Propeller
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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2 Kennwerte 3 Ausführung 4 Technische Probleme |
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 Druckgefgefälle 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 die den Propeller mitsamt den Gegenständen, mit denen er verbunden ist, antreiben kann.
Diese Wirkungen werden z.B. zum Antrieb von Fahrzeugen, speziell bei Schiffen, Flugzeugen und Hubschraubern, zur Erzeugung von Luftströmungen mittels Ventilatoren oder Lüftern 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.
Propeller können aus vielen Materialien gefertigt sein. Bei Flugzeug-Propellern wird häufig wird Holz, Metall und Kunststoff verwendet. Schiffspropeller werden aus speziellen Legierungen, z.B. Bronze, gefertigt.
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.
Wirkprinzip und Anwendungen
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
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.
Im Schiffbau setzen sich zunehmend Pod-Antriebe durch. Dieser Begriff stammt aus dem Englischen (Pod = Gondel). Pod-Antriebe werden von ca. 6 Herstellern unter Markennamen wie SSP (Schottel-Siemens-Propeller) oder AZIPOD angeboten. Es handelt sich um eine Gondel, die vorn oder hinten oder an beiden Enden einen bzw. zwei Propeller trägt, in die Strömung hineinragt und um die Hochachse gedreht werden kann, womit sich ein Ruder erübrigt. Die Gondel beherbergt einen Gleichstrommotor. Die Schiffsmaschine treibt keinerlei Propeller direkt an, sondern einen Generator. Dieser Antrieb ist für Schiffe interessant, die sowieso einen Strombedarf in derselben Größenordnung wie die Antriebsleistung aufweisen, nämlich Passagierschiffe.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.