrad Du letztendlich kommst. Unter Gesamtwirkungsgrad verstehe ich das zur Verfügung stehende Potential oberer zu unterer Wasserspiegel, abzüglich: -Verluste des Wasserrads (Fallhöhenverluste, Spritzwasserverluste etc), -Verluste der Lagerung, -Verluste der Übersetzung (Getriebe, Riemen), -Verluste des Generators.

Bei meiner Anlage, welche von der Konstruktion her mit Deiner nicht vergleichbar ist, weil ich aus verschiedenen Gründen ein Wasserrad aus Lärchenholz verwende, erreiche ich bei Nennwassermenge einen Wirkungsgrad über alles von ca. 65 Prozent. Brutto-Fallhöhe: 3,46 m, Wassermenge: 160 l/sec.

(48) Wenn es gelingt das Wasser ausschließlich an die Schaufelinenseite zu bringen wären es beim füllen Verhältnisse wie bei einer Pelton Turbine. Das heißt bei c1 = 2u bewegt sich das Wasser mit u in die Schaufel, wird umgelenkt und steht still relativ zur Umgebung; die nachfolgende Schaufel stößt mit u auf das Wasser. An dieser Stelle wäre es günstig die verbleibende Energie e = mu^2/2 durch Wirbelbildung zu verheizen da sie sonst einen Impuls in die falsche Richtung zur Folge hätte.

(48.1) 30.05.2002, 05:13, Ano Nym: Das ist aber gerade die gesamte Energie, die dabei zu nutzen wäre. Wenn die gesamte Energie verheizt wird, dann wird sie nicht mechanisch zu Nutzen sein. Damit ist dann die gesamte kinetische Energie (1 x u) verschwendet. Ich denke das das Kriterium für eine Optimierung der Schaufelform eher ist, das das Wasser möglichst nicht herausläuft, bevor es ganz unten ist, und möglichst wenig wieder hochgezogen wird. Bei der ganzen Betrachtung fehlt noch der Aspekt der Fließgeschwindigkeit des Wassers im Zu- und Ablauf. Warum muß das Rad überhaupt im Unterwasser laufen ? Könnte nicht abhängig von der Höhe des Unterwassers das Rad hoch und tief gestellt werden, und so immer der optimale Wirkungsgrad eingestellt werden ? So wie es bisher aussieht, scheint doch das das entscheidende Kriterium zu sein.

(48.1.1) 30.05.2002, 23:56, Manfred Brücher: Bei der Peltonturbine wird in der Düse die potentielle Energie (fast) vollständig in kinetische Energie verwandelt. Das ist hier jedoch nicht gemeint. Beim Wasserrad bewegt sich das Wasser mit dem Rad mit der Geschwindikeit u. Diese geht in jedem Fall verloren. Das sind aber nur z.B. 300l/s * (1,3 m/s) ^2 /2 = 250 Watt. Also wenig im Verhältnis zu der potentiellen Energie 300 l/s * 9,81 m/s^2 * 5,4 m = 15900 Watt also etwa 2%.
Läuft das Rad schneller z.B. u = 2 m/s steigt die Verlustleistung (die ich hier verheizen wollte) auf 600 Watt.
Umfangsgeschwindigkeiten grösser 1,5 m/s sind auch aus anderen Gründen ungünstig z.B. weil dann das Wasser beim füllen noch schneller sein müsste... Auch wenn es im Unterwasser läuft steigt der Widerstand bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten stark an.
Der Raddurchmesser ist nicht verstellbar
Die Verluste durch Tauchung im Unterwasser sind relativ gering wenn es nicht mehr als 10 - 20 cm eintaucht. Entsteht schon bei mittlerer Wassermenge ein Abstand unter dem Rad verliert man Fallhöhe.
Der Wasserstand oben ist meistens auch fest vorgegeben, und so kann man das Rad nicht aus dem UW heben.
Jedoch könnte man das S förmige Blech in der Mitte (an der Stelle wo der Text "Stufenhöhe" steht) teilen bzw. überlappen und dadurch die Stufenhöhe variieren. Es kann aber sein das dann an der Stelle an der sich die beiden Bleche überlappen Luft unter das Wasser gesaugt wird (Venturi-Rohr, Vergaser-prinzip)

(48.1.1.1) neues "unendlich großes" Wasserrad, 24.12.2004, 20:50, Johannes Grießig: Wie wäre es, mal ein "unendlich großes" Wasserrad zu bauen? Ich denke da an ein Becherwek welches rückwärts läuft.Also Becher für Becher wird oben mit Wasser gefüllt und unten ausgeschüttet.Wasserfeste Materialien, wie zB.Zahnriemen oder Fördergurt machen dies erst in jüngster Zeit möglich.Die Abtriebsdrehzahl würde zudem größer, da die Durchmesser der Laufräder kleiner sind.Auch wirken alle Becher mit Ihrem Gewicht am selben "Hebel" im Winkel von 90 Grad.Das Gewicht des Wasserbecherantriebes wird geringer und es liese sich leicht nach oben heben um das Eintauchen ins Unterwasser zu vermeiden.Das unterre Umlenkrad läuft ja nur leer mit. Die Gefällehöhe wäre auch nicht so begrenzt wie beim Wasserrad(Durchmesser über 10m leicht möglich!!!!)Die Fliehkraft beim Wasserbecherantrieb tritt nicht in Erscheinung!

(48.1.1.1.1) Re: neues "unendlich großes" Wasserrad, 30.03.2005, 17:45, Helmut Lehner: Mit zunehmender Fallhöhe dürfte eine Druckrohrleitung zu einer Turbine wirtschaftlicher und technisch wirkungsvoller sein als ein Becherketten-Wasserkraftwerk. Auf Ihre Frage gibt es jedoch insofern eine technische Antwort als die Firma Max-Tec aus Köln ein analoges Wassertriebwerk entwickelt hat. Die Beschreibung ist unter www.max-tec.de aufzurufen. Für allseitige Stellungnahmen von Pro und Kontra wird im voraus gedankt.

(48.1.1.2) neues "unendlich großes" Wasserrad, 24.12.2004, 20:53, Johannes Grießig: Wie wäre es, mal ein "unendlich großes" Wasserrad zu bauen? Ich denke da an ein Becherwek welches rückwärts läuft.Also Becher für Becher wird oben mit Wasser gefüllt und unten ausgeschüttet.Wasserfeste Materialien, wie zB.Zahnriemen oder Fördergurt machen dies erst in jüngster Zeit möglich.Die Abtriebsdrehzahl würde zudem größer, da die Durchmesser der Laufräder kleiner sind.Auch wirken alle Becher mit Ihrem Gewicht am selben "Hebel" im Winkel von 90 Grad.Das Gewicht des Wasserbecherantriebes wird geringer und es liese sich leicht nach oben heben um das Eintauchen ins Unterwasser zu vermeiden.Das unterre Umlenkrad läuft ja nur leer mit. Die Gefällehöhe wäre auch nicht so begrenzt wie beim Wasserrad(Durchmesser über 10m leicht möglich!!!!)Die Fliehkraft beim Wasserbecherantrieb tritt nicht in Erscheinung!

(48.1.1.2.1) Re: neues "unendlich großes" Wasserrad, 06.11.2005, 00:52, Peter Fischer: Da seh ich größere Probleme: Viele Gelenke bzw. flexible Stellen mit wechselnder Beanspruchung. Den Zahnriemen muß man ja auch öfter wechseln als die Zahnriemenräder, und der wwird gemeinhin nicht mit flüssig befüllten Behältnissen belastet. Die Winterfestigkeit, Vereisung, Einfrieren der Kettenglieder (bei einer Eimerkette). »Also Becher für Becher wird oben mit Wasser gefüllt ...« und was Du danebenmeierst, fällt die volle Höhe runter, spritzt und macht Krach. Ich wollte angeregt durch den im übrigen sehr interessanten Thread mal die "Archimedische Schraube" als Kraftmaschine überschlagsmäßig durchrechnen. Als Vorteile hatte ich mir gedacht: Weniger Spritzwasser (in der geschlossenen Variante) Leiser. Kein Schlagen und Rattern, da die Schraubenhalbwindungen von einer Seite voll Wasser laufen und auf der gegenüberliegenden(!) Seite entleert werden. Einfach zu bauen mit heutigen Werkzeugen und Halbzeugen. Da die obere nicht beaufschlagte Seite der Schraube nicht so lange an der kalten Winterluft ist und nicht soweit weg von der (relativ warmen) Wasseroberfläche -> keine Vereisung. Fischsicher. Ein neugieriger Karpfen sollte schlimmstenfalls eine Achterbahn fahrt erleben. Leider hat mit Google verraten, daß da wer schneller war... »Wer hat's erfunden? Die Nürnberger!« Lest mal bitte http://www.ritz-atro.de/shared/documents/prospekte/wks/Wasserkraft_D.pdf durch, da gibt es auch auf Seite 6 ein Leistungsdiagramm und auf Seite 7 ein Wirkungsgraddigramm. In der Schweiz, in einem Ort namens Derendingen gibt es solch eine Anlage. Leider sind die Fotos auf dieser Seite falsch verlinkt: http://www.iskb.ch/archimed.htm Mich würde interessieren, was ihr davon haltet.

(48.1.1.2.1.1) Re: neues "unendlich großes" Wasserrad, 07.11.2005, 08:31, Josef Gartner: Es ist nicht neu, die Fa. Ritz-Atro, eigentlich Hersteller von Pumpen, bietet seit einigen Jahren auch die umgekehrte Nutzung an und inzwischen sind auch Anlagen gebaut und in Betrieb. Ich halte es nicht für schlecht, die Schnecke hat durchaus ihre Daseinsberechtigung. Allerdings hat es, weder optisch noch technisch, viel mit einem Wasserrad zu tun und daher eigentlich hier off topic. Meiner Meinung nach bietet ein oberschlächtiges Rad gegenüber der Schnecke nach wie vor Vorteile, natürlich auch Nachteile. Wenn ich hier einen Vergleich in der Nutzung zwischen verschiedenen Wasserkraftmaschinen machen will, muß ich auch die verschiedenen Turbinenarten einbeziehen und sprenge damit wohl hier den Rahmen. Außerdem, wenn wir schon dabei sind, kennt ihr das: http://www.staudruckmaschine.de/ und was haltet ihr davon?

(48.1.1.2.1.1.1) Re: neues \\\"unendlich großes\\\" Wasserrad, 23.11.2005, 12:25, Helmut Lehner: Die Pilotanlage einer WICON-Staudruckmaschine SDM von Herrn Brinnich aus Wien steht am Mühlgang (Triebwasserkanal der Mur) bei Graz-Seiersberg und ist nie ans Netz gegangen. Der Einbau eines Generators mit Getriebe ist unterblieben. Sie läuft im Unterwasser, was einen Energieverzehr (analog Schiffsmühle) bedeutet. Zudem drückt das Stauwasser oberhalb der Achse entgegten der Kraft-Drehrichtung. Eine weitere Problematik liegt in der Minimierung des Rotationsspaltes, der mit zunehmendem ungenutztem Durchlaß des Volumenstromes energiezehrend wirkt. Die Laufrad-Drehzahl unterliegt dem Impulssatz, wonach mit zunehmender Kraftabnahme die Drehzahl (bzw. Radgeschwindigkeit) im Verhältnis zur Fließgeschwindigkeit sinkt. Die SDM ist eine äußerst massive Schweißkonstruktion und in vieler Hinsicht ein unhandliches Schwergewicht für den Transport und Einbau. Für abgelegene Streusiedlungen in Entwicklungsländer, wo Wasserrad-Energie gebraucht wird, sind leichte Monatagebausätze gefragt. Nach der Defintion von Prof. Dr.-Ing Jensen von fwu-Institut der Uni Siegen ist die SDM ein Untertyp eines unterschlächtigen Wasserrades. Bei der Besichtigung der SDM war diese außer Betrieb, was sie Heute noch ist. Das Prinzip der historischen Stau-Laufräder, auf dem die SDM basiert, ist insofern interessant, da diese das Schluckvermögen von unterschlächtigen WR pro 1 m Radbreite haben und 3/4 vom oWR-Rad-Durchmesser als Fallhöhe nutzen können. Aus den vorgenannten Gründen jedoch dürften diese sich nicht verbreitet haben, zumal die WR von den leistungsfähigeren Turbinen (Francis 1849)zurückgedrängt worden sind. Helmut Lehner

(48.1.1.2.1.1.1.1) Re: neues \"unendlich großes\" Wasserrad, 24.11.2005, 09:46, Josef Gartner: Interessant. Woher beziehen Sie diese Informationen? Das -anscheinend zu Gunsten der SDM geschriebene- "Gutachten" auf deren Webseiten spricht eine andere Sprache. Daß das Prinzip nur richtig funktionieren kann, wenn das OW nicht über Nabenhöhe ansteigt, dürfte klar sein. Ebenso, daß das Einsatzgebiet nicht abgelegene Urwald- oder Entwicklungsgebiete sein können. Wurden tatsächlich niemals Getriebe und Generator installiert, so wird ja auf deren Seiten direkt gelogen. In dem Fall könnte man das Projekt als "eingestampft" bezeichnen.