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Propeller - Berechnung

Jeder, der sich mit Schiffs- und Flugzeugmodellen beschäftigt, genau wie jeder, der oft mit echten Flugzeugen oder Schiffen zu tun hat, wird sich schon einmal Gedanken über den Wirkungsgrad von Propellern gemacht haben. Sind Berechnungen desselben für Sie als Laien beispielsweise durchführbar und welche Größen hängen mit der Propellerleistung zusammen?

Rechnungen zu Propellern sind hochkomplex.
Rechnungen zu Propellern sind hochkomplex.

Wichtige Propeller-Kenngrößen und ihre Zusammenhänge

  • Um Berechnungen zu Propellern anzustellen, müssen Sie zunächst die wichtigsten Kenngrößen kennenlernen. Rechnungen zu den Antrieben sind extrem komplex und erfordern einiges Fachwissen. 
  • Als eine erste Kenngröße sollte Ihnen der Durchmesser des Propellers bekannt sein. Durchmesser bezieht sich hierbei auf den Kreis, der durch die Propellerbewegung umschrieben wird.
  • Der Durchmesser hängt immer mit Drehzahl, Leistung und Geschwindigkeit zusammen. Steigt beispielsweise die Leistung, wird der Durchmesser größer. Selbiges gilt für fallende Drehzahlen.
  • Als eine zweite Kenngröße merken Sie sich die Steigung. Jene meint die Strecke, welche der Propeller zurücklegen würde, wenn er sich mit seiner Leistung und Drehzahl auf einer Fläche fortbewegen würde.
  • Merken Sie sich unbedingt, dass eine Propellersteigung entweder progressiv oder konstant ist. Progressiv meint eine sich entwickelnde Steigung, die hin zur Hinterkante des Propellers zunimmt, wobei für einen progressiven Propeller ein Steigungsdurchschnittswert angegeben wird. 
  • Auch wenn wir im Alltag beständig Fachbegriffe verwenden, ist uns ihre genaue …

Neigung, Drehrichtung, Flügelzahl und Skew des Propellers 

  • Auch die Neigung ist für einen Propeller relevant. Gemeint ist die Flügelneigung, die sich festlegen lässt, indem ein Schnitt durch die Nabenmitte des Propellers geführt wird. Der Winkel zwischen Propellerflügel und der Nabensenkrechten ist die Flügelneigung. Es lässt sich ferner zwischen progressiver und linearer Neigung unterscheiden.
  • Eine hohe Neigung kann den Schub des Propellers vergrößern. Das zumindest gilt für Schiffspropellerantriebe, die speziell an den Wasserwiderstand angepasst wurden.
  • Das Propellerverhalten bei hoher Neigung ist mit dem speziellen Eigenschaften des Wassers besser vereinbar als eine niedrige. Flugzeugpropeller hingegen haben für gewöhnlich keine Neigung und trotz dessen guten Schub, was mit den wieder anderen Eigenschaften der Luft zu tun hat.
  • Neben den genannten Größen spielen weiter Drehrichtung, Flügelzahl, Skew und Schlupf eine Rolle für den Propeller und alle diesbezüglichen Berechnungen. Zur Drehrichtung merken Sie sich, dass zwischen linksdrehenden und rechtsdrehenden Propellern unterschieden wird.
  • Die Flügelzahl hat deutliche Auswirkungen auf den Wirkungsgrad. Je mehr Flügel, desto ineffizienter ist ein Propeller. Dass einflügelige Propeller trotzdem ungern verwendet werden, hat mit der mit der Flügelzahl steigenden Laufruhe zu tun.
  • Unter dem Schlupf versteht man nun den prozentualen Unterschied von theoretischer Steigung und tatsächlicher Steigung und der Skew ist zuletzt der Winkel zwischen auftriebserzeugender Sehne und ihrem Nullpunkt auf der Propellerflügelwellenmitte. 

Berechnungen zum Propeller

  • Ihnen sollte klar sein, dass Sie beispielsweise den Wirkungsgrad eines Propellers als Laie kaum berechnen werden können. Zu viele Parameter spielen eine Rolle für die Rechnung. Zur Berechnung gibt es nun allerhand verschiedene Methoden, wobei die meisten relevante Größen einfach außen vor lassen und entsprechende Rechnungen so wenig genau und wenig sinnvoll sind. 
  • Einige Berechnungen bezüglich Propellergrößen lassen sich jedoch auch von Ihnen durchführen. So können Sie beispielsweise zunächst einmal die Rotorenkreisfläche eines Propellers berechnen, indem Sie die Konstante Pi mal Radius hoch 2 nehmen, was wiederum Pi durch 4 mal Durchmesser hoch zwei 2 entspricht. 
  • Zudem lässt sich aus dem Verhältnis Steigung durch Durchmesser eine Aussage über Langsamflug- und Speedflug-Propeller treffen. So entstpricht jenes Verhältnis bei Langsamflug etwa 0,5 und bei Speedflug zumindest mehr als 1. 
  • Die Wellenleistung P eines Propellers lässt sich ferner aus dem Drehmoment M und der Winkelgeschwindigkeit w berechnen. Die Winkelgeschwindigkeit erhalten Sie dabei aus der Drehzahl mal ein dreißigstel Pi. Die Wellenleistung ist nun die Winkelgeschwindigkeit mal dem Drehmoment. 
  • Beachten Sie aber, dass die Wellenleistung niemals dem tatsächlich nützlichen Schub entspricht. Vielmehr ist für den nützlichen Schub die Idealwellenleistung durch die tatsächliche Wellenleistung zu teilen.
  • So ergibt sich das Verhältnis, mit dem der Schub des Propellers an den Idealschub heranreicht. Die Idealwellenleistung ist dabei die Wurzel aus dem Schub hoch drei durch zweimal Luftdichte mal Rotorfläche. Der ideale Schub wiederum lässt sich aus dreimal der Wurzel von zweimal Luftdichte mal Rotorenfläche mal Wellenleistung errechnen.
  • Die Verluste, die bei realem Einsatz auftreten, lassen sich durch durch die Division der Idealwellenleistung durch das Verhältnis von Schub zu Idealschub bedenken. 
  • Um nun mit den genannten Formeln eine wirklich sinnvolle Rechnung anzustellen, sind vielerlei andere Beiwerte und Größen zu beachten. Wollen Sie also wirklich sinnige Berechnungen bezüglich Propellern vornehmen, so sollten Sie sich dringend mit Fachliteratur eindecken. Hier zumindest reicht der Platz für eine weitere Ausführung nicht und es können einzig die obigen Gedanken zu den Berechnungen aufgeführt werden.
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