Propeller

Ein Propeller (von ) ist ein Maschinenelement einer Antriebsmaschine mit Flügeln, die meist um eine Welle radial (sternförmig) herum angeordnet sind.

Fachsprachlich redet man heute auch bei Schiffen von Schiffspropellern und nicht mehr von Schiffsschrauben. Bei Flugzeugen wird der Propeller gelegentlich als Luftschraube bezeichnet; bei Hubschraubern dominiert die Tragwirkung den Vortrieb, man spricht dort vom Rotor. Bei Windkraftanlagen, die nach dem gleichen Prinzip arbeiten, bloß umgekehrt der Luftströmung Leistung entziehen, statt sie für den Vortrieb bzw. Auftrieb zu erzeugen, spricht man von einem Repeller.

Einordnung nach Maschinenart Propeller sind Elemente einer Strömungsmaschine, die mechanische Arbeit aufnehmen und diese in Form von Strömungsenergie an das sie umgebende Medium abgeben; man zählt diese zu den Arbeitsmaschinen. Als Erfinder des ersten funktionsfähigen Propellers für Bootsantrieb gilt der österreichische kaiserlich-königliche Marineforstintendant Josef Ressel, der am 11. Februar 1827 in Österreich ein entsprechendes Patent erhielt. Zu Beginn der 1950er Jahre erfand Schiffbauer Josef Becker den um 360 Grad schwenkbaren Schottel-Ruderpropeller, der zugleich dem Antrieb und der Steuerung dient und damit ein separates Ruder überflüssig macht.

Wirkprinzip und Anwendungen mini|Propeller und Ruder am Schiffsheck, hier sind auch zahlreiche Opferanoden gegen die elektrochemische Korrosion des Propellers zu erkennen mini|Rechtsgängiger Schiffspropeller. Man beachte die Schränkung: An der Flügelwurzel ist die Flügelfläche stark geneigt – nach außen hin wird sie deutlich flacher.

Die Flügel sind so geformt und ausgerichtet, dass sie bei der Rotationsbewegung des Rotors vom umgebenden Medium, zum Beispiel Luft oder Wasser, schräg oder asymmetrisch umströmt werden. Die Flügel erfahren dynamischen Auftrieb, dessen axiale Komponente einerseits vom Lager des Rotors aufgenommen und als Schub bezeichnet wird, andererseits eine entgegengesetzt gerichtete Strömung des Mediums, den Rotorabstrahl, bewirkt. Falls es nicht darauf ankommt, Druck zu erzeugen, wie etwa bei Luftkissenbooten, sondern Schub gefordert ist, dann steigt mit zunehmender Rotorfläche der Wirkungsgrad, da der Rotorabstrahl bei gleichem Impuls weniger kinetische Energie aufnimmt, wenn seine Masse zunimmt.

Die tangentiale Komponente des Auftriebs verursacht zusammen mit dem Strömungswiderstand ein Drehmoment, das der Antrieb über die Welle liefern muss, und das den Rotorabstrahl in Drehung versetzt. Während man bei Rohrströmungen den mit der Rotation der Strömung verbundenen Energieverlust durch dem Rotor vor- und/oder nachgeschaltete Leitschaufeln stark vermindern kann, wird bei freien Strömungen möglichst eine Schnelllaufzahl (Kehrwert des sogenannten Fortschrittsgrads) von deutlich über eins gewählt.

Die Anströmung des Blattprofils ergibt sich aus der Überlagerung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch die Rotorfläche und der von innen nach außen zunehmenden Eigenbewegung der Blätter (erstere ist ggf. die Summe der Fahrtgeschwindigkeit durch das Medium und der beschleunigten Bewegung des Mediums im Rotorabstrahl). Die Richtung dieser effektiven Anströmung ändert sich von innen nach außen. Durch eine Schränkung der Blätter wird ein weitgehend gleichbleibender effektiver Anstellwinkel über die gesamte Blattlänge erreicht.

Um in Flüssigkeiten höhere Schnelllaufzahlen ohne das Auftreten zerstörerischer Kavitation nutzen zu können, werden flache Blätter mit geringen Auftriebsbeiwerten eingesetzt, die dafür die Rotorfläche ganz ausfüllen oder gar einander überlappen, während für die Beschleunigung der relativ dünnen Luft (mit zudem hohen Auftriebsbeiwerten) sehr schlanke Blätter ausreichen.

Nach außen nimmt die Anströmgeschwindigkeit nahezu linear zu, der mögliche Auftrieb pro Profiltiefe also nahezu quadratisch, der nötige Auftrieb aber (mit der überstrichenen Kreisringfläche) nur linear, weshalb die nötige Profiltiefe umgekehrt proportional zum Radius abnimmt.

Druckpropeller mini|Farman MF.11 mit Druckpropeller Ist der Propeller so angebracht, dass er nicht „zieht“ (Zugpropeller; ), sondern „schiebt“, wird er als Druckpropeller (englisch ) bezeichnet. Bei Flugzeugen ermöglicht diese Propelleranordnung unter anderem dem Piloten, 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 im Ersten Weltkrieg zum Beispiel bei der britischen Airco D.H.1 und der einsitzigen Airco D.H.2 übernommen, um ein nach vorn gerichtetes Maschinengewehr abfeuern zu können, ohne den Propeller zu beschädigen. Das ab 1941 konzipierte schwedische Jagdflugzeug Saab 21 wurde bis etwa 1951 geflogen; die Verletzungsgefahr für den in der Luft aussteigenden Piloten durch den hinter ihm laufenden Propeller bot den Anlass für die Entwicklung von Schleudersitzen in Schweden.

mini|Schienenzeppelin, Juni 1931 Ein Beispiel für den Druckpropeller abseits vom typischen Propeller-Antrieb ist der von Franz Kruckenberg konstruierte Schienenzeppelin, der je nach Streckenprofil von einem Zweiblatt- oder Vierblatt-Propeller angetrieben wurde.

Druckpropeller werden häufig bei gewichtskraftgesteuerten Ultraleichtflugzeugen verwendet.

Da der Druckpropeller meist hinter der Tragfläche liegt, verspricht man sich einen theoretischen Vorteil gegenüber dem Zugpropeller, der meist vor der Tragfläche liegt. Der Zugpropeller vor der Tragfläche versetzt den Luftstrom in eine Spiralbewegung und stört so die ideale aerodynamische Umströmung der Tragflächen, während der Druckpropeller zumindest theoretisch die Umströmung der Tragflächen nicht negativ beeinflussen kann. Allerdings stören beim Druckpropeller die vor dem Propeller liegenden Flugzeugteile (Rumpf, Tragflächen, Motorgondeln) dessen ideale Anströmung und Effektivität; daher sind Konfigurationen mit Druckpropeller meistens weniger effizient als vergleichbare Konfigurationen mit Zugpropeller. Sie sind außerdem tendenziell lauter, weil die Propellerblätter durch den Nachlauf beispielsweise des Flügels laufen, was jeweils eine schnelle Änderung in der Druckverteilung auf dem Blatt erzeugt, die bei den üblichen Drehfrequenzen im hörbaren Bereich liegt. Ein weiteres Problem bei Druckpropellern ist die erschwerte Kühlung des Motors.

Als Vorteil bietet ein Druckpropeller verbesserte Längsstabilität,Effect on stability and control of a pusher propeller behind conventional tail surfaces as determined by tests of a powered model in the free-flight tunnel. Langley Aeronautical Laboratory, 1943 (). d. h., wenn das Flugzeug aufnickt, erzeugt er ein abnickendes Moment und umgekehrt (sowohl in Abhängigkeit vom Nickwinkel als auch von der Nickrate). Gleiches gilt für Gierwinkel und -rate. Ein Zugpropeller hat eine entgegengesetzte Wirkung. Daher werden Druckpropeller meistens bei Flugzeugen eingesetzt, die hinsichtlich der Längsstabilität ungewöhnlich konfiguriert sind, etwa bei Canard-Konfigurationen („Entenflugzeug“).

Während die weitaus meisten Propellerflugzeuge mit Zugpropellern arbeiten, so war das größte propellergetriebene Landflugzeug der Welt, die Convair XC-99, mit sechs Druckpropellern ausgestattet.

Mittelpropeller Eine einzigartige Konzeptstudie mit einem in den Rumpf integrierten Propeller wurde 1943 von Richard Vogt für die Firma Blohm & Voss entworfen: die BV P. 192. Der Propeller sollte hier vor den Flügeln, aber hinter dem Cockpit positioniert werden. Das ungewöhnliche Design war Ergebnis des Bemühens, einen voll sturzflugtauglichen Nachfolger für das veraltete Muster Junkers Ju 87 zu schaffen, der dessen Nachteile (z. B. geringe Geschwindigkeit im Horizontalflug) nicht aufwies. Vorgesehen war, das vordere Rumpfstück, welches mit dem hinteren lediglich durch die Propellerachse verbunden war, über einen Rahmen mit den Flügeln zu verbinden. Das Konzept wurde jedoch von den zuständigen deutschen Stellen abgelehnt, so dass bis heute kein vergleichbares Flugzeug mit einem in den Rumpf integrierten Propeller realisiert wurde.

Kombinierte Konfigurationen Verschiedentlich wurden Kombinationen von Zug- und Druckpropeller (engl. push-pull configuration) konzipiert. Sie kamen bereits im Ersten Weltkrieg zum Einsatz; allerdings blieben solche Flugzeuge – abgesehen von Flugbooten der Firma Dornier in den 1920er und 1930er Jahren – insgesamt eher selten, denn sie können zwar aerodynamisch günstiger gestaltet werden als solche mit zwei nebeneinanderliegenden Zugpropellern und haben auch fliegerische Vorteile, bieten jedoch eine Reihe Herausforderungen hinsichtlich Konstruktion und Wartung, aber auch bei Start und Landung. Andererseits ermöglichten Flugzeuge mit diesem Konzept teils spektakuläre Flugleistungen wie z. B. die Dornier Do 335 oder die Rutan Voyager. Mit knapp 3000 Exemplaren ist die Cessna Skymaster das meistgebaute Muster mit einem solchen Konzept.

Bei einer geplanten Weiterentwicklung der Dornier Do 335, der Dornier Do 535, war die Kombination eines Zugpropellers mit einem Strahltriebwerk vorgesehen. Ein Konzept aus einer Kombination von Strahltriebwerken und Druckpropellern wurde bei der Convair B-36 angewandt.

Kennwerte Der Fortschrittsgrad (auch Fortschrittsziffer oder Fortschrittszahl genannt, )

definiert das Verhältnis von axialer Strömungsgeschwindigkeit zur (gekürzten) Propellerumfangsgeschwindigkeit . Er ist die Abszisse im Freifahrt-Diagramm, über der die folgenden drei Funktionen aufgetragen werden. Der dimensionslose Schubbeiwert

Der dimensionslose Drehmomentenbeiwert

Der Freifahrtwirkungsgrad

wobei T den Propellerschub, Q das Drehmoment, D den Propellerdurchmesser, n die Drehzahl und die Dichte des Mediums bezeichnen. Der Freifahrtwirkungsgrad gilt streng genommen nur für „homogene Zuströmung“ (ohne die Anwesenheit eines Schiffes). Er weist als Funktion des Fortschrittsgrads 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 Unterschied zu Flugzeugturbinen haben Flugzeugpropeller einen wesentlich höheren Wirkungsgrad von 80 bis 90 %, allerdings nur bei Geschwindigkeiten bis etwa 700 km/h. Auch Schiffspropeller können diese Werte erreichen, jedoch nur bei genügend tiefen Schubbeiwerten, die aufgrund der Beschränkung des Tiefgangs und der Propellergröße selten zutreffen.

Geometrische Kenngrößen Durchmesser Unter dem Durchmesser eines Propellers versteht man den Durchmesser des Kreises, den dessen Flügelspitzen bei der Umdrehung beschreiben.

Die Wahl des Durchmessers ist abhängig von der Drehzahl, mit der sich der Propeller drehen soll, der zur Verfügung stehenden Leistung und der angestrebten Geschwindigkeit. Bei gleicher Leistung ist der Durchmesser normalerweise bei langsameren Booten größer, bei schnelleren kleiner. Wenn alle anderen Variablen gleich bleiben, nimmt der Durchmesser mit steigender Leistung zu, genauso bei abnehmenden Drehzahlen (durch niedrigere Motordrehzahlen und/oder größere Übersetzung) oder bei Oberflächenpropellern.

Bei schnell drehenden Flugzeugpropellern ist häufig die Materialfestigkeit und -steifigkeit der Blätter sowie die Geschwindigkeit der Blattspitzen ein begrenzender Faktor des Durchmessers. Überschreitet die Blattspitzengeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit, ist mit erheblicher Lärmentwicklung und schlechtem Wirkungsgrad zu rechnen. Ähnliches passiert, wenn die Blattspitzen durch die vom Propeller selbst erzeugten Luftverwirbelungen in Verbindung mit mangelnder Steifigkeit ins Vibrieren geraten.

Der mögliche Durchmesser ist auch teilweise durch bauliche Gegebenheiten beschränkt, z. B. die Antiventilationsplatte (S. 33). bei Außenbordmotoren oder die Bodenfreiheit von Flugzeugen.

Steigung