Liebe Modellbaufreunde,
ich muss heute mal einen alten Baubericht hervorkramen. Ich fürchte, mit mir ist der kleine Hobby-Forscher durchgegangen und die Ergebnisse wollte ich Euch mal zeigen. Vielleicht hilft es ja dem einen oder der anderen...
Also:
Bei meiner E-152-1 bestand ja die Aufgabe, mit möglichst wenig elektrischer Energie aus dem begrenzten Vorrat des verbauten internen Akkus einen hinreichenden Luftzug ("Durchsatz") zu erzeugen, dass am Triebwerksauslass eine sichtbare Rauchfahne hinauskommt. Das hängt natürlich sehr vom Lüfter-("Turbinen-")rad ab. Es geht also nicht darum, einen maximalen Schub zu erzeugen (das Modell soll ja nicht aus eigener Kraft fliegen), sondern einen ausreichenden Luftzug bei möglichst geringem Energieeinsatz zu erzeugen (= hohe Effektivität). Ich hatte seinerzeit einen kleinen Teststand improvisiert, um die Effektivität von verschiedenen Lüfterrädern einschätzen zu können (
klick, etwas nach unten scrollen). Als Indikator habe ich einen Papierstreifen verwendet, der sich, je nach erzeugtem Luftzug, mehr oder weniger weit nach hinten bog.
Das funktioniert zwar prinzipiell, aber das muss doch auch besser gehen!
Klar geht es besser!
Mein erster Gedanke zur Verbesserung war, dass ich dachte, den Luftzug mittels
Prandtl-Sonde zu messen. Das hätte den Vorteil, dass man die Geschwindigkeit Luftzugs direkt in m/s (oder mm/s oder was auch immer) messen könnte.
=> Das funktioniert aber nicht, weil der Luftzug zu gering ist. Man bräuchte als Druckausgleichsmedium etwas mit einer sehr geringen Dichte, sodass man einen messbaren Hub der beiden Vergleichspegel erhalten könnte (was mir so einfiel war Wasser, Ethanol, ... aber alles durchweg ungeeignet).
Mein zweiter Gedanke war dann, einfach hinter das zu prüfende Lüfterrad ein zweites ("Analysatorrad") zu setzen, damit einen zweiten Minimotor anzutreiben und an diesem dann die erzeugte Spannung zu messen, ihn also als Dynamo zu nutzen. Ich gehe dabei davon aus, dass die Geschwindigkeit des Luftzugs die Drehzahl des Analysatorrades bestimmt und die gemessene Spannung des Dynamos ein Maß für die Drehzahl ist. Selbstverständlich bekommt man die genaue Geschwindigeit des Luftzuges erst nach einer Kalibrierung in z.B. m/s heraus, aber mir reichte die Angabe der Dynamospannung in mV.
Mit einem 3D-Drucker kann man sich schnell einen Teststand bauen. Hier mein Modell:
Der Teil mit dem zu untersuchenden Lüfterrad

,
die Analysatorseite mit dem Dynamo

,
hier alles zusammengesteckt. Links der Analysatorteil
Blick von hinten
und das Gleiche in Aktion

.
Folgende Parameter an den Lüfterrädern haben mich interessiert (unter den geometrischen Vorgaben, dass der Innendurchmesser, bedingt durch den Motor, bei 6mm liegt, der Außendurchmesser bei 18mm und die Dicke des Lüfterrades bei 4mm):
- Anzahl der Lüfterblätter
- zu wenige Lüfterblätter -> ineffektiver Transport -> geringer Luftdurchsatz
- zu viele Lüfterblätter -> geringe Abstände der Lüfterblätter -> Lüfterblätter laufen in der Wirbelschleppe des voreilenden Blattes -> geringer Luftdurchsatz
Dazwischen muss es ein Optimum geben. Aber wo?
- Steigung der Lüfterblätter
- kleine Steigung -> geringer Luftdurchsatz
- zu hohe Steigung -> starke Verwirbelungen an den Lüfterblättern -> geringer Luftdurchsatz
Auch hier muss es ein Optimum geben. Aber wo? - Ist eine Verbesserung zu erreichen, wenn die Lüfterblätter eine ansteigende ("variable") Steigung haben, sodass die Luft "sanft" beschleunigt wird?
Dazu habe ich mir einen ganzen Schwung an möglichen Lüfterrädern gedruckt und auch den Lüfter, den ich damals tatsächlich in die E-152-1 eingebaut habe (="Selbstbau", weil er aus Plastiksheet gebaut und nicht nicht gedruckt ist) vermessen. Hier ein Ausschnitt aus den Lüftermodellen
und eine kleine Auswahl in etwas größerer Abbildung

.
Links oben geringe Steigung, rechts oben hohe Steigung, links unten mittlere Steigung, rechts unten variable Steigung und in der Mitte mein "Selbstbau".
Als erstes wollte ich wissen, wie sich die Messspannung am Dynamo bei verschiedenen am Lüftermotor anliegenden Spannungen verhält. Dabei kommen sowas wie Kennlinien heraus - hier am Beispiel eines 12-blättrigen Lüfterrades und meines Selbstbaus:
Was ist daraus abzulesen?
- Mit steigender Motorspannung steigt die Messspannung am Dynamo. Bei beiden dargestellten Lüfterrädern. -> War zu erwarten und zeigt, dass der Messaufbau wohl funktioniert.
- Während die Messwerte des "Selbstbau"-Modells sehr schön auf einer Geraden liegen, sättigt das 3D-Druckmodell ab etwa 1,6V. Warum weiß ich nicht...
- Mein schönes "Selbstbau"-Lüfterrad ist bei jeder untersuchten Motorspannung weniger effektiv als der 3D-gedruckte 12-blättrige Kandidat mit einer mittleren Steigung (hier: 90mm). Manno...

Dann habe ich die ganzen Lüfterradvarianten bei 1,5V vermessen. Zunächst die Effektivität von Lüfterrädern mit 6 Blättern und verschiedenen Steigungen:
Antwort auf Frage 2: Bezüglich der Steigung scheint es so um 90mm ein Maximum zu geben.
Dann habe ich Lüfterräder mit unterschiedlich vielen einzelnen Blättern durchprobiert:
Was ist hier abzulesen?
Antwort auf Frage 1: 12 Blätter liefern für meinen Messaufbau die höchste Effektivität aller hier untersuchten Varianten.
Antwort auf Frage 3: Nur bei weniger als 6 Blättern liefern Lüfterräder mit variabler Steigung geringfügig bessere Ergebnisse also solche mit fester Steigung, darüber sind sie deutlich unterlegen.
Antwort auf eine Frage, die ich gar nicht gestellt habe: Mein schöner Selbstbau (grüner Kreis im Diagramm) schlägt sich bei den 6-blättrigen Lüfterrädern gar nicht so schlecht, obwohl er doch der Leistungsschwächste ist. Gegen den gedruckten 12-blättrigen mit 90mm Steigung ist er aber deutlich unterlegen...
Überrascht hat mich übrigens, dass ich mit dem alten Blatt-Anzeiger die 6-blättrigen Lüfterräder allgemein und speziell meinen Selbstbaulüfter als effektivste Variante gefunden hatte. So kann man sich täuschen!
So, ich hoffe, Euch hat der Exkurs etwas Spaß gemacht - ist mal was anderes.
Wünsche Euch allen noch einen schönen Sonntagnachmittag.