Physikpraktikum

Wirkungsgradverbesserung am Mini-Kraftwerk
(Ce texte n'est pas disponible en français)

Das Mini-EW der INFEL-OFEL bietet ein interessantes Experimentierfeld für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II. Mit Hilfsmitteln, die in Mittel- und Berusfschulen vorhanden sind, hat eine Gruppe von sechs Studenten einige einfach zu bewerkstelligende Änderungen des Mini-EW vorgenommen und damit eine Wirkungsgradverbesserung von über 50 Prozent erreicht.

Lassen Sie eine Gruppe Schüler das Mini-EW &laqno; Bastelsatz Drehstrom » der INFEL verbessern. Die Ergebnisse sind mess- und berechenbar, und die Aufgabe motiviert zum Forschen und Tüfteln. Einige Erfahrungen und Ergebnisse der Schulklasse 2C1 seien hier notiert.

Material:

• ein Drehstromgenerator mit Peltonturbine der INFEL
• kleine Drehbank
• 2 Minikugellager 9 mm
• Gewindestangen M4 und M12
• diverse Schrauben und Kleinmaterial
• Kathodenstrahl-Ozillograph
• ev. Stroboskop
• drei Universal-Digitalmessgeräte

Die Verbesserungsvorschläge

1- Das Wellenlager

Die Originalkonstruktion, ein Messinglager mit Stahlwelle und Anschlagschraube, musste vor allem einfach und kostengünstig sein. Die Studenten ersetzten sie durch zwei Kugellager, die eine M12-Gewindestange eingepasst wurden. Die Achse, eine M4-gewindestange, kann mit Muttern passgenau montiert werden. Ein Bohrloch in der Lagerstange dient zur Aufnahme des Schmiermittels.

Die Vorteile dieser Konstruktion:

• Praktisch spielfreie Lagerung, die ein sehr genaues Justieren erlaubt.
• Reibung dank Kugellager vernachlässigbar klein.
• Reibungsintensive Stellschraube entfällt.
• Spürbare Erhöhung der Drehzahl.

2- Verankerung der Mettalplatten

Je genauer die beiden Mettalplatten fixiert sind, um so optimaler können die drehenden Teile justiert werden. Die Vibrationen der ursprünglichen Konstruktion bedingten einen relativ grosse Abstand zwischen Rotor und Stator. Mit dem Einbau von Verstrebungen (Gewindestangen) an den oberren Ecken der Metallplatten lasse sich diese genau parallel ausrichten und fixieren.

Die Vorteile:

• Vibrationen auf ein Minimum reduziert.
• Abstand zwischen Rotor und Stator mit etwa 0,5 mm äusserst klein.
• Verbesserung des Wirkungsgrads.

Die Verbesserungen sind höhr- und sichtbar. Aus dem Bericht der Studenten: &laqno; Die Resultate der Tests überzeugen: Schon von blossem Ohr stellt man fest, dass die Drehgeschwindigkeit sowohl im Leerlauf als auch im belasteten Zustand gegenüber der ursprünglischen Konstruktion erhöht werden konnte. Allein von Auge erkennt man, dass die Lämpchen, die an die Spulen angeschlossen sind, heller brennen. Natürlich könnten an diesem Kleinst-Wasserkraftwerk noch weitere Verbesserungen vorgenommen werden, zum Beispiel eine bessere Düse.

Messresultate:

Theoretische Grundlagen

Ein Wasserstrahl mit einem Durchfluss Q und einer Geschwindigkeit v prallt auf die Schaufeln der Turbine. Der Strahl wird so auf die Schaufeln gelenkt, dass er von diesen total reflektiert wird. Es handelt sich also um einen zentralen, elastischen Stoss. Das bedeutet für einen sich auf der Turbinenschaufel befindenden Beobachter, dass die Geschwindigkeit des reflektierten Strahls entgegengesetzt gleich gross ist wie die Geschwindigkeit des auftreffenden Strahls.

Wir bezeichnen mit v' die Geschwindigkeit des Wassers nach der Reflexion und mit V die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrads im Abstand R vom Drehpunkt (Mitte der Schaufel). Beide Geschwindigkeiten beziehen sich auf einen ortsfesten Beobachter, der sich zum Beispiel auf dem Turbinensockel befindet. Es gilt dann: