Propeller
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Ein Propeller (lat propellere = vor(wärts)treiben) ist ein Antrieb mittels Flügeln, die um eine Welle herum angeordnet sind, und zwar im Normalfall radial (sternförmig).
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Wirkprinzip und Anwendungen
Die Flügel sind so geformt und ausgerichtet, dass sie bei der Rotation der Welle vom umgebenden Medium, z.B. 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 verbundenden Objekt antreibt.
Diese Wirkungen werden z.B. zum Antrieb von Fahrzeugen, speziell bei Schiffen, Flugzeugen 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 z.B. bei Energieerzeugern wie 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 wann 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.
Kennwerte
- Die Fortschrittsziffer <math>J<math> beschreibt, wie schnell sich Propeller und axiale Strömung im Vergleich zur Propellerdrehzahl relativ zueinander bewegen. Sie liegt zwischen den Grenzen null (das Medium durchströmt den Propeller überhaupt nicht) und 1 (der Propeller bewegt sich durchs Medium wie eine Schraube durchs Holz). Sie ist die Abszisse im Freifahrt-Diagramm, über der die folgenden drei Funktionen aufgetragen werden.
- Der dimensionslose Schub <math>k_T(J)<math> und
- Das dimensionslose Drehmoment <math>k_Q(J)<math>
- werden als Propulsionsgütegrad <math>{\eta(J)=k_T(J)/k_Q(J)\,}<math> ins Verhältnis gesetzt. Es handelt sich um den Wirkungsgrad des Propellers. Diese Funktion der Fortschrittsziffer weist ein bestimmtes Maximum auf, das für besoners energiesparenden Antrieb eingehalten werden sollte.
Ausführung
Die Anzahl der Flügel von Propellern ist variabel, sie kann aus nur einem Flügel bestehen und ist nach oben prinzipiell unbegrenzt. 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 ATR42 können damit am Boden auch rückwärts rangieren.
Insbesondere im Passagierschiffbau setzen sich zunehmend Pod-Antriebe durch.
Propeller können aus vielen Materialien gefertigt sein. Bei Flugzeug-Propellern wird häufig Holz, Metall und Kunststoff verwendet. Schiffspropeller werden aus speziellen Legierungen, z.B. Bronze, gefertigt.
Technische Probleme
Schnell drehende 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.
Desweiteren 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
Weblink
Die Hermann Dettwiler Schiffsschraube unktioniert nach dem Verdrängungsprinzip.
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