Verfasst 2021 Verfasser: Franz Horn; (Entwurf)

Wir bauen ein Wasserrad

Oberschlächtiges Wasserrad vs. Turbine
Das ergeizige Ziel dieses Projektes ist der Bau eines Wasserades, dass incl. Generator einen Wirkungsgrad von über 75% hat



Inhaltsverzeichnis:

1. Ein Wasserrad neu gedacht

Warum ein Wasserrad

2. Zeichnung und Berechnung

Technische Daten von unserem Wasserrad

3. Der Generator

Ein Konzept ohne Getriebe

3. Mobiles Wasserrad-Modell mit Teststand

Eckdaten, Berechnungen und Zeichnungen

4. Wichtige Links

Uni Darmstadt hat ein Versuchlabor für Wasserkraft



 Ein Wasserrad neu gedacht

 
Warum ein Wasserrad

Die Rückkehr der Wasserräder
Der hoher Wirkungsgrad bei oberschlächtigen Wasserrädern, auch bei schwankendem Wasserangebot, von angeblich bis zu fast 90%, bessere Kleinlebewesen Verträglichkeit (Fischschutz), kein Feinrechen und die damit verbundene Steuerung, keine Steuerung für Leitschaufelnverstellung, kaum Wartung und niedrigere Baukosten im Vergleich mit einer Turbine, sollten mal eine Überlegung wert sein, ein Wasserrad, statt einer Turbine einzusetzen. Man muss sich Fragen warum in jüngster Zeit nicht öfter Wasserräder zum Einsatz kamen. Ein Problem ist, dass die Entwicklung von Wasserräder vor 100 Jahren fast aufgehört hat und es kaum modernen Beispiele in der Praxis in Bezug auf optimale Krümmung und Anordnung der Einlaufschalen für den Laien zur Verfügung stehen. Wichtig für hohe Wirkungsgrade sind: optimaler Zufluss (Beaufschlagung) auf das Wasserrad und optimaler Abfluss aus dem Wasserrad. Auch die Änderung der Fließrichtung im Abflußbereich, aus einem Oberschlächtigem-Wasserrad, wirkt sich Negativ auf die Nutzbare Fallhöhe aus.
Änderungen des Wasserstandes können sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirken. Da bei Hochwasser das Oberwasser und das Unterwasser Steigen müsste es vielleicht eine anhebbare und absenkbare Achse am Wasserrad geben und ein einfrieren des Wasserrades muss verhindert werden.
Oberschlächtig, Mittelschlächtig und Unterschlächtig


Welcher Wasserradtyp ist die erste Wahl und warum
Das Wasser strömt durch eine Rinne (sogenanntes Gerinne oder Fluder) oder ein Rohr zum Scheitelpunkt des Rades, fällt dort in die Zellen und setzt das Rad durch sein Gewicht und seine kinetische Energie (Aufschlagwasser) in Bewegung. Die Fallhöhe liegt üblicherweise zwischen drei und zehn Metern. Oberschlächtige Wasserräder sind seit dem 13. Jahrhundert bekannt.
Im Gegensatz zur Wasserturbine benötigt ein oberschlächtiges Wasserrad keinen Rechen, um Treibgut herauszufiltern, und der Wirkungsgrad ist weniger abhängig von Schwankungen der Wassermenge. Das Einsatzgebiet liegt bei Gefällen von 2,5 m bis 10 m und Wassermengen bis zu 2 m³/s (typisch sind Gefälle von 3 bis 6 m und Wassermengen von 0,1 bis 0,5 m³/s). Für Mühlen liegen die typischen Wasserradleistungen zwischen 2 und 10 kW. Oberschlächtige Wasserräder werden bei Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 1,5 m/s betrieben.

Vergleiche der Wasserradtypen und Auswahl

 Oberschlächtige   Mittelschlächtiges   Zuppinger   Schnecke 
Feinrechen erforderlich nein ? ? ja
Baugröße Klein Mittel Mittel Groß
Wirkungsgrad 80% 75% 80% 80%
Kleinlebewesen- verträglichkeit Sehr Gut Gut Gut Gut



 Zeichnungen und Berechnungen

 
Zeichnungen




Berechnungen
Kranzbreite: 0,25m
Zellenzahl: i = 42
Wasserradbreite bei 40% Befüllung:
Breite des Wasserrades = 1,8m
Generator ohne Übersetzung

Berechnung 1: Leistung, Drehzahl
              Leistung:   0  KW
        Drehzahl:   0  U/min   Drehstromgenerator:   0  polig


Berechnung 2: Drehmomet und Gewicht
         Drehmoment:   0  Nm    Kraft:   0  N
Die Berechnung besagt, dass bei besagtem Hebelarm (Radius) eine Gewichtsraft:   0  kg an der Welle drückt. Diese Berechnung dient nur dazu, um sich einmal vorzustellen um welche Kräfte es sich hier handelt, wieviel Wasser sich ständig bei der angegebenen Leistung, Radduchmesser und Drehzahl, im Wasserrad befinden, bearf einer anderen Berechnung und wird im folgendem ausgerechnet:
Zunächtst wird errechnet wie viele Sekunden das Wasserrad für eine halbe umdrehung braucht: Zeit:   0  sek


Berechnung 3: Kranzbreite, Größe, Anzahl, Breite und Form der Wasserzellen
Die Kranzbreite muss so gewählt sein, dass die Wassermassen bei Nenndurchfluß die in dieser Zone eingebauten Zellen zu ca. 50% befüllen. Je kleiner die Kranzbreite um so weniger die Übergangsverluste des Wassers in und aus der Zelle aber bei gleicher Wassermenge muss dann das Wasserrad breiter werden. Hier gilt es ein gutes Mittelmass zu finden. Die Kranzbreite beim Oberschlägigem-Wasserrad sollte zwischen 20 cm und 40 cm liegen.

Berechnungsformeln Versuche und Globale Variable
Variable mit PHP
y=2

Eine einfache Gleichung: x = 4 + 2



 Der Generator

 
Das System
Die Firma Drews hat sich ein Patent eintragen lassen, bei dem ich nicht sicher bin, auf was sich das Patent beruft. Magnete an ein Wasserrad anzuschrauben, Spulen als Stator, an denen die Magnete vorbei laufen, die Idee gab es schon lange und sie wurde auch schon umgesetzt. Bei dem Konzept der Fa. Drews ist meines erachtens der Wirkungsgrad das ausschlaggebende Argument, wenn hier der Wirkungsgrad auf über 90% kommt, ist dies schon ein Meilenstein und man sollte das Rad nicht nochmal erfinden.
Kaplanturbine mit Generator auf einer Welle (Fa. Watec Hydro)
Das Konzept mit Kaplanturbine auf einer Welle gibt es schon sehr lange. Langsamläufer werden schon seit längerem immer günsteiger und Generatoren mit 100 U/min gibt es schon lange auf dem Markt. In den Windkraftanlagen der Fa. Enercon werden Generatoren eingebau die ohne Getriebe direkt auf der Welle des Windrades eingebaut sind, allerdings in anderen Leistungsdaten als die bei einem Wasserrad, wobei die Drehzahl zwischen Wasserrad und Windrad schon verglichen werden kann.


Das Patent der Firma Drews










Eigene Berechnungen und Proplembehandlung










Rohgerüst Teststand, ein schwerer Anhänger für Tonnen schwere Kabeltrommeln (Bemaßung in mm) hf


 Mobiles Wasserrad-Modell mit Teststand

 
Projekt Beschreibung

Es soll ein Oberschlächtiges Wasserrad mit folgenden Daten gebaut werden:
  Q = 250 l/sek
  Durchmesser Wasserrad 2 m
  Fallhöhe = 2m bis 2,6m
  Wasserrad breite = (muss noch errechnet werden)

Das Wasserrad wir in einen fahrbaren Teststand eingebaut, in dem Zulauf und Ablauf geändert werden kann, desweiteren enthält der Teststand Sensoren mit denen man den Wirkungsgrad des Wasserrades und den Wirkungsgrad des Stromerzeugers messen kann bzw. berechnen kann. Auch die Drehzahl muss geändert werden können.

Zeichnungen des fahrbaren Modells






 Wichtige Links

 
Internet Adressen
  Wichtige Hilfen beim Planen
  VMS-Detmold Berechnungsbeispiel mit Formeln
  TU Darmstadt, Zuppinger Wasserrad
  Fa. Drews Wasserrad mit integriertem Generator
  Private Homepage von Steffen Reichel.
  Berechnungen Obermühle Niederurff (nähe Edersee)
  Wasserradbau Walter Schuhmann Bayern
  Wasserradbau Hesseland Sachsen-Anhalt

Alte Pläne von oberschlächtigen Wasserrädern; Technik Museum Berlin
  4,0 m Raddurchmesser, 0,35 m Kranzbreite; 36 Zellen; 4,5 m Fallhöhe; 600 l/s bei 0,5 Füllung; 75% Wirkungsgrad; 27 PS Nennleistung; 1,518 m/s Umfangsgeschwindigkeit; 7,25 U/min;
  4,0 m Raddurchmesser, 0,35 m Kranzbreite; 36 Zellen; 4,5 m Fallhöhe; 600 l/s bei 0,5 Füllung; 75% Wirkungsgrad; 27 PS Nennleistung; 1,518 m/s Umfangsgeschwindigkeit; 7,25 U/min;
  3,3 m Raddurchmesser; 0,25 m Kranzbreite; 42 Zellen; 3,8 m Fallhöhe; 180 bis 360 l/s; 42 Zellen; 75% Wirkungsgrad; 6,8-13,6 PS Nennleistung; 1,469 Umfangsgeschwindigkeit; 8,5 U/min;
  4,0 m Raddurchmesser; 0,30 m Kranzbreite; 44 Zellen; 4,35-5,25 m Fallhöhe; 190-425 l/s; 42 Zellen; 8-20 PS; 55% Zellenbefüllung; 1,05084 Umfangsgeschwindigkeit; 7,2 U/min;
  3,4 m Raddurchmesser, 0,25 m Kranzbreite; 42 Zellen; 3,9 m Fallhöhe; 150-300 l/s; 42 Zellen; 75% Wirkungsgrad; 5,6-11,2 PS Nennleistung; 1,4684 m/s Umfangsgeschwindigkeit; 8,25 U/min;
  4,1 m Raddurchmesser; 250 l/sek;

Alte Pläne von mittelschlägigen Wasserrädern; Technik Museum Berlin

Alte Pläne von Zuppinger Wasserrädern; Technik Museum Berlin
  5,5 m Raddurchmesser; 1,00 m Kranzbreite; 36 Zellen; 2,05-2,15 m Fallhöhe; 1200 l/sek bei 0,5 Füllung; 65% Wirkungsgrad; 1,65 Umfangsgeschwindigkeit; 5,75 U/min
  5,0 m Raddurchmesser; 1,00 m Kranzbreite; 32 Zellen, 1,6 m Fallhöhe; 3000 l/sek, 1,600 m/sek Unfanggeschwindigkeit; 6 U/min;

Alte Pläne von rückschlächtigen Wasserrädern; Technik Museum Berlin
  5,0 m Raddurchmesser; 0,50 m Kranzbreite; 48 Zellen; 3,5 m Fallhöhe; 250-600 l/sek; 1,636 m/s Umfangsgeschwindigkeit; 6,25 U/min;

Bücher
Theorie und Bau der Wasserräder von Ferdinant Redtenbacher, Direktor der TH Karlsruhe 2. Auflage von 1858
Die Wasserräder von Wilhelm Müller, Nachdruck von 1939 der Erstdruck von 1900 war umfangreicher und hatte 3 Bände
Wasserräder mit Freihang: Entwurf- und Berechnungsgrundlagen von Dirk Nuernbergk, 2. Auflage von 2014
Wie man Wasserräder baut von Richard Brüdern

Bilder
mmm
Analyse der Strömung in einem Zuppinger Wasserrad mittels Particle Image Velocimetry (Uni Darmstadt)