5.8  Propeller

Der Propeller dient dazu, die Triebwerksleistung in Vortriebsleistung umzusetzen.

Den Propeller bezeichnet man häufig auch als „Luftschraube“. Dahinter steckt die Vorstellung, dass sich der Propeller durch die Luft schraubt, wie eine Schraube durch einen festen Werkstoff. Entsprechend hat man von der Schraube den Begriff Steigung übernommen. Das ist der Weg, den die Schraube bei einer Umdrehung beschreibt. Eine weitere Analogie zur Schraube wäre, dass die Anzahl der Propellerblätter der Gangzahl entspricht. Im Abb. 5.8.1 wäre die Gangzahl vier.

So einfach wie eine Schraube funktioniert ein Propeller leider nicht, denn die Luft ist nicht fest, sondern gasförmig. Das Flugzeug legt pro Propellerumdrehung einen kleineren Weg zurück, als der Steigung seines Propellers entsprechen würde. Um dieser Tatsache gerecht zu werden, hat man den Begriff Schlupf geprägt. Der Schlupf ist der Unterschied zwischen der geometrischen Propellersteigung und dem tatsächlich pro Umdrehung zurückgelegten Weg. Diesen bezeichnet man als aerodynamische Steigung.

Die Schraube hilft uns also nicht wirklich weiter, denn die eigentliche Wirkungsweise des Propellers beruht auf dem Rückstoßprinzip. Du erinnerst dich: actio = reactio. Die Propellerblätter beschleunigen die durch die Propellerkreisfläche strömende Luft, siehe Abb. 5.8.2. Als Reaktion auf die hierbei auftretenden Beschleunigungskräfte entsteht die Schubkraft. Bei Strahltriebwerken (Jets) ist das ebenso. Allerdings werden hier kleine Luftmassen sehr stark, beim Propellerantrieb dagegen große Luftmassen nur wenig beschleunigt. Dies ist der Grund dafür, warum Propellerantriebe bei kleinen Geschwindigkeiten einen besseren Wirkungsgrad haben, als Strahltriebwerke.

Der Propeller besteht aus zwei oder mehr Blättern und einer zentralen Nabe, an der die Blätter befestigt sind. Die Blätter eines Propellers können, wie die des Hubschrauberrotors, als rotierende Flügel betrachtet werden. Da die Drehachse des Propellers horizontal verläuft, ist die erzeugte aerodynamische Kraft nach vorne gerichtet, um Schub zu erzeugen, und nicht nach oben, um Auftrieb zu erzeugen. Die Schubkraft hängt also vom Druckunterschied zwischen den nach vorne und den nach hinten gerichteten Oberflächen der Blätter ab.

Zum besseren Verständnis wurde folgende Unterteilung gemacht:

• 5.8.1  Wandlung des Motordrehmoments in Schub
• 5.8.2  Motorstörung/Triebwerksausfall
• 5.8.3  Sekundäre Propellereffekte

5.8.1  Wandlung des Motordrehmoments in Schub

Der Motor liefert die Leistung, die nötig ist, um die Propellerblätter mit hoher Geschwindigkeit durch die Luft zu bewegen. Die Blätter erzeugen die Kräfte, die den Schub liefern. Der Propeller wandelt also das Drehmoment des Motors in die Schubkraft um.

Um einen Druckunterschied zwischen Vorder- und Hinterseiten der Blätter zu bewirken, sind diese ähnlich profiliert wie die Tragflächen des Flugzeugs. Die Vorderseite ist gewölbt, die Hinterseite häufig flach.

Bedeutung der Propellersteigung

Um die Geometrie eines Propellers verstehen zu können, musst du zunächst die Bewegung des Propellers betrachten.

Ein Teil der Bewegung resultiert aus der Drehung des Propellers, verläuft also in Umfangsrichtung. Ein anderer Teil ergibt sich aus der Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs. Genau genommen gibt es noch zwei weitere Anteile: Einer wird durch die Drehung des Propellerstrahls bewirkt (Abb. 5.8.8), der andere durch die Geschwindigkeitserhöhung im Propellerstrahl (Abb. 5.8.2). Diese beiden Anteile sind vergleichsweise klein, und wir wollen sie hier vernachlässigen. Damit ergeben sich die Verhältnisse, wie sie in Abb. 5.8.3 dargestellt sind. Wie du aus den Geschwindigkeitsvektoren erkennst, bewegt sich jeder Abschnitt eines Propellerblatts nach unten und vorwärts. Der Winkel, in dem die anströmende Luft auf ein Blattelement trifft, ist dessen Anstellwinkel. Die durch das Propellerprofil in Abhängigkeit vom Anstellwinkel erzeugte Luftumlenkung bewirkt, dass eine nach vorne wirkende Kraft erzeugt wird. Wie beim Tragflügel kannst du dir es auch so erklären, dass der Druck auf der Rückseite des Propellerblattes größer ist als auf der Vorderseite, ebenfalls mit der Folge einer Kraftwirkung.

Der Blattwinkel ist der Winkel zwischen der Sehne des Blattes und der Rotationsebene, siehe Abbildung unten. Die Steigung des Propellers ist zwar nicht identisch mit dem Blattwinkel, wird aber durch diesen bestimmt und hat die gleiche Bedeutung. Du kannst beide Begriffe wahlweise verwenden. Wir kommen gleich auf den Zusammenhang zurück.

Anpassung der Propellerdrehzahl

Wenn wir uns bei Segelflugzeugen mit Aerodynamik beschäftigen, gehen wir davon aus, dass wir die Luft als inkompressibles Gas betrachten können. Das stimmt natürlich nicht, aber bis zu einer Geschwindigkeit von 300 km/h machen wir mit dieser Annahme keinen allzu großen Fehler.

Bei den von uns genutzten Propellern dagegen wird diese Grenze bei weitem überschritten. Wie sich das aerodynamisch auswirkt, braucht uns an dieser Stelle nicht zu interessieren. Viel wichtiger für uns ist eine andere Grenze. Rechne mal für dieses Beispiel nach:

Im Standlauf erreicht der Propeller mit 1,6 m Durchmesser eine Drehzahl von 3000 U/min.
Du kommst auf über 900 km/h an den Propellerspitzen. Das ist nicht besonders weit unter der Schallgeschwindigkeit (344 m/s = 1238 km/h bei ICAO-Standardatmosphäre in Meereshöhe, mit zunehmender Höhe wird sie kleiner).
Im Flug kommt noch die Komponente aus der Fluggeschwindigkeit dazu. Außerdem musst du berücksichtigen, dass bei der Umströmung der Propellerblätter die Strömungsgeschwindigkeit örtlich deutlich erhöht ist.

Wenn Teile des Propellers in den Überschallbereich geraten, treten die gleichen Probleme auf, wie an den Flügeln von Überschallflugzeugen. Es bilden sich Stoßwellen, dadurch kommt es zu Strömungsablösungen, der Widerstand steigt stark an, es wird erheblicher Lärm erzeugt.

Damit ein guter Propellerwirkungsgrad erhalten wird, müssen die Propellerblätter also deutlich im Unterschallbereich bleiben. Je mehr Leistung das Triebwerk hat, umso größer ist der Propellerdurchmesser und umso kleiner muss die Drehzahl bleiben. Wenn der Propeller direkt auf der Kurbelwelle sitzt (Direktantrieb), braucht man also entsprechend langsam drehende Motoren.

Propellerblattschränkung

Der Grund, warum ein Propeller geschränkt, also "verdreht" ist, liegt darin, dass sich die äußeren Teile der Propellerblätter schneller bewegen als die Teile nahe der Nabe. Hätten die Blätter über ihrer gesamten Länge den gleichen Blattwinkel, könnten die Bereiche nahe der Nabe negative Anstellwinkel haben, während die Strömung an den Propellerspitzen bei Reisegeschwindigkeit ablösen würde. Durch die Propellerblattschränkung kann der Propeller mit einem einigermaßen konstanten Anstellwinkel über seiner Länge betrieben werden.

Trotzdem ergibt sich keine konstante Schubverteilung über der Blattlänge. Du erinnerst dich: Die Luftkraft wächst mit dem Quadrat der Anströmgeschwindigkeit. Die Anströmgeschwindigkeit eines Blattelements wächst mit seinem Abstand von der Propellerachse.  Andererseits muss der Druckunterschied an der Blattspitze Null sein (Stichwort: induzierter Widerstand). Damit ergibt sich die in Abb. 5.8.4 dargestellte Schubverteilung über dem Propellerkreisdurchmesser.

Du kannst gut erkennen, dass sich der Schub bei etwa drei Viertel der Blattlänge konzentriert.

Für diese Stelle, bei 75% des Propellerradius, wird daher der Blattwinkel eines Propellers als charakteristischer Wert angegeben.

Wenn du mathematisch interessiert bist, kannst du dir aus dem Blattwinkel φ_3/4 und dem Propellerdurchmesser D die Propellersteigung H berechnen:

H = 0,75 · D · π · tan φ_3/4

Die Steigung eines Propellers wird als Länge angegeben, entweder in cm oder in Zoll. Ein Propeller mit der Bezeichnung "150-70" hätte einen Durchmesser von 150 cm und eine Steigung von 70 cm.

Aus Abb. 5.8.5 geht hervor, wie sich der Blattwinkel über der Blattlänge ändern muss, um einen konstanten Anstellwinkel zu erhalten. Du kannst die Propellerblattschränkung gut erkennen.

Außerdem zeigt Abb. 5.8.5, dass im Außenbereich ein dünnes, zur Nabe hin aber ein immer dicker werdendes Profil verwendet wird. Das liegt daran, dass in Richtung Nabe immer größer werdende Flieh- und Biegekräfte auftreten, die mit dem Querschnitt eines dünnen Profils nicht mehr beherrscht werden könnten. Hier muss die Aerodynamik hinter der Strukturmechanik zurücktreten.

Welche Steigung für einen Festpropellers gewählt wird, hängt davon ab, ob mehr Wert auf eine gute Steigleistung oder eine hohe Reisegeschwindigkeit gelegt wird.

Ein Steigpropeller besitzt eine kleine Steigung. Im Steigflug erreicht der Motor bei Vollgas seine maximale Drehzahl und somit seine höchste Leistung. Im Reiseflug dagegen muss die Motorleistung durch Zurücknehmen des Gashebels gedrosselt werden, damit die zulässige Höchstdrehzahl nicht überschritten wird.

Ein Reisepropeller besitzt eine große Steigung. Im Reiseflug kann Vollgas gegeben werden, wobei die zulässige (Dauer-)Höchstdrehzahl erreicht wird. Im Steigflug bleibt die Drehzahl jedoch trotz Vollgas deutlich unter dem höchstzulässigen Wert, die maximale Motorleistung steht also nicht zur Verfügung.

Ein weiterer Aspekt für die Wahl der Steigung ist der Standschub, der nötig ist, um den Motorsegler am Boden in Bewegung zu setzen. Im Stand resultiert die Anströmung des Propellers ausschließlich aus der Umfangsgeschwindigkeit. Der Anstellwinkel ist gleich dem Blattwinkel, und es besteht die Möglichkeit, dass dieser größer ist als der kritische Anstellwinkel. Dann löst die Strömung ab, eine nennenswerte Schubkraft wird nicht erzeugt. Auch beim Rollen und bei sehr niedrigen Fluggeschwindigkeiten besteht bei einem schlecht ausgelegten Festpropeller die Gefahr einer Strömungsablösung – zumindest in Teilbereichen der Propellerblätter. Dieser Fall ist in Abb. 5.8.6 dargestellt.

Du siehst: Ein Festpropeller ist immer ein Kompromiss zwischen den verschiedenen Anforderungen. Bei Klapptriebwerken, die meist nur für den Start und Steigflug eingesetzt werden, gelingt er in den meisten Fällen. Trotzdem kannst du selbststartende Klappmotorsegler erleben, die sich nur schwer in Bewegung setzen, und erst mit zunehmender Fahrt richtig beschleunigen. Andererseits gibt es solche, die sehr flott anrollen. Aber wenn sie sich der Abhebegeschwindigkeit nähern, hast du den Eindruck, als würden sie „verhungern“.

Bei Reisemotorseglern haben sich aufgrund der beschriebenen Problematik im Flug verstellbare Propeller durchgesetzt. Weit verbreitet sind Drei-Stellungs-Propeller. Bei ihnen kannst du umschalten zwischen einer Startstellung und einer Reisestellung. Für den Steigflug kommen beide Stellungen infrage, je nachdem, mit welcher Geschwindigkeit du den Steigflug durchführen möchtest. Die dritte Stellung ist die Segelstellung. Der zugehörige Blattwinkel entspricht im Idealfall dem Nullauftriebswinkel bei Anströmung durch die Fluggeschwindigkeit. Wenn der Propeller im Segelflug stillsteht, ist die Umfangsgeschwindigkeit schließlich Null.

Folgen der Propellervereisung

Wie beim Tragflügel bewirkt eine Verschmutzung der Blattoberfläche mehr oder weniger große Leistungseinbußen. Auch beim Propeller sind es in erster Linie Insekten, die im Nasenbereich haften bleiben. Dazu kommen auf unbefestigten Plätzen aufgewirbelte Grasreste, die ebenfalls gut anhaften und die aerodynamischen Eigenschaften verschlechtern. Daher solltest du bei der Reinigung des Flugzeugs nach einem Flug dem Propeller besondere Aufmerksamkeit widmen. Und auch an die Rückseite der Blätter kommst du problemlos heran.

Anders als beim Tragflügel ist für den Propeller ein Flug im Regen eher unproblematisch. Die Anströmgeschwindigkeiten sind zu groß, als dass sich Tropfen bilden und die Umströmung behindern könnten.

Gefährlich wird es jedoch bei Propellervereisung. Eisansatz im Bereich der Vorderkante hat einen gravierenden Einfluss und führt schnell dazu, dass der Propeller keinen ausreichenden Schub mehr liefern kann. Deswegen sind Flugzeuge, die unter Vereisungsbedingungen (also in Wolken) sicher betrieben werden sollen, mit Propellerenteisungsanlagen ausgerüstet, die entweder elektrisch (Abschmelzen des Eises) oder pneumatisch (Absprengen der Eisschicht) funktionieren. Bei Motorseglern gibt es so etwas nicht.

5.8.2  Motorstörung/Triebwerksausfall

Widerstand frei drehender Propeller

5.8.3  Sekundäre Propellereffekte

Unter sekundären Propellereffekten verstehen wir Drehbewegungen um eine oder mehrere Achsen des Motorseglers, die direkt oder indirekt auf die Drehbewegung des Propellers zurückzuführen sind.

Anders als bei Motorflugzeugen mit leistungsstarkem Triebwerk und kleiner Spannweite treten sekundäre Propellereffekte bei Segelflugzeugen mit Klapptriebwerk und Reisemotorseglern kaum in Erscheinung. Dazu sind diese zu schwach motorisiert und haben ein vergleichsweise großes Massenträgheitsmoment um die Längs- und die Hochachse. Wenn überhaupt, lassen sich Sekundäreffekte am ehesten beim Start beobachten. Der Pilot kann sie leicht aussteuern.

Vorsicht ist jedoch geboten, wenn sich das Flugzeug im überzogenen Flugzustand befindet. Plötzliches Gasgeben kann hier die Ursache für ungewolltes Abkippen sein. Auch im Trudeln hat eine schnelle Änderung der Leistungseinstellung einen Einfluss auf die Bewegung des Flugzeugs.

Propellergegenmoment (Torque-Effekt)

Das Propellergegenmoment (auch als Torque-Effekt bekannt) ist das Reaktionsmoment des Propellermoments. Es ist diesem entgegengesetzt gerichtet und gleich groß. Das Propellergegenmoment bewirkt eine Rollbewegung um die Flugzeuglängsachse. Es kann vom Hersteller konstruktiv durch verschiedene Maßnahmen für den häufigsten Flugzustand ausgeglichen werden (Steigflug oder Reiseflug). Für andere Flugzuständen musst du das Propellergegenmoment durch entsprechende kleine Ruderausschläge ausgleichen.

Auch am Boden kannst du das Propellergegenmoment beobachten. Wenn du bei der Kontrolle vor dem Start Vollgas gibst, hebt sich bei rechtsdrehendem Propeller der rechte Flügel ein kleines bisschen an und der linke senkt sich entsprechend. Bei linksdrehendem Propeller ist es umgekehrt.

Luftstrom-Gier-Effekt

Der vom Propeller beschleunigte Luftstrahl erhält durch die Propellerdrehung einen Drall. Der Propellerstrahl bewegt sich spiralförmige um den Rumpf, siehe Abb. 5.8.8. Er trifft auf das Leitwerk und je nach Anordnung auf den Flügel. Das dadurch hervorgerufene Moment um die Längsachse wirkt entgegen dem Propellergegenmoment. Zusätzlich ruft die am Seitenleitwerk erzeugte seitliche Kraft ein Giermoment hervor.

Am ehesten kannst du dieses Giermoment bei ruhiger Luft im Steigflug mit Mindestgeschwindigkeit und höchster Motorleistung bemerken, wenn du etwas Seitenruder rechts geben musst (bei rechtsdrehendem Propeller), um schiebefrei geradeaus zu fliegen. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird der Luftstrom-Gier-Effekt immer weniger wirksam.
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Asymmetrische Propellerbelastung

Die asymmetrische Propellerbelastung (auch bekannt als P-Faktor) tritt auf, wenn die Propellerkreisebene schräg angeströmt wird. Dies kommt insbesondere dann vor, wenn du mit einem großen Anstellwinkel fliegst. Dann wird das sich nach unten bewegende Propellerblatt mit einem größeren Anstellwinkel angeströmt, als das sich nach oben bewegende Blatt. Dazu kommt, dass die Anströmgeschwindigkeit (aus Fluggeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit, siehe Abb. 5.8.3) des sich nach unten bewegenden Propellerblatts größer ist, als beim sich nach oben bewegenden. Höherer Anstellwinkel, höhere Geschwindigkeit – auf dieser Propellerkreishälfte ist die Schubkraft größer, als auf der anderen.

Kreiselwirkung

Zu diesen drei Effekten kommt noch die Kreiselpräzession des drehenden Propellers. Sie tritt auf, wenn die Drehachse des Propellers durch Gier-, besonders aber durch Nickbewegungen des Flugzeugs ihre Richtung ändert.

Vielleicht hast du als Kind einen Spielzeugkreisel geschenkt bekommen. Dann weißt du, dass der sich drehende Kreisel in seiner Lage beharrt, also nicht umkippt. Wenn du ihn mit Gewalt aus seiner Lage gezwungen hast, konntest du beobachten, dass er sich nicht in die gewünschte Richtung bewegt, sondern mit eine Ausweichbewegung quer dazu reagiert hat. Dieses Verhalten bezeichnen wir als die Präzession des Kreisels.

Mechanische Eigenschaften von Kreiseln

Ein Kreisel ist ein mit hoher Drehzahl rotierender (i.a. rotationssymmetrischer) Körper. Seine Drehachse bezeichnet man als Spinachse. Die positive Richtung der Spinachse ist die, in der gesehen sich der Kreisel im Uhrzeigersinn (d.h. nach rechts) dreht.

Ein Kreisel hat die Eigenschaft, seine Lage gegenüber dem Inertialsystem (''Raum", Fixsternhimmel) beizubehalten, solange er nicht gestört wird.

Im Falle einer Störung, - d.h. es wirkt ein Moment, welches den Kreisel aus seiner Lage bringen will -, führt der Kreisel keine Drehung um die Momentenachse aus, sondern er antwortet mit einer Drehung um eine um 90° versetzte Achse. Diese Drehung bezeichnet man als Präzession.

Abb. 5.8.10 veranschaulicht die Präzession. Das störende Moment ist als Pfeil mit doppelter Spitze dargestellt. Es dreht um den Doppelpfeil, in Pfeilrichtung gesehen, nach rechts (im Uhrzeigersinn). Man sollte also erwarten, dass der Kreisel entsprechend der Störmomentenwirkung nach rechts kippt. Das tut er aber nicht, stattdessen kippt er in Doppelpfeilrichtung gesehen nach vorn.

Vielleicht willst du dir den "Satz vom gleichsinnigen Parallelismus" merken:

Unter dem Einfluss eines äußeren Moments versucht sich die Spinachse eines Kreisels
stets gleichsinnig parallel in Richtung des Momentenvektors einzustellen.
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Der „Kreisel“ Propeller wird aus seiner Lage gebracht, wenn beispielsweise beim Start eines Motorseglers mit Spornradfahrwerk der Sporn angehoben wird. Das dabei auftretende Giermoment wirst du aber kaum bemerken. Beim Start ist die Kreiselwirkung eher für Motorflugzeuge mit starkem Motor und kleiner Spannweite von Bedeutung.

Anders sieht es aus, wenn der Motorsegler im Flug überzogen wird und anschließend abkippt. Ob dies mit stehendem Propeller oder mit hoher Drehzahl geschieht, kann sich je nach Muster ganz unterschiedlich auswirken. Wenn die Kreiselwirkung zum Tragen kommt, hat sie möglicherweise einen so großen Einfluss auf das Abkipp- und Trudelverhalten deines Motorseglers, dass du ihn nicht vernachlässigen darfst.

Anker: Motorstörung = Prop-1;  Propellereffekte = Prop-2

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