Optimaler Gesamtwirkungsgrad Elektroantrieb für Segler

Hallo zusammen,

habe mir mal folgende Formel überlegt:

Gesamtwirkungsgrad Antrieb = (Modellgewicht in N x Gesamtsteighöhe in m) / (Akkukapazität in Ws),
d.h. wie gut wird elektrische Energie in Höhe umgesetzt.

Eigentlich wäre das doch eine gute Kenngröße für einen Segler-Antrieb.

Z.B. eine Auslegung von mir:
Steiggeschwindigkeit ca. 10m/s, Motorlaufzeit mit 3s 5000 mAh (55,5Wh bei 3,7V/Zelle) ca. 5 min, Fluggewicht ca. 2,8 kg
-> Gesamtsteighöhe 3000m
-> Gesamtwirkungsgrad mit obiger Formel ca. 42 %.

Das kann man z.B. rechnen als Wirkungsgrad Akku/Kabel/Regler 90%, Motor 80%, Propeller 60% -> 0,9 * 0,8 *0,6 = 0,43

Ich habe mal ein paar Vergleichsangaben aus Simprop Prospekten gerechnet, mit Werten zwischen 39 und 45%.

Nun meine Fragen an Euch:
Welche Werte könnt Ihr für Eure Antriebe errechnen / ab wann kann eine Auslegung als gut oder optimal bezeichnet werden?
Gibt es Antriebskombinationen, die einen Gesamtwirkungsgrad >= 50% erreichen können ?

Viele Grüße,

Außenlandung

Hi,
schau doch mal hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Arbeit_(Physik)

Nimmt man die erreichte Höhe und die Masse des Modells, sollte eigentlich ein Vergleich zwischen Eingangsenergie und (über Höhe x Gewicht) gespeicherte Energie möglich sein. Da kann man die Schätzungen validieren.

Das wäre noch ein nettes Feature für den SM3 ...und über den GPS-Sensor sollte auch noch die horizontalle oder beliebig ausgerichtete Beschleunigung einbezogen werden können

Grüsse

Außenlandung schrieb:

Gesamtwirkungsgrad Antrieb = (Modellgewicht in N x Gesamtsteighöhe in m) / (Akkukapazität in Ws),
d.h. wie gut wird elektrische Energie in Höhe umgesetzt.

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http://de.wikipedia.org/wiki/Wirkungsgrad genau so

Steiggeschwindigkeit ca. 10m/s

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Woher kommt der Wert? ich denke, ohne ordentliche Höhenmessung (und -Logging) bringt die Rechnung ziemlich wenig.

Für vergleichbare Werte müssen die Randbedingungen natürlich gleich sein, vorrangig denke ich da an Wind.
Hinzu kommt doch: Wenn auf dem Akku 2000mAh aufgedruckt sind, dann nutze ich die doch nicht komplett, oder? Müsste jetzt so eine typische Entladekurve mal analysieren, aber über den Daumen gepeilt bleiben davon doch 5-10% ungenutzt? Und auf meinem Graupner-Mini-Akku steht sogar "ca. 150mAh", welche Toleranzen gibt es da? Kann man die wahre Nutzkapazität irgendwie herausfinden?

Ich korrigiere meinen eigenen Klugschiss: In den phys. Wirkungsgrad fließt natürlich auch die Horizontalbewegung mit ein, die du (zu Recht) außen vor lässt. Daher ist es nicht exakt gleich. OT Ende.

Hallo,

die von mir gemachten Angaben sind grob gemessene Werte.

Für die Steiggeschwindigkeit anhand Höhenangaben vom Vario
(meines kann alle 20sec eine Höhendifferenz ansagen).
Für die Motorlaufzeit anhand von Motorlauftimer und nachgeladener Kapazität
(besser wäre natürlich, mit Unilog, WattsUp o.ä. die tatsächlich entnommene Kapazität zu messen,
dann hat man das Thema "Akkuwirkungsgrad" schon mal raus).

Die Hauptunsicherheit ist ja die tatsächliche Effizienz des Propellers -
während es für Antriebe ja ein schönes DriveCalc gibt, welches ich auch benutze,
ist mir PropCalc oder ähnliches zu aufwendig bzw. es ist nicht ganz klar,
wie man die Ergebnisse bewerten muß (Propellerrechnungen gehen meist von einer "Reisegeschwindigkeit" aus,
aber ich will ja nur "optimal steigen").

Letzten Endes geht es mir um eine optimale Antriebsauslegung, die den Propeller mit einbezieht.
Insgesamt finde ich, daß für einen Elektrosegler - neben der Steiggeschwindigkeit als solcher -
ja als Auslegungsziel vor allem interessant ist, daß ich mit einer Akkuladung möglichst viele
Steigflüge auf Ausgangshöhe machen kann.
Die obige Formel ist auf beliebe Seglertypen (Thermik, Hotliner) und -größen (Gewichte) anwendbar und kann daher
Antriebsauslegungen auch für verschiedene Modelle in der Effizienz vergleichbar machen.

Da die obige Formel für jeden, der ein Vario bzw. einen Höhenmesser besitzt relativ leicht
mal für den eigenen Flieger ausgerechnet werden kann, bin ich interessiert an Rechenergebnissen von anderen.
Hauptziel dabei ist, im oben genannten Sinne "optimale" Abstimmungen Modell(gewicht) / Motor / Prop zu finden.

@steve:
Ja genau, das ist mein Rechenansatz - Umwandlung der gespeicherten elektrischen Energie in Lageenergie.
Das kann man halt entlang des Antriebsstranges mühsam einzeln zu berechnen versuchen (Motor geht ja noch, aber Prop ist schwierig)
oder durch Messen "über alles" verifizieren.

@Andromepat:
Im vorliegenden Fall ist die Steiggeschwindigkeit gleich der Fluggeschwindigkeit (senkrecht).
Ich nehme auch an, daß nur senkrecht steigen optimale Auslegungen im obigen Sinne ergibt,
da ja sonst durch den Luftwiderstand für den horizontalen Anteil der Flugbahn zusätzlich Energie vernichtet wird.
Aber es könnte sein, daß der Prop (im Falle nicht senkrecht steigen) aufgrund der höheren Fluggeschwindigkeit
in einem besseren Effizienzbereich arbeitet und das wieder kompensiert wird ...
allerdings möchte ich jetzt nicht eine generelle "Dauerfliegerauslegung" betrachten, wo der Propeller u.U. langsam
rotierend immer angetrieben wird, sondern schon "erst steigen, dann segeln".

Viele Grüße,

Außenlandung

... ohhh, in den "Ähnlichen Themen" sah ich gerade, daß es 2003 schon einen Thread dazu gab.

Denke aber, es lohnt sich trotzdem das Thema noch einmal aufzugreifen.

Fragestellung ist in jedem Fall "ich suche den optimalen Antrieb zum gegebenen Modell" und nicht
umgekehrt "ich suche das beste Modell zum gegebenen Antrieb".

Den Artikel "Senkrecht steigen" von Helmut Schenk und das Rechenblatt dazu habe ich studiert -
trifft aber nicht ganz das, was ich will, da im Parameter "Schubüberschuß" schon eine Menge vom Antrieb vorgegeben wird ...

Außenlandung schrieb:

@Andromepat:
Im vorliegenden Fall ist die Steiggeschwindigkeit gleich der Fluggeschwindigkeit (senkrecht).
Ich nehme auch an, daß nur senkrecht steigen optimale Auslegungen im obigen Sinne ergibt, da ja sonst durch den Luftwiderstand für den horizontalen Anteil der Flugbahn zusätzlich Energie vernichtet wird.
Aber es könnte sein, daß der Prop (im Falle nicht senkrecht steigen) aufgrund der höheren Fluggeschwindigkeit in einem besseren Effizienzbereich arbeitet und das wieder kompensiert wird ...
allerdings möchte ich jetzt nicht eine generelle "Dauerfliegerauslegung" betrachten, wo der Propeller u.U. langsam rotierend immer angetrieben wird, sondern schon "erst steigen, dann segeln".

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Unter der Annahme eines idealen Raumes (dh ohne Wind und Thermik) sollte das stimmen. Die Reibung bei voller Geschwindigkeit auf eine Strecke s ist dann konstant, egal ob s in der horizontalen oder vertikalen Ebene liegt oder irgendwo dazwischen.
Für alle weiteren Effizienzfragen fehlt mir die Erfahrung, aber hier im Forum sind ja genug Leute dazu. Die Flugpraxis unterscheidet sich ja auch gern mal von sturen Berechnungen.
Sobald ich die Messmöglichkeit habe, bringe ich meine Daten gerne hier ein. Das könnte eine interessante Datenbank ergeben. Oder gar Faustformeln hervorbringen für Auslegungen, die bis dato mehr über den Daumen gepeilt und via Trial&Error verifiziert werden. Ich finds interessant.

Hallo,

nach Lektüre des 2003er Threads scheint es so, daß nicht nur senkrechtes Steigen betrachtet werden sollte.
Möglicherweise kann man auch mit einem "Senkrecht-fähigen" Antrieb effizienter werden, wenn man auf einer
geneigten Flugbahn steigt.

Daher zusätzliche Annahme:
Da wir "steigen und segeln" und nicht "motorfliegen" wollen, und kräftige Motoren zur Verfügung stehen, soll das Verhältnis
Motorlaufzeit zu Segelzeit (in thermik- und windfreier Luft) < 1:10 sein.
Vielleicht gelingt es, aus dieser (sicherlich etwas willkürlichen) Vorgabe einen minimalen Steigwinkel abzuleiten.

Viele Grüße,

Außenlandung

Hallo,

hier nun zwei eigene Berechnungen sowie drei Berechnungen nach Angaben aus einem Simprop Katalog.

Das gibt mir das beruhigende Gefühl, daß meine eigenen Auslegungen nicht schlechter sind, als die Simprop Empfehlungen.
Aber vielleicht könnten sie noch besser sein ?

Natürlich sind diese ganzen Berechnungen nicht hundertprozentig genau, aber um die letzten 2-3 Prozent geht es mir auch nicht.
Insbesondere Angaben zu entnommener Kapazität und Steighöhe könnten natürlich mit einem Logger noch wesentlich besser bestimmt werden.

Für die Berechnung des Energiegehalts des Akkus in Wattsekunden wird eine mittlere Spannungslage unter Last von 3,7V / Zelle angenommen,
d.h. die verwendete Formel ist Gewicht * Steighöhe / (3,7 * Anz. Zellen* Kapazität *3,6)

Damit Ihr ggf. einfach selbst rechnen könnt,

anbei die verwendete .XLS Datei:

Anhang anzeigen Antrieb Wirkungsgrad.xls

@ Außenlandung

Sehr interessant Dein Ansatz. Allerdings glaube ich, daß die zugrunde liegenden Annahmen etwas zu optimistisch sind.

Eines sieht man jedoch schon jetzt sehr deutlich... es kommt auf den Wirkungsgrad der Luftschraube an! Für die Berechnung des Wirkungsgrades der Antriebsmotoren gibt es schon recht zuverlässige Programme.

Bin auf weitere Beiträge gespannt.

Gruß
Robert R.

Hallo Außenlandung (schöner Vorname ),

ich bin vollkommen bei Dir mit Deinen Überlegungen, mit einer Ausnahme: ersetze bitte in Deiner obigen Formel "Akkukapazität in Ws" durch "Dem Akku entnommene Energie in Ws". Dann bist Du physikalisch richtig. Klugscheißer Modus *off*.

Vor Jahren habe ich für den Dauerflugwettbewerb in Recklinghausen die gleiche Rechnung aufgestellt. Ich kam dabei auf einen Gesamtwirkungsgrad von 57,2%. In Wirklichkeit ist der Wirkungsgrad natürlich etwas besser, da man im steigflug gegen den Luftwiderstand ankämpfen muß, was auch Energie braucht.

Folgende Annahmen habe ich gemacht:
-Wirkungsgrad Getriebe (Reisenauer) = 0,95
-Wirkungsgrad Motor (Tango) = 0,9
-Wirkungsgrad Steller (Jazz) = 0,95

und damit habe ich einen Propellerwirkungsgrad von 70,4% errechnet (Freudenthaler 23"*12").

Die entnommene Energie habe ich mit der nachgeladenen gleich gesetzt, was ja nicht ganz richtig ist. Man muß immer mehr nachladen, als man entnehmen kann. Also wäre der Prop-Eta noch einen Tick besser, oder ist das Getriebe besser als 0,95 oder der Regler? Der Motor mit 0,9 ist schon ein wenig optimistisch.

Jedenfalls hat man so sehr gute Anhaltspunkte.

Mein berechneter Sharon hat bei 5S einen Standstrom von 8,5A und steigt noch relativ gut.

Hallo Gerhard,

ja, natürlich, entnommene Energie in Ws war gemeint -
ich habe nix gegen genaue Begrifflichkeiten

Wenn man den Akku-Wirkungsgrad außer Acht läßt,
dann wäre entnommene Energie = nachgeladene Energie.

Danke für dein Beispiel - es zeigt, daß man für einen guten Gesamtwirkungsgrad nicht senkrecht steigen muß.


Hierzu noch eine Überlegung, die ich ein bißchen ausbauen will:

Bei 30° Steigwinkel doppelter Weg, doch nur halber Schub.
Bei doppelter Modellgeschwindigkeit kommt dieselbe Steiggeschwindigkeit zustande.
Der Prop arbeitet im effizienteren Bereich (siehe Kurve), aber es entsteht ein höherer Energieverlust durch den Modellwiderstand.




Mal angenommen, der Propeller ist so ausgelegt, daß man mit 10m/s senkrecht steigen kann,
dann könnte man theoretisch bei 30° Steigwinkel und 20m/s wieder dasselbe Steigen erreichen.
Der Prop-Wirkungsgrad würde (bezogen auf die obige Beispielkurve) von < 50% auf > 70% steigen - sieht zunächst sehr gut aus.

Allerdings muß für die Widerstandsbilanz des Modells nun der doppelte Weg
und die doppelte Geschwindigkeit (höherer Widerstand) zugrundegelegt werden.

Hier brauchen wir nun eine Modellpolare mit Gleitzahlen bei 10m/s und 20m/s.
Eine Gleitzahl von 1:10 enstpricht z.B. gedanklich einem Modellwirkungsgrad von 90% im Steigflug.
Nehmen wir an, die Gleitzahl verschlechtert sich von ca. 1:15 bei 10m/s auf ca. 1:10 bei 20m/s -
dann würde sich die Modelleffizienz von 93% auf 90% verschlechtern.

Wegen doppeltem Weg müssen wir nun die schlechteren 90% noch quadrieren - es bleiben 81% über den längeren Weg.

Dies würde durch den höheren Prop-Wirkungsgrad trotzem noch überkompensiert ... netto bleibt also ein Plus !

In der Summe würde dies in etwa heißen, daß - gute Modelleffizienz vorausgesetzt -
der Steigwinkel innerhalb bestimmter Grenzen (es greift die Prämisse "Motorlaufzeit : Flugzeit <= 1: 10)
so gewählt werden sollte, daß der Prop in der Nähe Vopt arbeiten kann.

Wenn der Segler z.B. eine Gleitzahl von 1:15 bei geringstem Sinken aufweist, sollte man
mit mindestens 1:3 bei verdoppelter Geschwindigkeit steigen um die Prämisse noch einzuhalten.
Arcsin 0,33 = 20°, d.h. der Steigwinkel sollte wohl nicht < 20° werden, damit kein "Dauermotorflug" entsteht.

In der Summe verspricht - je nach H/D Verhältnis des Props gerade ein Steigwinkel von ca. 30° -45° Verbesserungsmöglichkeiten.
Das muß ich doch gleich mal im Flug ausprobieren


Was meint Ihr zu diesen Überlegungen ?

Viele Grüße,

Georg

Zu untersuchen wäre sicher auch noch der Einfluß der Steigung einer Luftschraube auf den Wirkungsgrad der Luftschraube. Natürlich immer auf die gewünschte Steiggeschwindigkeit bezogen.

Also, hohe Drehzahl/niedrige Steigung oder lieber niedrige Drehzahl und hohe Steigung .... bei einer Gewünschten Steiggeschwindigkeit von z. B. 10m/s.

Gruß
Robert R.

Hallo Robert,

(langsam drehende) Luftschrauben mit höherer Steigung (H/D ~ 1) erreichen natürlich bessere Wirkungsgrade.

Damit man das Wirkungsgradmaximum erreichen kann, müßten sie aber sehr
groß und langsam drehend mit geringem Schub sein.
Das geht dann eher in Richtung Dauerbetrieb (Solarflug oder ähnliches).

Wie man am Diagramm sieht, schlägt sich z.B. eine Rasa 15x8 gar nicht so schlecht,
denn über 80% kommt man sowieso kaum (zumindest wenn ich mal in PropCalc verschiedene Props vergleiche).

Generell ist mein Ziel jetzt nicht eine Spezialauslegung mit Spezialprop, sondern eher,
den richtigen "normal käuflichen" Prop (z.B. CamCarbon) zu verwenden.

Vielleicht stellt hier mal einer einen Gesamtwirkungsgrad für eine Hotliner-Auslegung mit
quadratischem Prop rein (13x13 o.ä.) - das wäre interessant.

Hotliner-Freunde können das prinzipiell so sehen:
Wenn der Standschub das dreifache des Modellgewichts beträgt, kann man hinterher mit dem
der optimalen Geschwindigkeit / dem optimalen Wirkungsgrad des Propellers senkrecht steigen

Gruß,

Georg

Hi

Der letzte Satz von Georg ist genau der Knackpunkt für einen guten Propellerwirkungsgrad .
Wer den mit einem max an Schub fliegt, hat einen schlechten Eta, (an die Latte hängen), er arbeitet am Strömungsabris .
Da muß man an "bestes Gleiten" rann, (am Prop wohlgemerkt) also weniger vom Auftrieb oder Schub nutzen. (Flacher Steigflug).
Geht man mit der Geschwindigkeit bei einem Modell hoch, so um Wurzel 2 ist das nur 41 % schneller und eine Modellfläche kann da das doppelte bis zum Strömungsabriss tragen, liegt daher bei gutem Eta und gutem gleiten.
Auch der Prop sollte nur mit 50 % Standschub ( der Motorstrom sinkt ja ) zum Steigflug genutzt werden.
Den Motor entsprechend wählen, der ist dann ja auch besser.
Die Propsteigung nicht so gering wählen, um mehr Schub zu bekommen, 70 bis 80 % sollten es schon sein, dann lieber einen flotten Steigflug wenn der Prop sonst zu groß würde.
Es ist ein Schub - Steigwinkel - Kompromiß zu suchen .

Gruß Aloys.

Reale Messergebnisse von Seglerantrieben

Reale Messergebnisse von Seglerantrieben

Hallo Außenlandung,

genau Deinen Ansatz aus Treat #1 verfolge ich auch schon eine ganze Weile.
Angeregt wurde ich durch einen Beitrag von Gerhard Hansmann aus dem Jahr 2003.

Zum Glück gibt es ja heute erschwingliche Datenlogger, die auch noch recht genau arbeiten.
Habe meine Elektrosegler entsprechend vermessen und jeweils die Wirkungsgrade des Gesamtsystems bestimmt.

Als Parameter habe ich dabei kontinuierlich Akkuspannung (V), Akkustrom (A) und horizontale Steigleistung des Modells (m/s) aufgezeichnet.
Mit Hilfe des Abfluggewichts konnte dann der Gesamtwirkungsgrad bestimmt werden.

Reale Messwerte des Gesamtwirkungsgrades bewegen sich dabei zwischen 35 % und 50 %.
Neben den Einzelwirkungsgraden von Motor und Luftschraube hat auch die Rumpfform und -größe Einfluss auf das Gesamtergebnis.
Modelle mit "schlanken" Rümpfen haben hierbei bessere Gesamtwirkungsgrade als "Scale-Rümpfe" mit entsprechend größerer umspülter Oberfläche.

Wenn Interresse besteht kann ich die Einzelauswertung meiner Modelle in Tabellenform hier mal posten.

Gruß
Andreas

Hallo Andreas,

ja, ich habe in jedem Fall Interesse ! Vielen Dank schon mal !

Gruß,

Georg

Tabelle Messergebnisse

Tabelle Messergebnisse

Hallo zusammen,

habe mal meine Ergebnisse in einer Excel-Tabelle zusammengefasst.

Neben reinen Seglermodellen habe ich auch Messergebnisse von "Motormodellen" mit aufgenommen.
Hierbei zeigt sich dass große Luftschrauben in der Regel bessere Wirkungsgrade ergeben als kleinere Luftschrauben.

Gruß
Andreas

LS - Drehzahl fehlt. ( unter 3000U/min und über 10.000U/min gehen nicht alle Propeller )
Spannweite ebenso. ( denn eine 20" LS ist bei 1m Spannweite etwas daneben )


beim Condor gehört eine 12x9 .. 13x11 drauf.

Gruß
Andreas