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Wie funktioniert ein Propeller?
Aufgabe cines Propellers ist es die Drehbewegung, die der Motor liefert in Schub umzusetzen. Ein Propeller ist vergleichbar mit einem rotierenden Tragflügel, welcher Auftrieb und Widerstand erzeugt.
Da die Tangentialgeschwindigkeit vom Radius \(v_{\phi} = \omega r\) abhangt, muss sich der Blattanstellwinkel \(\beta\) mit dem Radius ändern, damit überall der gleiche Auftrieb erzeugt wird. \(\beta\) nimmt von der Wurzel bis zur Propellerspitze ab.
Eine wichtige Größe für die Beurteilung eines Propellers ist die Steigung \(\lambda\) (auch H). Die Steigung ist der zurückgelegte, schlupfreie Weg, den ein Propeller macht, bei ciner Umdrehung. Die Steigung ist nicht konstant über den Radius verteilt.
Wie funktioniert ein Propeller
Oblicherweise gibt der Hersteller den 0,75R Wert der Steigung an. Beispiel, 13 3/4 x 21 ist eine typische Beschreibung für ein Propeller mit einem Durchmesser von 13 3/4 Zoll und 21 Zoll Steigung.
Steigung eines Propellers
\(\lambda (r) =2 \pi r tan \beta \tag{1.1}\)
Ein Propellerblatt erfährt wie ein endlicher Traglügel Formwiderstand, induzierten Widerstand und Auftrieb. Der Schub \(T\) wirkt in Richtung der Rotationsachse und das Drehmoment \(l\) entgegen der Rotation des Propellers. Damit der Propeller in Rotation versetzt wird und bleibt, muss der Motor die erforderliche Leistung \(P_{Brake}\) erbringen, um dem Drehmoment entgegen zu wirken.
Erforderliche Leistung
Das Drehmoment \(l\) multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) des Propellers ergbt die erforderliche Leistung des Motors (engl brake-power).
\(P_{Brake} =l \omega \tag{1.2}\)
Verfügbare Leistung
Der Schub \(T\)multipliziert mit der Fluggeschwindigkeit \(V_{\infty}\) ergibt die verfügbare Leistung (propulsive Power) des Propellers.
\( P_{propulsive} = T V_{\infty} \tag{1.3}\)
Wirkungsgrad
Der Properller-Wirkungsgrad \(\eta_p\) ist der Quotient aus verfügbarer und vorhandener Leistung.
\(\eta_p = \frac{T V_{\infty} }{l \omega}\tag{1.4}\)
Mein Video: Wie funktioniert ein Propeller auf YouTube
Wieso fliegt ein Propeller angetriebenes Flugzeug nicht mit Schallgeschwindigkeit?
Die Geometrie des Propellerprofils lässt es nicht zu die Schallmacher zu durchbrechen. Außerdem würde der Propeller in Strömungsabriss kommen durch die hohe Geschwindigkeit.
Das beste Buch über Flug Mechanik, Aerodynmik und Propeller Theorie
Mechanics of Flight Warren F. Phillips
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Verstellpropeller
Bei cinem Festpropeller ändert sich der Winkel zwischen der resultierenden Anstromung und Nullauftriebelinie des Propellerprofils kontinuierlich. Bei großer Fluggeschwindigkeit verringert sich dieser Abstand und der Schub nimmt ab.
Ein Festpropeller hat bei einer bestimmten Fluggeschwindigkeit und Drehzahl scinen maxinalen Wirkungsgrad. Bei cinem Festpropeller geschieht die Verstellung des Schubes durch die Änderung der Drehzahl.
Die Propellerdrehzahl #ndert sich aber auch bei Änderung der Fluggeschwindigkeit, wie z B beim Ab- und Aufstieg des Flugzeugs. Beim Abstieg, d.h. bei Geschwindigkeitserhöhung steigt gleichzeitig die Drehzahl, was zur Überdrehung und anschließend zur Zerstörung des Motors führen kann.
Kurz gesagt entsteht bei einer kleinen Steigung weniger Drehmoment, wodurch gleichzeitig die Drehzahl erhöht wird. Bei großer Steigung ist es genau umgekehrt. Aus einem größeren Drehmoment folgt eine kleinere Drehzahl. Es werden 3 Arten von Propeller unterschieden.
- Festpropeller (engl Fixed Pitch): Ein nicht verstellbarer Propeller mit fester Steigung.
- Verstellpropeller (engl Controllable Pitch): Die Steigung des Propellers lásst sich stufenweise oder stufenlos verstellen. Typische Einstellung sind Climb, Cruise und Feather.
- Festdrehzahlpropeller (engl Constant Speed Propeller): Hier wird die gewunschte Drehzahl des Propellers regeltechnisch konstant gehalten.
Ein Festpropeller kommt entweder als Steig- oder Reiselugpropeller zum Einsatz Das bedeutet, daß der Wirkungsgrad des Propellers entweder im Langam- oder Schnellfug sein Optimum hat. Steigpropeller besitzen einen kleinen Blattanstellwinkel, was wiederum eine höhere Drehzahl bringt.
Reiseflugpropeller haben im Gegensatz dazu einen großen Blattanstellwinkel. Um dieses Problem zu lösen, d.h um bei jeder Geschwindigkeit einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, mus die Steigung durch Blattwinkelverstel- lung kontinuierlich geändert werden
