Propeller

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Ein Propeller (lat. propellere = wegstoßen) ist ein Antrieb mittels Flügeln, die um eine Welle herum angeordnet sind, und zwar im Normalfall radial (sternförmig).

Inhaltsverzeichnis

1 Einordnung nach Maschinenart
2 Wirkprinzip und Anwendungen
- 2.1 Druckpropeller
3 Kennwerte
4 Ausführung
5 Technische Probleme
6 Siehe auch
7 Weblinks

[Bearbeiten] Einordnung nach Maschinenart

Propeller sind gehäuselose Strömungsmaschinen, die mechanische Arbeit aufnehmen und diese in Form von Strömungsenergie an das sie umgebende Medium abgeben, man zählt sie deshalb zu den Arbeitsmaschinen. Als Erfinder des ersten funktionsfähigen Propellers für Bootsantrieb gilt der österreichische Forstbeamte Joseph Ressel.

[Bearbeiten] Wirkprinzip und Anwendungen

Rechtsdrehender Schiffspropeller

Die Flügel sind so geformt und ausgerichtet, dass sie bei der Rotation der Welle vom umgebenden Medium, zum Beispiel Luft oder Wasser, schräg oder asymmetrisch umströmt werden. Dadurch entsteht ein Druckgefälle in oder entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung, das eine Strömung des Mediums auslöst. Jeder einzelne Flügel erfährt dynamischen Auftrieb. Die schräg gerichteten dynamischen Auftriebskräfte der einzelnen Flügel überlagern ihre Axialkomponenten zu einer resultierenden Kraft zwischen Medium und Propeller, die als Schub bezeichnet wird und den Propeller mitsamt dem verbundenen Objekt antreibt.

Diese Wirkungen werden zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen, speziell bei Schiffen, Luftkissenbooten, Sumpfbooten, Motorflugzeugen und Hubschraubern, zur Erzeugung von Luftströmungen mittels Luftschrauben oder Ventilatoren genutzt. Als Propeller im engeren Sinne bezeichnet man dieses Gerät nur dann, wenn es Leistung an das umgebende Medium abgibt. Der umgekehrte Fall, wenn es vom umgebenden Medium Leistung aufnimmt, liegt zum Beispiel bei Turbinen oder Windrädern mit nachgeschaltetem Generator vor. Diese müssen nach Definition aber als Repeller bezeichnet werden.

Die Flügelbreite richtet sich nach dem Flügelprofil und der Drehgeschwindigkeit. Entscheidend sind Oberflächenreibung und der Zeitpunkt, zu dem Strömungsablösungen eintreten.

Propellerflügel haben in der Regel ein bestimmtes Profil. Die eine Seite ist gewölbt und zwingt dem umfließenden Medium einen längeren Weg auf als die Gegenseite. Dadurch umfließt das Medium diese Seite mit höherer Geschwindigkeit und erzeugt einen Sog.

Da bei einem rotierenden Flügel die Umlaufgeschwindigkeiten je nach Abstand von der Achse für jeden Punkt anders sind, ändert sich die Profilhöhe und der Anstellwinkel über die Länge des Flügels. Der Anstellwinkel ist im inneren Bereich größer und die Profilform im äußeren schnelleren Bereich flacher.

Man unterscheidet links- und rechtsgängige Propeller. Dreht ein Propeller bei Vorausfahrt eines Bootes rechtsherum - also mit dem Uhrzeigersinn -, so nennt man ihn rechtsgängig. Ein bei Vorausfahrt links drehender Propeller heißt linksgängig.

[Bearbeiten] Druckpropeller

Farman MF.11 mit Druckpropeller

Ein Druckpropeller stellt eine Propelleranordnung dar, die es dem Piloten ermöglicht, in Flugrichtung vor dem Propeller zu sitzen. Diese Anordnung kam bei der französischen Farman M.F.11 im Jahre 1913 zum Einsatz und wurde dann auch unter anderem im Ersten Weltkrieg bei der britischen Airco D.H.1 und der einsitzigen Airco D.H.2 übernommen, um ein nach vorn gerichtetes Maschinengewehr abzufeuern, ohne den Propeller zu beschädigen. Es sind auch Kombinationen von Zug- und Druckpropeller möglich, wie zum Beispiel bei der Dornier Do 335 oder der Cessna Skymaster. Heute sieht man dieses Konzept häufig bei Ultraleichtflugzeugen.

[Bearbeiten] Kennwerte

Die Fortschrittsziffer $J = \frac{v_A}{n\, D}$ definiert das Verhältnis aus axialer Strömungsgeschwindigkeit $v A$ und (gekürzter) Propellerumfangsgeschwindigkeit $(n\, D)$ . Sie ist die Abszisse im Freifahrt-Diagramm, über der die folgenden drei Funktionen aufgetragen werden.
Der dimensionslose Schubbeiwert $K_T(J) = \frac{T}{\rho\, n^2 D^4}$
Der dimensionslose Drehmomentenbeiwert $K_Q(J) = \frac{Q}{\rho\, n^2 D^5}$
Der Freifahrtwirkungsgrad $\eta_O(J) = \frac{T\, v_A}{2 \pi\, n\, Q}=\frac{J}{2 \pi} \cdot \frac{K_T}{K_Q}$

wobei T den Propellerschub, Q das Drehmoment, D den Propellerdurchmesser, n die Drehzahl und $ρ$ die Dichte des Mediums bezeichnen. Der Freifahrtwirkungsgrad gilt streng genommen nur für „homogene Zuströmung“ (ohne die Anwesenheit eines Schiffes). Er weist als Funktion der Fortschrittsziffer ein Maximum auf, das für besonders energiesparenden Antrieb eingehalten werden sollte. Durch die Anordnung des Propellers am Schiff ergeben sich Wechselwirkungen, die als Sogziffer, Nachstromziffer und Gütegrad der Anordnung bezeichnet werden und die mit dem Freifahrtwirkungsgrad des Propellers zusammen den Gütegrad der Propulsion bestimmen.

Im Gegensatz zu Flugzeugturbinen haben Flugzeugpropeller einen wesentlich höheren Wirkungsgrad von 80 bis 90 %, allerdings nur bei Geschwindigkeiten bis ca. 700 km/h.

[Bearbeiten] Ausführung

2-flügeliger Festpropeller

Verstellpropeller

Die Anzahl der Blätter von Propellern ist variabel, sie kann aus nur einem Flügel bestehen und ist nach oben prinzipiell unbegrenzt. Bei Großcontainerschiffen z.B. ist die Anzahl produktionstechnisch zur Zeit auf 7 beschränkt. Ausschlaggebend für die Flügelzahl ist die Druckdifferenz des Medienstroms vor und nach dem Propeller. Bei besonders niedrigen Fortschrittsziffern wird die Differenz zu groß, und das Medium umfließt den Propeller. Diesen Effekt vermindert man mit einer den Propeller umgebenden Düse. Schiffe, die sehr viel mehr Schub aufwenden müssen als für ihren eigenen Antrieb in offenem Wasser erforderlich wäre, tragen oft Düsenpropeller, insbesondere Schlepper und Eisbrecher.

Extremfälle von Propellern sind die archimedische Schraube und Turbinenräder.

Während Propellerflügel fast immer sternförmig (radial) um eine Welle angeordnet sind, hat sich als patentierte Speziallösung der Voith-Schneider-Propeller eine kleine Marktnische erhalten. Er verleiht Wasserfahrzeugen eine besondere Manövrierfähigkeit, indem man seinen Schub in alle Richtungen drehen kann. Es handelt sich um eine rotierende Scheibe im Boden des Schiffes, aus der die Flügel spatenförmig nach unten herausragen. Eine Vorrichtung, die man mit der Taumelscheibe eines Hubschraubers vergleichen kann, verändert kontinuierlich den Anstellwinkel jedes Flügels abhängig von seiner momentanen Position.

Man unterscheidet sowohl bei Schiffen als auch bei Flugzeugen zwischen Festpropellern und Verstellpropellern. Verstellpropeller können die Steigung der Flügel verändern, um bei unterschiedlicher Belastung (Flugzeug im Steigflug, Schiff schleppt etwas) die energiesparendste Steigung neu einzuregeln. Flugzeuge wie z.B. die ATR-42 können damit am Boden auch rückwärts rangieren.

Als Sichelschraube oder Sichelpropeller bezeichnet man Ausführungen die anstelle gerader Flügel sichelförmig gebogene Flügel benutzen. Diese sind leiser (dank geringer Blattendengeschwindigkeit, wichtig für U-Boote), robuster, leistungsfähiger und haben einen höheren Wirkungsgrad (0,85 anstelle von 0,7 bei Turboprop-Flugzeugen) als normale Propeller. Nachteilig sind ein höheres Gewicht und hoher Preis wegen der komplizierten Form. Beispiele für Sichelpropeller sind die A400M und die Akula-Klasse. Eine Übergangsform stellen die abgeknickten Propellerenden bei Hubschraubern (z.B. UH-60L) dar, die den Lärm reduzieren weil die Propeller an den Spitzen in den Bereich der Überschallgeschwindigkeit kommen.

Eine Besonderheit stellen Faltpropeller dar, die bei Segelyachten und Segelflugzeugen mit Hilfsantrieb eingesetzt werden. Bei Motorbetrieb entfalten sie sich durch die Zentrifugalkraft und wirken wie ein normaler Propeller. Bei Segelbetrieb falten sie sich zusammen und reduzieren den Widerstand.

Insbesondere im Passagierschiffbau setzen sich zunehmend Pod-Antriebe durch.

Propeller können aus vielen Materialien gefertigt sein. Bei Flugzeugpropellern wird häufig Holz, Metall und Kunststoff verwendet. Schiffspropeller werden aus speziellen Legierungen, zum Beispiel Bronze, gefertigt.

[Bearbeiten] Technische Probleme

Schnelldrehende Schiffspropeller können Unterdruck im Wasser erzeugen, der den Wasserdruck an der Unterdruckseite des Propellers soweit absinken lässt, dass er unterhalb des Dampfdrucks des Wassers sinkt. Dann entstehen Dampf- oder Gasblasen am Propeller, die sehr schnell wieder kollabieren (Kavitation) und dadurch mechanische Schäden (Kavitationsfraß) verursachen können. Dieses Phänomen kann durch Herabsetzen der Propellerdrehzahl und durch entsprechd geformte kavitationsarme Propeller gemindert werden. U-Boote können dieses Problem außerdem durch Erhöhung der Tauchtiefe umgehen, da dadurch der statische Druck ansteigt. Schäden durch Kavitation entstehen auch an ungünstig geformten Rudern.

Des Weiteren bilden sich sowohl in Luft als auch in Wasser Wirbel an den Flügelspitzen. Dies ist auf den Helmholtzschen Wirbelsatz zurückzuführen. Dynamischen Auftrieb kann der einzelne Flügel nämlich nur aufbringen, indem sich seiner Umströmung eine Wirbelbewegung überlagert, und ein Wirbel kann nach Helmholtz nicht an der Flügelspitze einfach aufhören. Die Wirbelfäden knicken an den Flügelspitzen nach hinten ab und sind schraubenförmig ineinander verdreht. Sie stellen einen Teil der Leistung dar, die der Propeller nutzlos im Medium hinterlässt. Generell verbessert sich der Wirkungsgrad eines Propellers, wenn im Wasser bzw. in der Luft weniger Drall verbleibt. Im Schiffbau gab und gibt es unterschiedliche Ansätze, die Strömung zu entdrallen: ein asymmetrisches Hinterschiff, das Grimsche Leitrad (ein antriebsloser gegenläufiger Propeller) sowie in letzter Zeit Ruder mit verschieden angestellter oberer und unterer Hälfte („twisted spade rudder“).

Das Grimsche Leitrad, das hinter dem Propeller freirotierend angeordnet ist, wird für eine Drehzahl ausgelegt, die etwa 40 Prozent der Drehzahl des Propellers beträgt. Dadurch kann das Leitrad größer als der davor liegende Propeller ausgeführt werden. Der innere, im Propellerstrahl liegende Teil des Leitrades wird in seiner Profilausführung als Turbine ausgebildet. Dadurch erhält das Leitrad seine Drehung. Der äußere Teil außerhalb des Propellerstrahls erhält Profile, die propellerartig ausgebildet sind. Dadurch wird ein zusätzlicher Schub erzeugt. Die Kombination „Propeller plus Leitrad" weist einen größeren effektiven Strahlquerschnitt aus als der Propeller allein. Durch die nachträgliche Anordnung eines Leitrades ergeben sich Wirkungsgradverbesserungen zwischen drei bis 15 Prozent. Allerdings sind die durch Seewassereintritt in das Dichtungssystem entstehenden Probleme, die in den Jahren nach 1983 zu zahlreichen Schäden führten, bis heute nicht gelöst.

Diese Probleme werden von Schiffbau-Versuchsanstalten mit Modellversuchen und CFD-Berechnungen untersucht und gelöst.