Propellertechnik

Machen nicht viel Wirbel, aber ganz viel Schub: unsere Propeller, die aus der Großschifffahrt kommen.

Die Mehrzahl der im Freizeitbereich eingesetzten Propeller basiert auf Serienversuchen, die in den 40er bis 60er Jahren des letzten Jahrhunderts in der Wageningener Versuchsanstalt in den Niederlanden sowie von der US Navy durchgeführt wurden. Diese haben sich in allgemeinen Konstruktionsprinzipien niedergeschlagen und werden nach Faustregeln bzw Konstruktionstabellen angewandt.

Modernste Großschiffe werden dagegen seit einigen Jahren mit Propellern ausgerüstet, die aus einer mehrdimensionalen Optimierungsrechnung hervorgehen. Anders als bei Standardpropellern werden dabei Steigung und Wölbung des Propellers nicht über alle Propellersegmente hinweg (fast) konstant gehalten. Stattdessen werden Steigung und Wölbung auf Basis des sogenannten Wirbelgitterverfahrens und einer schrittweisen Optimierung über viele tausend Iterationsschritte für jedes einzelne Propellersegment optimiert. Die zusätzlichen Gestaltungsmöglichkeiten, die sich hieraus ergeben, ermöglichen es, die durch den Propeller induzierte Zusatzgeschwindigkeit unter höchstmöglicher Effizienz herbei zu führen. Auf Grund dieser Charakteristika bezeichnet man die entsprechenden Propeller als Variable-Pitch-Variable-Camber- (VPVC-) Propeller, da bei ihnen sowohl die Steigung des Propellers (pitch) als auch die Profilwölbung des Propellers (camber) den radialen Anströmverhältnissen gemäß optimiert werden. VPVC Propeller sind ein Torqeedo Patent.

Hintergrundwissen Propellergeometrien

Neben den wichtigen Größen wie Propellerdurchmesser und Flügelzahl lassen sich Propeller durch die radialen Verläufe der folgenden Größen beschreiben:

  • Steigung (pitch),
  • Sehnenlänge (chordlength),
  • Rücklage (skew),
  • Hang (rake) sowie den Profilgrößen
  • Dicke (thickness) und
  • Wölbung (camber).

Mit Steigung bezeichnet man in diesem Zusammenhang den Weg, den ein Propeller ohne jeden Schlupf bei einer ganzen Umdrehung zurücklegen würde. Da diese idealisierte Größe sich am fahrenden Boot nicht ermitteln lässt (in der Praxis tritt immer Schlupf auf), misst man die Steigung eines Propellers mit Hilfe des Anstellwinkels seiner Flügelblätter. Bei Propellern, bei denen die Steigung entlang des Flügels variiert (Variable-Pitch-Propeller), wird sie auf einem Kreis gemessen, der bei 70% des Propellerdurchmessers um die Propellermitte gezogen wird.

Wirkungsgradverlust durch Kavitation

Unter Kavitationen versteht man Phänomene der Bildung und Auflösung von Hohlräumen in Flüssigkeiten. Verursacht werden diese insbesondere durch schnell bewegte Objekte im Wasser, wie z. B. Propeller. Durch die schnelle Bewegung entstehen Unterdrücke, in denen Wasser bereits bei normalen Temperaturen kocht und verdampft. Die dafür aufgewendete Energie wird nicht in Vortrieb umgesetzt und geht als Ineffizienz verloren. Abhängig von der Güte des Antriebssystem und seines Propellers kann es zu unterschiedlich stark ausgebildeten Kavitationen kommen. Die beiden mit einer High-Speed Kamera mit einer Belichtungszeit von 1/8.000 Sekunde aufgenommenen Bilder zeigen den Unterschied zwischen unserem VPVC-Propeller und einem Standardpropeller in vergleichbaren Betriebspunkten:

>> Der Standard-Propeller weist fluktuierende Kavitation auf der „Saugseite“ der Flügelspitze auf.

>> Unser VPVC-Propeller dagegen weist nur einen leichten Spitzenwirbel auf.

Im Video ist der Standardpropeller gegenüber dem Torqeedo-Propeller vergrößert dargestellt. Der Torqeedo-Propeller ist größer und dreht langsamer. Beide Propeller haben die gleiche Vortriebsleistung.
Im Video ist der Standardpropeller gegenüber dem Torqeedo-Propeller vergrößert dargestellt. Der Torqeedo-Propeller ist größer und dreht langsamer. Beide Propeller haben die gleiche Vortriebsleistung.
Im Video ist der Standardpropeller gegenüber dem Torqeedo-Propeller vergrößert dargestellt. Der Torqeedo-Propeller ist größer und dreht langsamer. Beide Propeller haben die gleiche Vortriebsleistung.