Propeller
Ein Propeller (lat. propellere = wegstoßen) ist ein Antrieb mittels Flügeln, die um eine Welle herum angeordnet sind, und zwar im Normalfall radial (sternförmig).
Inhaltsverzeichnis |
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
Wirkprinzip und Anwendungen
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 bzw. 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 man als Schub bezeichnet und den Propeller mitsamt dem verbundenen Objekt antreibt.
Diese Wirkungen werden zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen, speziell bei Schiffen, Luftkissenbooten, Sumpfboot, 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 ans 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 der 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 Profilfom 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.
Druckpropeller
Ein Druckpropeller stellt eine Propelleranordnung dar, die es dem Piloten ermöglicht, in Flugrichtung vor dem Propeller zu sitzen. Diese Anordnung kam unter anderem im 1. Weltkrieg bei der britischen Airco D.H.1 und der einsitzigen Airco D.H.2 zur Anwendung, 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 337 Skymaster. Heute sieht man dieses Konzept häufig bei Ultralight-Flugzeugen.
Kennwerte
- Die Fortschrittsziffer <math>J = \frac{v_A}{n\, D}</math> definiert das Verhältnis aus axialer Strömungsgeschwindigkeit <math>v_A</math> und (gekürzter) Propellerumfangsgeschwindigkeit <math>(n\, D)</math>. Sie ist die Abszisse im Freifahrt-Diagramm, über der die folgenden drei Funktionen aufgetragen werden.
- Der dimensionslose Schubbeiwert <math>K_T(J) = \frac{T}{\rho\, n^2 D^4}</math>
- Der dimensionslose Drehmomentenbeiwert <math>K_Q(J) = \frac{Q}{\rho\, n^2 D^5}</math>
- Der Freifahrtwirkungsgrad <math>\eta_O(J) = \frac{T\, v_A}{2 \pi\, n\, Q}=\frac{J}{2 \pi} \cdot \frac{K_T}{K_Q}</math>
wobei T den Propellerschub, Q das Drehmoment, D den Propellerdurchmesser, n die Drehzahl und <math>\rho</math> 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.
Ausführung
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. Ausschlagebend 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.
Eine Besonderheit stellen Faltpropeller dar, die bei Segelyachten eingesetzt werden. Bei Motorbetrieb entfalten sie sich durch die Zentrifugalkraft und wirken wir ein normaler Propeller. Bei Segelbetrieb falten sie sich zusammen und reduzieren den Wasserwiderstand.
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.
Technische Probleme
Schnelldrehende Schiffspropeller können auf einer Seite einen Unterdruck im Wasser erzeugen, der den Siedepunkt soweit absinken lässt, dass er unterhalb der Wassertemperatur liegt. Dann entstehen spontan Dampfblasen (Kavitation) oder Vakuumblasen, die sehr schnell wieder kollabieren. Wenn sich dieses Phänomen nicht vermeiden lässt, ist es wichtig, den Bereich, wo sie kollabieren, vom Propeller fernzuhalten, da sonst Material aus seiner Oberfläche abgetragen wird. 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 Helmholz'schen Wirbelsatz zurückzuführen. Dynamischen Auftrieb kann der einzelne Flügel nämlich nur aufbringen, indem sich seiner Umströmung eine Wirbelbewegung überlagert, und ein Wirbel kann nach Helmholz 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 Grimm'sche Leitrad (ein antriebsloser gegenläufiger Propeller) sowie in letzter Zeit Ruder mit verschieden angestellter oberer und unterer Hälfte ("twisted spade rudder").
Diese Probleme werden von Schiffbau-Versuchsanstalten mit Modellversuchen und CFD-Berechnungen untersucht und gelöst.
Siehe auch
Weblinks
Hersteller von Schiffsschrauben sind z. B.
- MMG GmbH in Waren an der Müritz
- Schaffran-Propeller + Service GmbH in Lübeck
- PROMARIN
| Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Propeller aus der freien Enzyklopädie Wikipedia, teilweise können Textpassagen übernommen worden sein. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Bitte fügt detaillierte Infos zu den Vorbildern entsprechend in der Wikipedia hinzu, so dass wir uns hier auf die Modellbauaspekte konzentrieren können. |
