Wirkungsgrad von Segeln - noch mal anders:

Wissenschaft Physik
#1

Liebe/-r Experte/-in,

meine obige Frage an die einzigen 3 Experten und Fortgeschrittenen in Sachgen „Aerodynamik“, die sich in „wer-weiss-was“ tummeln, hat bisher zu keinem Ergebnis geführt. Deshalb richte ich die Frage: „wie hoch kann man den Wirkungsgrad eines Segels (Segelschiff/-boot) maximal ansetzen? Auch für eine Quellenangabe wäre ich dankbar.“ jetzt auch noch an die Anfänger und Interessierten für dieses Fach und mache sie auch für die Flugzeug-Aerodymiker (das sind offenbar fast alle) durch den folgenden Zusatz schmackhaft: Ein besonders effektives Segel für Segelyachten ist das sog. „Wingsail“ (Flügelsegel), siehe z.B. http://www.omerwingsail.com/, das von einer Flugzeug-Tragfläche abgeleitet ist. Also noch mal: Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines Wingsails?

Mit freundlichem Gruß

#2

Hallo Jörg Sommer,

Wirkungsgrad ist ja eigentlich Nutzleistung/Aufwandleistung.

Damit ist Wirkungsgrad ein sehr vielfältiger Begriff, der genau definiert sein will.
Beispiel Kraftwerk:Ist der Aufwand die theoretisch in der Kohle enthaltene Wärmemenge, oder nur das, was auch im Wasser ankommt.
Ist die Nutzleistung das, was die Grenze des Kraftwerks passiert, oder gehört das Umspannwerk auch dazu.

Beim Segel könnte die Aufwandsleistung das sein, was die Luftmenge in der Umgebung des Segels (in einer gewissen Zeit) tatsächlich an kinetischer Energie verliert, und der Nutzen die Geschwindigkeit des Schiffes im Skalarprodukt mit der Kraft des Segels (auch das ist sehr unklar, da, bedingt durch das Schaukeln, das Segel auch noch andere Geschwindigkeitskomponenten als nur ,nach vorne’ ausführt. Insgesamt macht -meiner Meinung nach- ein Wirkungsgrad für ein einzelnes Segel wenig Sinn, zumal ja auch immer genug Energie zur Verfügung steht, (Wenn der Wind bläst). Viel relevanter sind bei Flügeln und (ich vermute) auch bei Segeln, die Kennwerte der Polare, welche je nach Anstellwinkel des Flügels den Auftrieb ins Verhältnis zum Widerstand setzt. Hier gilt es sicher, maximalen Auftrieb (Kraftkomponente senkrecht zur Anströmrichtung) bei minimalem Widerstand (Kraftkomponente in Anströmrichtung) zu erhalten. (Auch das wird erst in Verbindung mit der Polare des Kiels des Schiffes tragfähig)

Also von Hochleistungsflugzeugen weis ich, daß die an Auftrieb-zu-Widerstandsverhältnisse von ca. 60 herankommen. Ein Segel ist natürlich viel ungünstiger, das würde ich eher im Bereich eines Cessna-Flügels verorten (ca. 10)

Das ganze hängt natürlich auch von der Windrichtung ab, je achterlicher der Wind einfällt, desto unschädlicher ist der Widerstand.

Tut mir leid, dir nicht groß weiterhelfen zu können,
aber mir scheint, einen ,Wirkungsgrad’ für ein Segel zu definieren mehr eine PR-Aktion zu sein.

Gruß,
Holger

#3

Zu meiner früheren Aussage ist nichts dazuzufügen, aber vielleicht kann ich doch weiterhelfen:
Mir scheint die Frage nicht richtig gestellt: Bei einem Wirkungsgrad handelt es sich um das Verhältnis von eingesetzter zu abgegebener Energie (z.B. bei einem Motor, einem Getriebe, einer Leuchte). Bei einem Segel fällt mir die Definition eines Wirkungsgrades schwer. Ich könnte mir vorstellen, ihn als das Verhältnis von maximal erzielbarer Kraft (bezogen auf die Segelfläche) und tatsächlich erreichter Kraft zu definieren. Da müßte man erst einmal Klarheit haben. Wie würden Sie selbst den Wirkungsgrad definieren?
Folgender Tip: Es gibt einen Aerodynamiker, der sich gleichzeitig mit Hydrodynamik und wohl auch der Aerodynamik von Segeln befasst hat: Dr. Wolf-Heinrich Hucho. Er ist über das Internet zu finden. Viel Erfolg!
Dr. H.-J. Emmelmann

#4

Hallo Holger,
vielen Dank für die ausführliche Antwort. Zu den Ausführungen im Einzelnen:

Wirkungsgrad ist ja eigentlich Nutzleistung/Aufwandleistung.

Die Aufwandleistung berechne ich nach der in der Windturbinenbranche üblichen Formel für den Energiefluss des auf eine Fläche von 1 qm auftreffenden Windes einer bestimmten Geschwindigkeit in kW. Die Nutzleistung ist das, was davon in Vortrieb des Schiffes umgesetzt wird - ebenfalls in kW. Die durch den Seegang verursachten Effekte werden dabei vernachlässigt, das wird sonst wahnsinnig kompliziert.

Viel relevanter
sind bei Flügeln und (ich vermute) auch bei Segeln, die
Kennwerte der Polare, welche je nach Anstellwinkel des Flügels
den Auftrieb ins Verhältnis zum Widerstand setzt. Hier gilt es
sicher, maximalen Auftrieb (Kraftkomponente senkrecht zur
Anströmrichtung) bei minimalem Widerstand (Kraftkomponente in
Anströmrichtung) zu erhalten. (Auch das wird erst in
Verbindung mit der Polare des Kiels des Schiffes tragfähig)

Also von Hochleistungsflugzeugen weis ich, daß die an
Auftrieb-zu-Widerstandsverhältnisse von ca. 60 herankommen.
Ein Segel ist natürlich viel ungünstiger, das würde ich eher
im Bereich eines Cessna-Flügels verorten (ca. 10)

Das ganze hängt natürlich auch von der Windrichtung ab, je
achterlicher der Wind einfällt, desto unschädlicher ist der
Widerstand.

Der Widerstand kommt erst ins Spiel, wenn man auf die Geschwindigkeit des Geräts aus ist. So weit will ich aber im Moment gar nicht. Mir geht es um Folgendes: Ein Boot kann anstelle eines Segels auch mit einem Windrad angetrieben werden. Da kann man genau berechnen, welche Leistung in Vortrieb umgesetzt wird (siehe oben). Die Frage ist jetzt: Was ist effektiver - das Segel oder das Windrad?

Für weitere Hinweise wäre ich dankbar!
Jörg Sommer

#5

Hallo Jörg,

Hallo Holger,
vielen Dank für die ausführliche Antwort. Zu den Ausführungen
im Einzelnen:

Wirkungsgrad ist ja eigentlich Nutzleistung/Aufwandleistung.

Die Aufwandleistung berechne ich nach der in der
Windturbinenbranche üblichen Formel für den Energiefluss des
auf eine Fläche von 1 qm auftreffenden Windes einer bestimmten
Geschwindigkeit in kW.

Naja, ein Windrad stoppt den Wind ja nicht auf 0m/sek

Für ein Schiff aber offenbar komplizierte,
da der Fahrtwind eine nicht zu vernachlässigende Größe ist, dein Kontrollvolumen daher nicht ruht.

Die Nutzleistung ist das, was davon in

Vortrieb des Schiffes umgesetzt wird - ebenfalls in kW.

Das hängt aber entscheidend auch von der Polare des eingetauchten Körpers ab.

Die

durch den Seegang verursachten Effekte werden dabei
vernachlässigt, das wird sonst wahnsinnig kompliziert.

Habe den Eindruck, daß Du auch so schon ganz schön kompliziert einsteigen willst. Vermutlich wirst Du um irgendein Standardwerk ,Aerodynamik des Segels’ nicht herumkommen. (Verzeihung)

Als studierter Flugzeugaerodynamiker kenne ich den Begriff des Wirkungsrades eigentlich nicht (zumal ,Nutzleistung’ ja nur während des Steigflugs entsteht, im Geradeausflug geht die gesamte Leistung in Erwärmung über, Wirkungsgrad also =0)

Für ein Windrad liegen eigentlich auch klare Verhältnisse vor. Die Leistung geht elektrisch raus, der Aufwand läßt sich mittels eines (groß genugen, theoretisch unendlich großen) Kontrollvolumens aus dem von Dir genannten Energiefluß berechnen.
Der Rest erwärmt die Luft.

Beim Schiff wirds eklig: Die entstehenden Kräfte sind in einem mit dem Schiff mitbewegten System am einfachsten zu berechnen, in die Berechnung von Energieflüssen dürfte aber (über den Gaußschen Satz) auch die Geschwindigkeit des Schiffes mit rein gehen.

Wie schon erwähnt, die Problematik ist sicher schon gut durchdacht worden, Segelschiffe gibt’s ja schon ein weilchen länger…
Aber ich kann Dir da auch nicht weiter helfen.

Viel relevanter
sind bei Flügeln und (ich vermute) auch bei Segeln, die
Kennwerte der Polare, welche je nach Anstellwinkel des Flügels
den Auftrieb ins Verhältnis zum Widerstand setzt. Hier gilt es
sicher, maximalen Auftrieb (Kraftkomponente senkrecht zur
Anströmrichtung) bei minimalem Widerstand (Kraftkomponente in
Anströmrichtung) zu erhalten. (Auch das wird erst in
Verbindung mit der Polare des Kiels des Schiffes tragfähig)

Also von Hochleistungsflugzeugen weis ich, daß die an
Auftrieb-zu-Widerstandsverhältnisse von ca. 60 herankommen.
Ein Segel ist natürlich viel ungünstiger, das würde ich eher
im Bereich eines Cessna-Flügels verorten (ca. 10)

Das ganze hängt natürlich auch von der Windrichtung ab, je
achterlicher der Wind einfällt, desto unschädlicher ist der
Widerstand.

Der Widerstand kommt erst ins Spiel, wenn man auf die
Geschwindigkeit des Geräts aus ist. So weit will ich aber im
Moment gar nicht. Mir geht es um Folgendes: Ein Boot kann
anstelle eines Segels auch mit einem Windrad angetrieben
werden. Da kann man genau berechnen, welche Leistung in
Vortrieb umgesetzt wird (siehe oben). Die Frage ist jetzt: Was
ist effektiver - das Segel oder das Windrad?

Für weitere Hinweise wäre ich dankbar!
Jörg Sommer

#6

Liebe Experten,
ich muss jetzt mal zurückrudern, bevor alles zu kompliziert wird: Gefragt hatte ich nach dem maximalen Wirkungsgrad von Segeln im Allgemeinen und von Wingsails im Besonderen. Meine Hoffnung war, dass da schon Erfahrungswerte vorliegen und mir jemand einfach einen Wert - sagen wir mal: 40% - nennen kann, möglichst noch mit Quellenangabe. Das wär’s dann gewesen.
Ich hatte nie vor, derartige Werte selbst auszurechnen - das kann ich nicht und will es auch nicht - meine Spezialität sind Jachten, die mit Windrad angetrieben werden; den Wirkungsgrad von Segeln brauche ich nur zu Vergleichszwecken.
Ich habe immer noch nicht verstanden, was an dem Wirkungsgrad von Segeln so kompliziert sein soll, oder warum es sogar abwegig ist, so etwas überhaupt ermitteln zu wollen:
Das Energieangebot ist doch wohl klar. Ich sehe keinen Grund, die bei Windrädern übliche Formel nicht auch auf Segel anzuwenden. Also: Auf eine bestimmte Segelfläche trifft bei einer bestimmten Windstärke Wind mit einer berechenbaren Leistung L1 (kW) auf. Es dürfte ausserdem bekannt sein, welchen Vortrieb ein Segel mit der gleichen Fläche bei der gleichen Windstärke maximal (!) erzeugt. Das wäre dann die Leistung L2 (kW). Da gibt es doch garantiert empirische Werte! Da braucht man doch nicht mit Skalaren und allem Pipapo herumzurechnen!
Der Wirkungsgrad ist dann einfach L2 / L1. Was sollte daran verkehrt sein?

Immer noch in der Hoffnung auf eine einfache Lösung und herzlichen Dank für Eure Beträge
Jörg Sommer

P.S.: Wenn alles nichts hilft, frage ich in wer-weiss-was mal herum, ob jemand (empirische oder ausgerechnete, egal) Werte kennt für den maximalen Vortrieb eines Segels mit definierter Fläche bei einer definierten Windgeschwindigkeit. Dann kann ich mir den Wirkungsgrad selbst ausrechnen.

#7

Hallo Kaengo,
ich habe jetzt verstanden, dass es offenbar sehr kompliziert ist, den Wirkungsgrad von Segeln rechnerisch zu ermitteln; bei meiner Anfrage ging ich davon aus, dass entspr. Werte bereits vorlägen.

Emprisch könnte man sie ja sehr einfach ermitteln: Man brauchte nur zwei Segelboote gleicher Bauart und gleicher Beladung nebeneinander herfahren zu lassen (in einem Abstand, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen). Das eine fährt mit Segel, das andere mit einem Motor (am besten E-Motor), aber ohne Segel, Mast und Takelage. Wirkungsgrad von Motor, Getriebe und Propeller sind bekannt. Die Boote fahren z.B. eine Stunde die gleiche Streckeund versuchen, die gleiche durchschn. Geschwindigkeit beizubehalten. Sie haben auch einen Anemometer an Bord, sodass die durchschn. Windgeschwindigkeit bekannt ist. Unter diesen Umständen muss das Segel des einen Bootes die gleiche Leistung bringen wie der Propeller des anderen; letztere ist aber bekannt. Das Leistungsangebot des Windes kann anhand von dessen durchn. Geschwindigkeit und der Segelfläche berechnet werden. Dann hat man alles, was man für die Berechnung des Wirkungsgrades des Segels braucht. Es sollte mich wundern, wenn das nicht schon mal jemand gemacht hat.

Wenn sich hier bei wer-weiss-was nichts mehr ergibt, werde ich mich mal an Dr. Hucho wenden, den mir Herr Dr. Emmelmann empfohlen hat.

Mit freundlichem Gruß
Jörg Sommer

#8

Hi!
Auch das stimmt leider nicht.
Da das Segel ja Abtrift erzeugt, de Motor nicht, muß das segelnde Schiff mit seinem Kiel einen Auftrieb erzeugen, welcher wieder zusätzlichen Widerstand verursacht. (Der Kiel wirkt wie ein Flügel) Daher wird dein Experimenteller Aufbau nur den Wirkungsgrad des Gesamtsystems ,Segelschiff’ bestimmen.

Daß dieser natürlich sehr stark von Windeinfallswinkel und Wind-Geschwindigkeit abhängt, leuchtet ein.

Wie gesagt, von Segeln habe ich auch keine Ahnung, jedenfalls keine akademische, praktische schon, aber ich vermute mal, daß es so ähnlich wie bei Flügeln ist,
da sind Auftriebs/Widerstands-Polaren ein Hauptcharakteristikum, auch noch Anstellwinkel/Auftriebs-Graphen, etc…

1 Like
#9

Hallo kaengo,
vielen Dank für die Antwort. Dazu folgendes:

Hi!
Auch das stimmt leider nicht.
Da das Segel ja Abtrift erzeugt, de Motor nicht, muß das
segelnde Schiff mit seinem Kiel einen Auftrieb erzeugen,
welcher wieder zusätzlichen Widerstand verursacht. (Der Kiel
wirkt wie ein Flügel) Daher wird dein Experimenteller Aufbau
nur den Wirkungsgrad des Gesamtsystems ,Segelschiff’
bestimmen.

Na ja, darum geht es doch gerade! Die Abdrift und die dadurch notwendige Gegensteuerung mit zusätzlichem Widerstand gehört ja notwendig zum Segeln dazu. das geht also mindernd in die Bestimmung des Wirkungsgrades ein, und das ist auch richtig so. Es gibt kein Segeln ohne Abdrift!

mit freundlichzem Gruß
Jörg Sommer

#10

Aber da spielt eben nicht der ,Wirkungsgrad’ des Segels nur eine Rolle, sondern auch der des Kiels und des gesamten eingetauchten Körpers.

Insgesamt erhälst Du so nur einen ,Wirkungsgrad des Schiffes’ und auch noch verkehrt:

Hat der eingetauchte Körper einen sehr hohen Widerstand bei symmetrischer Anströmung, allerdings nur eine geringe Widerstandszunahme, wenn noch eine Seitenkraft
aufzunehmen ist, wird Dein Elektromotor viel Leistung verbrauchen, um das Elektroschiff neben dem Segelschiff zu halten, und Du denkst, Dein Segel hätte einen hohen Wirkungsgrad.
Hat der eingetauchte Körper einen geringen Widerstand, und nimmt dieser jedoch stark zu, wenn noch ein Auftrieb benötigt wird, um die Querkomponente der Segelkräfte auszugleichen, (also z.B. bei einem kurzen Kiel) wird dein Elektroboot mit deutlich weniger Leistung mithalten können. Du kommst dann auf einen geringeren Wirkungsgrad …

1 Like
#11

Hallo kaengo,
ich steh noch ein bisschen auf dem Schlauch. Ich muss das im Einzelnen durchgehen, hoffentlich hast Du noch etwas Geduld mit mir:

Aber da spielt eben nicht der ,Wirkungsgrad’ des Segels nur
eine Rolle, sondern auch der des Kiels und des gesamten
eingetauchten Körpers.

Meinst Du mit „Kiel“ das Schwert? da bin ich einverstanden, denn ohne Schwert kann man nicht ordentlich segeln. Das ist untrennbar mit dem Segeln verbunden (übrigens: bei meinem Vergleichs-Elektro-Schiff müsste man auch das Schwert weglassen, das hatte ich meinen früheren Beiträgen nicht erwähnt). Der „eingetauchte Körper“ geht aber doch wohl nur insoweit ins Kalkül ein, als an ihm mit dem Segeln verbundene Änderungen eintreten, z.B. Gierung und Krängung.

Insgesamt erhälst Du so nur einen ,Wirkungsgrad des Schiffes’

richtig. Oder noch genauer: Wirkungsgrad des Segels mit allem, was notwendig dazugehört.

und auch noch verkehrt:

Hat der eingetauchte Körper einen sehr hohen Widerstand bei
symmetrischer Anströmung,

muss es nicht „asymmetrisch“ heißen?

allerdings nur eine geringe
Widerstandszunahme, wenn noch eine Seitenkraft
aufzunehmen ist, wird Dein Elektromotor viel Leistung
verbrauchen, um das Elektroschiff neben dem Segelschiff zu
halten, und Du denkst, Dein Segel hätte einen hohen
Wirkungsgrad.

Das verstehe ich jetzt gar nicht. Wenn der Widerstand beim Segelboot größer wird, fährt es (bei konstanter Windleistung) langsamer, und das begleitende E-Boot braucht weniger Leistung, um mitzukommen - nicht mehr!

Hat der eingetauchte Körper einen geringen Widerstand, und
nimmt dieser jedoch stark zu, wenn noch ein Auftrieb benötigt
wird, um die Querkomponente der Segelkräfte auszugleichen,
(also z.B. bei einem kurzen Kiel) wird dein Elektroboot mit
deutlich weniger Leistung mithalten können. Du kommst dann auf
einen geringeren Wirkungsgrad …

ja, genau! Der Wirkunggrad des Segels wird gemindert durch das Schwert, durch die Gierung und die dadurch erforderliche Gegensteuerung und evtl. auch durch die Krängung. Deshalb kann das E-Begleitboot langsamer fahren, es braucht weniger Leistung und dieses Weniger entspricht genau den wirkungsgrad-mindernden Faktoren auf dem Segelboot.

Facit: Bei einem Motorboot interessiert ja auch nicht der Wirkungsgrad des Motors allein (also bis Kurbelwelle), sondern der Wirkungsgrad des Motors mit allem, was zu seinem Betrieb auf dem Schiff erforderlich ist (Getriebe, Propeller) und mit den Wirkunggrad-mindernden Faktoren (z.B. Rad-Effekt, der ebenfalls ein Gegensteuern nötig macht). Oder um es mit Alt-Bundeskanzler Kohl zu sagen: Ich will doch wissen, „was hinten raus kommt“.

Analog ist es bei einem Segelboot - siehe oben, ich will das nicht noch mal wiederholen.
Mit freundlichem Gruß
Jörg

#12

Hallo kaengo,
ich steh noch ein bisschen auf dem Schlauch. Ich muss das im
Einzelnen durchgehen, hoffentlich hast Du noch etwas Geduld
mit mir:

Aber da spielt eben nicht der ,Wirkungsgrad’ des Segels nur
eine Rolle, sondern auch der des Kiels und des gesamten
eingetauchten Körpers.

Meinst Du mit „Kiel“ das Schwert? da bin ich einverstanden,

Ja, ich ging von einem Kielschiff aus. Aber natürlich kannst Du den Kiel nicht nur losgelöst vom eingetauchten Rumpf betrachten.

denn ohne Schwert kann man nicht ordentlich segeln. Das ist
untrennbar mit dem Segeln verbunden (übrigens: bei meinem
Vergleichs-Elektro-Schiff müsste man auch das Schwert
weglassen, das hatte ich meinen früheren Beiträgen nicht
erwähnt).

Alles klar, damit hättest Du aber auch keinen Wirkungsgrad nur des Segels, sondern von der ,Segel-Schwert’-Kombination

Der „eingetauchte Körper“ geht aber doch wohl nur

insoweit ins Kalkül ein, als an ihm mit dem Segeln verbundene
Änderungen eintreten, z.B. Gierung und Krängung.

Nein. Eingetauchter Körper und Schwert fangen die Seitenkraft auf. Das tun sie dadurch, daß sie nicht genau symmetrisch angeströmt werden (Ein wenig driftet das Schiff immer). Durch die asymetrische Anströmung entsteht am Kiel/Rumpf Auftrieb (Kraftkomponente senkrecht zur Anströmung, dieser Kompensiert die Querkomponente der Segelkraft.

Leider erzeugt der Auftrieb am Kiel aber auch noch einmal einen zusätzlichen Widerstand, ergo wird der Widerstand Deines Segelschiffes größer sein als der des baugleichen Motorschiffes.

Insgesamt erhälst Du so nur einen ,Wirkungsgrad des Schiffes’

richtig. Oder noch genauer: Wirkungsgrad des Segels mit allem,
was notwendig dazugehört.

und auch noch verkehrt:

Hat der eingetauchte Körper einen sehr hohen Widerstand bei
symmetrischer Anströmung,

muss es nicht „asymmetrisch“ heißen?

Nein, das ist der Widerstandsanteil bei 0° Anströmung, ohne Auftrieb, also nur durch Reibung und Turbulenzerzeugung

allerdings nur eine geringe
Widerstandszunahme, wenn noch eine Seitenkraft
aufzunehmen ist,

Das ist der induzierte Widerstand, welcher durch die Umströmung der Kielunterkante entsteht, wenn auf beiden Seiten eine Druckdifferenz herrscht.

wird Dein Elektromotor viel Leistung

verbrauchen, um das Elektroschiff neben dem Segelschiff zu
halten, und Du denkst, Dein Segel hätte einen hohen
Wirkungsgrad.

Das verstehe ich jetzt gar nicht. Wenn der Widerstand beim
Segelboot größer wird, fährt es (bei konstanter Windleistung)
langsamer, und das begleitende E-Boot braucht weniger

Wir habe 2 Arten von Widerstand:

  1. Widerstand bei symmetrischer Antströmung,
    Anstellwinkel 0°, das ist der ,nutzlose’ Widerstand,
    wird durch Reibung, Ablösung und Turbulenz erzeugt.

Den merkt auch dein Motorboot

  1. haben wir auch noch den Widerstand aus der leicht versetzten Anströmung durch die Abdrift. Dieser bewirkt einen Anstellwinkel und dadurch (am symmetrischen Profil) einen Auftrieb. Diesen Widerstand verspürt nur das Segelboot.

Folglich hängt das Ergebnis deines Experiments von dem Verhältnis dieser beiden Widerstände ab!

Leistung, um mitzukommen - nicht mehr!

Hat der eingetauchte Körper einen geringen Widerstand, und
nimmt dieser jedoch stark zu, wenn noch ein Auftrieb benötigt
wird, um die Querkomponente der Segelkräfte auszugleichen,
(also z.B. bei einem kurzen Kiel) wird dein Elektroboot mit
deutlich weniger Leistung mithalten können. Du kommst dann auf
einen geringeren Wirkungsgrad …

ja, genau! Der Wirkunggrad des Segels wird gemindert durch das
Schwert, durch die Gierung und die dadurch erforderliche
Gegensteuerung und evtl. auch durch die Krängung. Deshalb kann
das E-Begleitboot langsamer fahren, es braucht weniger
Leistung und dieses Weniger entspricht genau den
wirkungsgrad-mindernden Faktoren auf dem Segelboot.

Facit: Bei einem Motorboot interessiert ja auch nicht der
Wirkungsgrad des Motors allein (also bis Kurbelwelle), sondern
der Wirkungsgrad des Motors mit allem, was zu seinem Betrieb
auf dem Schiff erforderlich ist (Getriebe, Propeller) und mit
den Wirkunggrad-mindernden Faktoren (z.B. Rad-Effekt, der
ebenfalls ein Gegensteuern nötig macht). Oder um es mit
Alt-Bundeskanzler Kohl zu sagen: Ich will doch wissen, „was
hinten raus kommt“.

Analog ist es bei einem Segelboot - siehe oben, ich will das
nicht noch mal wiederholen.
Mit freundlichem Gruß
Jörg

#13

Hallo kaengo,
ich habe den Eindruck, dass wir uns im Großen & Ganzem einig sind?

Nochmals vielen Dank für die engagierte Diskussion!
Jörg

#14

Als Ergänzungzu noch ein paar Anmerkungen:

Leider kann ich auch keine konkreten Zahlen nennen. Grundsätzlich sollte sich der Wirkungsgrad für Segel auf zwei Arten sinnvoll angeben lassen: Erstens, als das Verhältnis der Vortriebsleistung (hier spielt aber der Widerstand des Schiffes eine Rolle) zur gesamten mit der Luftströmung verfügbaren Leistung, oder zweitens als das Verhältnis der Vortriebsleistung zur tatsächlich der Luft entnommenen Leistung.

Für ein Segel würde man ein Kontrollvolumen wählen, das das vollständige Gebiet der durch das Segel beeinflussten Lustströmung umfasst. Es reicht nicht, lediglich die Strömung auf der Druckseite zu bilanzieren, da der gesamte Auftrieb überwiegend durch die Reduktion des Druckes auf der Saugseite bestimmt wird.

Wahrscheinlich ist es allerdings sinnvoller, zur Bewertung der aerodynamischen Güte von Segeln, ähnlich wie für Tragflügel, Auftriebs- und Verlustkoeffizienten anzugeben, die eine Vergleichbarkeit über einen gewissen Betriebsbereich ermöglichen. Denn meines Erachtens liegt die Schwierigkeit eher darin, dass der Wirkungsgrad für unterschiedliche Anströmbedingungen (Geschwindigkeit, Winkel) sehr stark variieren kann. Neben einem hohen Maximalwirkungsgrad bei bestimmten Randbedingungen sollte auch ein möglichst breiter Arbeitsbereich vorliegen.

Bei der Bewertung des Gesamtwirkungsgrades eines Windrad/Propellerantriebs ergibt sich eine ähnliche Problematik, da der Wirkungsgrad aller Komponenten (teilweise stark) von Drehzahl, Leistung und Fahrgeschwindigkeit abhängt

P.S.: Ich würde etwas mehr Geduld empfehlen, manchmal haben auch Experten Urlaub…

#15

Vielen Dank für die Antwort. Ich muss leider noch mal im Detail nachfragen:

Grundsätzlich sollte sich der Wirkungsgrad für Segel auf zwei
Arten sinnvoll angeben lassen: Erstens, als das Verhältnis der
Vortriebsleistung (hier spielt aber der Widerstand des
Schiffes eine Rolle) zur gesamten mit der Luftströmung
verfügbaren Leistung,

Das wäre genau mein Ansatz. Nur die in Klammer stehende Bemerkung verstehe ich nicht. Der Wirkungsgrad eines Automotors ändert sich doch auch nicht, wenn sich der Widerstand des Autos ändert, z.B. durch ein Fahrrad auf dem Dach. Das Auto fährt nur langsamer bei gleicher Vortriebsleistung des Motors.

oder zweitens als das Verhältnis der
Vortriebsleistung zur tatsächlich der Luft entnommenen
Leistung.

Es ist klar, dass „die der Luft entnommene Leistung“ nicht gänzlich in Vortrieb umgewandelt wird. Aber der Hauptaspekt des Wirkungsgrades steckt doch bereits in der „tatsächlich der Luft entnommenen Leistung“, nämlich in ihrem Verhältnis zu „der in der Luft enthaltenen Leistung“. Was Sie beschreiben, ist dann nur der Wirkungsgrad eines Teilsystems, oder?

Für ein Segel würde man ein Kontrollvolumen wählen, das das
vollständige Gebiet der durch das Segel beeinflussten
Lustströmung umfasst. Es reicht nicht, lediglich die Strömung
auf der Druckseite zu bilanzieren, da der gesamte Auftrieb
überwiegend durch die Reduktion des Druckes auf der Saugseite
bestimmt wird.

Bei einem Windrad ist es doch genau so. Dessen Flügel haben auch eine Druck- und eine Saugseite. Trotzdem verwendet man da als Kontrollvolumen nur die auf die Windradfläche (von den auftriebsrelevanten Teilen der Flügel überstrichene Fläche sekrecht zur Windrichtung) auftreffende Luftsäule als Kontrollvolumen. Das wird seit einem halben Jahrhundert so gehandhabt und ich habe noch nie von einer Kritik an diesem Vorgehen gehört. Warum sollte man das bei Segeln unnötig komplizieren?

Wahrscheinlich ist es allerdings sinnvoller, zur Bewertung der
aerodynamischen Güte von Segeln, ähnlich wie für Tragflügel,
Auftriebs- und Verlustkoeffizienten anzugeben, die eine
Vergleichbarkeit über einen gewissen Betriebsbereich
ermöglichen. Denn meines Erachtens liegt die Schwierigkeit
eher darin, dass der Wirkungsgrad für unterschiedliche
Anströmbedingungen (Geschwindigkeit, Winkel) sehr stark
variieren kann. Neben einem hohen Maximalwirkungsgrad bei
bestimmten Randbedingungen sollte auch ein möglichst breiter
Arbeitsbereich vorliegen.

Bei der Bewertung des Gesamtwirkungsgrades eines
Windrad/Propellerantriebs ergibt sich eine ähnliche
Problematik, da der Wirkungsgrad aller Komponenten (teilweise
stark) von Drehzahl, Leistung und Fahrgeschwindigkeit abhängt

das ist sicher alles richtig, aber ich will ja keine Doktorarbeit darüber schreiben. Deshalb habe ich mich bewusst auf „maximale Wirkungsgrade“ beschränkt, man kommt sonst ins Uferlose!

#16

Vielen Dank für die Antwort. Ich muss leider noch mal im
Detail nachfragen:

Grundsätzlich sollte sich der Wirkungsgrad für Segel auf zwei
Arten sinnvoll angeben lassen: Erstens, als das Verhältnis der
Vortriebsleistung (hier spielt aber der Widerstand des
Schiffes eine Rolle) zur gesamten mit der Luftströmung
verfügbaren Leistung,

Das wäre genau mein Ansatz. Nur die in Klammer stehende
Bemerkung verstehe ich nicht. Der Wirkungsgrad eines
Automotors ändert sich doch auch nicht, wenn sich der
Widerstand des Autos ändert, z.B. durch ein Fahrrad auf dem
Dach. Das Auto fährt nur langsamer bei gleicher
Vortriebsleistung des Motors.

Weil der Schiffswiderstand die Fahrgeschwindigkeit (bei gegebener Kraft) und damit die (Nutz-)Leistung bestimmt.
Ähnlich wie für die Leistungsmessung eines Verbrennungsmotors wäre es theoretisch möglich, einen ‚Prüfstand‘ für bewegte Segel zu verwenden…
Auch bei einem Verbrennungsmotor ist der Wirkungsgrad drehzahlabhängig.

oder zweitens als das Verhältnis der
Vortriebsleistung zur tatsächlich der Luft entnommenen
Leistung.

Es ist klar, dass „die der Luft entnommene Leistung“ nicht
gänzlich in Vortrieb umgewandelt wird. Aber der Hauptaspekt
des Wirkungsgrades steckt doch bereits in der „tatsächlich
der Luft entnommenen Leistung“, nämlich in ihrem Verhältnis zu
„der in der Luft enthaltenen Leistung“. Was Sie beschreiben,
ist dann nur der Wirkungsgrad eines Teilsystems, oder?

Soweit ich weiss, wird für Windräder (überwiegend)erstere Definition verwendet, für den reinen aerodynamischen Wirkungsgrad würde ich eher die zweite Variante verwenden.

Für ein Segel würde man ein Kontrollvolumen wählen, das das
vollständige Gebiet der durch das Segel beeinflussten
Lustströmung umfasst. Es reicht nicht, lediglich die Strömung
auf der Druckseite zu bilanzieren, da der gesamte Auftrieb
überwiegend durch die Reduktion des Druckes auf der Saugseite
bestimmt wird.

Bei einem Windrad ist es doch genau so. Dessen Flügel haben
auch eine Druck- und eine Saugseite. Trotzdem verwendet man da
als Kontrollvolumen nur die auf die Windradfläche (von den
auftriebsrelevanten Teilen der Flügel überstrichene Fläche
sekrecht zur Windrichtung) auftreffende Luftsäule als
Kontrollvolumen. Das wird seit einem halben Jahrhundert so
gehandhabt und ich habe noch nie von einer Kritik an diesem
Vorgehen gehört. Warum sollte man das bei Segeln unnötig
komplizieren?

Die Definition einer Kontrollfläche ist bei einem Windrad (zufällig?) relativ einfach und eindeutig. Weiterhin vermute ich, dass weitere Definitionen von Wirkungsgrade zur Bewertung von Windrädern verwendet werden. Mit Sicherheit werden vor allem die u.g. Kennzahlen zur Bewertung der aerodynamuschen Güte herangezogen.

Wahrscheinlich ist es allerdings sinnvoller, zur Bewertung der
aerodynamischen Güte von Segeln, ähnlich wie für Tragflügel,
Auftriebs- und Verlustkoeffizienten anzugeben, die eine
Vergleichbarkeit über einen gewissen Betriebsbereich
ermöglichen. Denn meines Erachtens liegt die Schwierigkeit
eher darin, dass der Wirkungsgrad für unterschiedliche
Anströmbedingungen (Geschwindigkeit, Winkel) sehr stark
variieren kann. Neben einem hohen Maximalwirkungsgrad bei
bestimmten Randbedingungen sollte auch ein möglichst breiter
Arbeitsbereich vorliegen.

Bei der Bewertung des Gesamtwirkungsgrades eines
Windrad/Propellerantriebs ergibt sich eine ähnliche
Problematik, da der Wirkungsgrad aller Komponenten (teilweise
stark) von Drehzahl, Leistung und Fahrgeschwindigkeit abhängt

das ist sicher alles richtig, aber ich will ja keine
Doktorarbeit darüber schreiben. Deshalb habe ich mich bewusst
auf „maximale Wirkungsgrade“ beschränkt, man kommt sonst ins
Uferlose!

Sie sollten bedenken, dass ein Vergleich technisch völlig unterschiedlicher Systeme grundsätzlich nicht einfach ist. Kennzahlen, insbesondere auch Wirkungsgrade, werden i.d.R. sehr speziell für bestimmte Anwendungen definiert. Zudem ist ein Vergleich nur über den maximalen Wirkungsgrad meistens nicht sinnvoll.