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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 radial (sternförmig).

Inhaltsverzeichnis

Wirkprinzip und Anwendungen

Rechtsdrehender Schiffspropeller

Die Flügel sind so geformt und daß sie bei der Rotation der Welle vom umgebenden Medium z.B. Luft oder Wasser schräg oder unsymmetrisch umströmt werden. Dadurch ein Druckgefälle in bzw. entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung das Strömung des Mediums auslöst. Jeder einzelne Flügel dynamischen Auftrieb . Die schräg gerichteten dynamischen Auftriebskräfte der einzelnen Flügel überlagern ihre Axialkomponenten einer resultierenden Kraft zwischen Medium und Propeller man als Schub bezeichnet und die den Propeller mitsamt Gegenständen mit denen er verbunden ist antreiben

Diese Wirkungen werden z.B. zum Antrieb Fahrzeugen speziell bei Schiffen Flugzeugen und Hubschraubern zur Erzeugung von Luftströmungen mittels Ventilatoren oder Lüftern genutzt. Als Propeller im engeren Sinne man dieses Gerät nur dann wenn es Leistung ans umgebende Medium abgibt. Der umgekehrte wenn es vom umgebenden Medium Leistung aufnimmt liegt z.B. bei Energieerzeugern wie Turbinen oder Windrädern mit nachgeschaltetem Generator vor. Diese werden gelegentlich auch als bezeichnet.

Die Flügelbreite richtet sich nach dem und der Drehgeschwindigkeit . Entscheidend sind Oberflächenreibung und wann Strömungsablösungen
Propellerflügel haben in der Regel ein Profil . Die eine Seite ist gewölbt und dem umfließenden Medium einen längeren Weg auf die Gegenseite. Dadurch umfließt das Medium diese mit höherer Geschwindigkeit und erzeugt einen Sog .
Da bei einem rotierenden Flügel die je nach Abstand von der Achse für Punkt anders sind ändert sich die Profilhöhe der Anstellwinkel über die Länge des Flügels. Anstellwinkel ist im inneren Bereich größer und Profilfom im äußeren schnelleren Bereich flacher.

Kennwerte

  • Die Fortschrittsziffer <math>J</math> beschreibt wie schnell Propeller und axiale Strömung im Vergleich zur relativ zueinander bewegen. Sie liegt zwischen den null (das Medium durchströmt den Propeller überhaupt und 1 (der Propeller bewegt sich durchs wie eine Schraube durchs Holz). Sie ist Abszisse im Freifahrt-Diagramm über der die folgenden 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 gesetzt. Es handelt sich um den Wirkungsgrad Propellers. Diese Funktion der Fortschrittsziffer weist ein Maximum auf das für besoners energiesparenden Antrieb werden sollte.

Ausführung

Die Anzahl der Flügel von Propellern variabel sie kann aus nur einem Flügel und ist nach oben prinzipiell unbegrenzt. Ausschlagebend die Flügelzahl ist die Druckdifferenz des Medienstroms und nach dem Propeller. Bei besonders niedrigen wird die Differenz zu groß und das Medium umfließt Propeller. Diesen Effekt vermindert man mit einer Propeller umgebenden Düse. Schiffe die sehr viel Schub aufwenden müssen als für ihren eigenen in offenem Wasser erforderlich wäre tragen oft insbesondere Schlepper und Eisbrecher.
Extremfälle von Propellern sind die archimedische Schraube und Turbinenräder .
Während Propellerflügel fast immer sternförmig (radial) eine Welle angeordnet sind hat sich als Speziallösung der Voith-Schneider-Propeller eine kleine Marktnische erhalten. verleiht Wasserfahrzeugen eine besondere Manövrierfähigkeit indem man Schub in alle Richtungen drehen kann. Es sich um eine rotierende Scheibe im Boden Schiffes aus der die Flügel spatenförmig nach herausragen. Eine Vorrichtung die man mit der eines Hubschraubers vergleichen kann verändert kontinuierlich den jedes Flügels abhängig von seiner momentanen Position.
Man unterscheidet sowohl bei Schiffen als bei Flugzeugen zwischen Festpropellern und Verstellpropellern. Verstellpropeller die Steigung der Flügel verändern um bei Belastung (Flugzeug im Steigflug Schiff schleppt etwas) energiesparendste Steigung neu einzuregeln. Flugzeuge wie z.B. ATR42 können damit am Boden auch rückwärts
Im Schiffbau setzen sich zunehmend Pod-Antriebe Dieser Begriff stammt aus dem Englischen (Pod Gondel). Pod-Antriebe werden von ca. 6 Herstellern Markennamen wie SSP (Schottel-Siemens-Propeller) oder AZIPOD angeboten. handelt sich um eine Gondel die vorn hinten oder an beiden Enden einen bzw. Propeller trägt in die Strömung hineinragt und die Hochachse gedreht werden kann womit sich Ruder erübrigt. Die Gondel beherbergt einen Gleichstrommotor. Schiffsmaschine treibt keinerlei Propeller direkt an sondern Generator. Dieser Antrieb ist für Schiffe interessant sowieso einen Strombedarf in derselben Größenordnung wie Antriebsleistung aufweisen nämlich Passagierschiffe.

Propeller können aus vielen Materialien gefertigt Bei Flugzeug-Propellern wird häufig wird Holz Metall und Kunststoff verwendet. Schiffspropeller werden aus speziellen Legierungen Bronze gefertigt.

Technische Probleme

Schnell drehende Schiffspropeller können auf einer einen Unterdruck im Wasser erzeugen der den Siedepunkt soweit absinken läßt dass er unterhalb Wassertemperatur liegt. Dann entstehen spontan Dampfblasen ( Kavitation ) oder Vakuumblasen die sehr schnell wieder kollabieren. Wenn dieses Phänomen nicht vermeiden lässt ist es den Bereich wo sie kollabieren vom Propeller da sonst Material aus seiner Oberfläche abgetragen Schäden durch Kavitation entstehen auch an ungünstig Rudern.

Desweiteren bilden sich sowohl in Luft auch in Wasser Wirbel an den Flügelspitzen. Dies ist auf Helmholz'schen Wirbelsatz zurückzuführen. Dynamischen Auftrieb kann der Flügel nämlich nur aufbringen indem sich seiner eine Wirbelbewegung überlagert und ein Wirbel kann Helmholz nicht an der Flügelspitze einfach aufhören. Wirbelfäden knicken an den Flügelspitzen nach hinten und sind schraubenförmig ineinander verdreht. Sie stellen Teil der Leistung dar die der Propeller im Medium hinterlässt. Generell verbessert sich der eines Propellers wenn im Wasser bzw. in Luft weniger Drall verbleibt. Im Schiffbau gab gibt es unterschiedliche Ansätze die Strömung zu ein asymmetrisches Hinterschiff das Grimm'sche Leitrad (ein gegenläufiger Propeller) sowie in letzter Zeit Ruder verschieden angestellter oberer und unterer Hälfte ("twisted rudder").

Diese Probleme werden von Schiffbau-Versuchsanstalten mit Modellversuchen und CFD -Berechnungen untersucht und gelöst.



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