Gedanken zur Propelleranpassung

© Dr. Ralph Okon 01102005

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Die Anpassung des Propellers an Motor und Modell ist das Stiefkind nahezu aller Modellflieger.
Wie schon hier ausgeführt, wird sehr häufig versucht, einen bereits vorhandenen Propeller mit dem neuen Motor weiter zu betreiben- Koste es, was es wolle!
Dabei ist aus finanzieller Sicht gerade die Luftschraube das am leichtesten zu "optimierende" Teil des Antriebsstranges!

Wer die Frage wirklich ernsthaft angehen will, dem empfehle ich das Lesen dieser von HELMUT SCHENK zur Verfügung gestellten Originalarbeit zu den Propeller-Grundlagen.
Aber auch, wenn beim Überfliegen meines -für Lesefaule stark verkürzten und vereinfachten - Anrisses des Themas (Nach)Fragen aufkommen, findet man dort die gesuchte eingehende Begründung!

 

Den folgenden Diagrammen von Helmut sei die Bemerkung vorangestellt, daß die dargestellten Kurven in Form und Verlauf grundsätzlich für alle Propeller gültig sind.
Lediglich die absoluten Werte der Achsenbeschriftungen wären für größere Props deutlich andere.

Man kann einen Propeller stark vereinfacht als eine sich drehende Tragflächen betrachten, deren erzeugter Auftrieb sich wegen der Fixierung als Vortrieb, also Schub darstellt.
Sich drehen und so den gewünschten Vortrieb erzeugen kann er nur, wenn man ihm Leistung zuführt.

Betrachten wir zunächst die Zusammenhänge zwischen Eingangsleistung und erzeugtem Vortrieb ("Schub")

Deutlich sichbar, erzeuge ich mit mehr Eingangsleistung auch mehr Propellerdrehzahl.
Eingangsleistung und Drehzahl sind in der 3. Potenz mitteinander verkettet.
Das heisst, ich muß die ca. 8-fache Leistung aufwenden, um die Propellerdrehzahl zu verdoppeln.

Das folgende Diagramm zeigt den gleichen Zusammenhang betrachtet anhand von Eingangsleistung und daraus erzeugbarem Schub.

Ich muß also relativ immer mehr Leistung aufwenden um ein relativ geringeres Ansteigen der Schubkraft des Antriebes zu erzeugen!

Aus diesem Grunde ist es auch interessant, den spezifischen Schub zu betrachten, der mir zeigt, wieviel Schub ich aus jedem Watt aufgewandter Eingangsleistung erzeugen kann.
Das folgende Diagramm zeigt für speziell für kleine Slowfly-propeller, wie sich die relative Schubausbeute mit zunehmender Propellerdrehzahl verringert.

Es zeigt sich deutlich, dass eine Erhöhung der Propellerdrehzahl bei den hier dargestellten Props über die 5000 (max.6000) hinaus ineffizient ist, wenn man eine schuborientierte Anatriebsauslegung erzielen will!
Das hat sich auch für deutlich größere Luftschrauben bei diesem Test am Ditto 18N deutlich gezeigt.
Für die gleiche Eingangsleistung betrachtet ist also eine relativ langsam drehender großer Propeller hinsichtlich der Schuberzeugung einem kleineren, dafür schnelldrehenden beträchtlich überlegen.
Da der große Propeller dies aber auf Kosten eines langsamen Luftstrahles tut, muß stets

der passende Kompromiss zwischen Schubausbeute und Fluggeschwindigkeit des Modells gefunden werden!

Wenn diese Zusammenhänge klar sind, kommt noch der Wirkungsgrad ins Spiel.
Denn auch eine Luftschraube hat keinen über den gesamten Drehzahlbreich festen Wirkungsgrad, sondern eine Wirkungsgradkurve, die der eines Motors in verblüffender Weise ähnelt, wie das folgende Wirkungsgraddiagramm eines sehr guten Propellers zeigt.
Sowohl bei Eta(n) vom E-Motor als auch bei Eta(J) vom Prop besteht der Kurvenverlauf aus einem zuerst annähernd linearen Anstieg, dann stärker werdendes Abbiegen in die Horizontale und Durchlaufen des Maximums, danach ein "Steilabfall".
Das Maximum kann "hoch und spitz" oder "nieder und breit" sein, auch das gilt in beiden Fällen. "Hoch und breit" gleichzeitig kann man nicht haben, da ist die Physik vor.
Das macht die Geschichte so schwierig.
Wer hohe Eta-Maximalwerte haben will, der muß auch dafür sorgen, daß alle zugehörigen Umstände genau eingehalten werden.
Das gilt sowohl für dem Motor alsauch für für den Prop.

Die Im Diagramm angezeigten ca. 80% Propellerwirkungsgrad stellen übrigens das absolut mögliche Wirkungsgradmaximum für einen Modellpropeller dar.
Die große Mehrheit der Propeller bewegt sich deutlich unterhalb dieser Marke.
Ein gutes Hilfsmittel für die Einschätzung des möglichen Propellerwirkungsgrades ist das Steigung/Durchmesserverhältnis des Propellers. Ein Steigungs zu Durchmesserverhältnis von mindestens 0,8 ist unabdingbare Voraussetzung dafür, um wenigstens einen Propellerwirkungsgrad von 70% überschreiten zu können.
Wirklich hohe Wirkungsgrade sind nur erreichbar, wenn die Steigung mindestens genauso groß ist, wie der Durchmesser!
Alle anderen - wie z.b. die Slowflypropeller mit ihrem Steigungs zu Durchmesserverhältnis von 0,4-0,5 - liegen deutlich darunter!

Die Wirkungsgradstreuung eines Propellers mit nominal gleichen Durchmesser und Steigungsdaten beträgt bis zu +-15%.
Diese hohe Bandbreite resultiert aus verschiedenen Blattdicken, Blattprofilen, Blattbreiten- und Steigungsverlauf und Verwindung der jeweiligen Luftschraube im Betrieb.

Auf den ersten Blick kann man z.B. an einer hohen Blattbreite erkennen, daß es sich eher um einen für niedrigere Drehzahlen konstruierten Propeller handeln wird, während ein schmaleres Blatt eher auf den sinnvollen Einsatz bei höheren Drehzahlen hinweist.

Weiter zeigt das Diagramm, daß der Wirkungsgrad des Propellers entscheidend von der passenden Fluggeschwindigkeit des Modells abhängt.
Ganz wichtig beim Prop ist auch die Richtung, aus der die Blätter angeströmt werden.
Diese hängt sowohl vom Prop-Durchmesser,alsauch der Drehzahl und der Fluggeschwindigkeit ab.
Das sind 3 variable Größen, und man bräuchte riesige Tabellen oder aufwendige Diagramme, um diese Zusammenhänge darzustellen.

Der Fortschrittsgrad fasst diese 3 Größen in einer Einzigen zusammen.
Durch den Fortschrittsgrad ist die Anströmrichtung der Blätter vollständig "beschrieben", alles wird einfacher und man erkennt die Gemeinsamkeiten:
  vereinfacht gilt: Gleicher Fortschrittsgrad = gleiche Propellereigenschaften.
Beispiel:
Ein großer, langsam laufender Prop an einem Slowie kann leicht denselben Fortschrittsgrad haben wie ein kleiner, schnellaufender an einem Speedmodell.
Dann kann man aber (wenn sie "geometrisch ähnlich" -d.h. maßstäbliche Verkleinerungen oder Vergrößerungen- sind) alle Erkentnisse, Daten usw. vom einen auf den andern übertragen. Und sehr wichtig: Der Fortschrittsgrad ist eine dimensionslose Kennzahl. Er ist also unabhängig vom Maßsystem, von der Größe des Fliegers usw. Das macht ihn zu einem idealen Vergleichsparameter.
Das richtige Zusammenspiel zwischen Fortschrittsgrad J und dem Steigungs/Durchmesser-Verhältnis H/D ist von fundamentaler Bedeutung für den Wirkungsgrad eines Propellers.

 

Auswirkungen:

Die absolut erreichbare Effiziens eines Antriebes liegt bei Verwendung eines Supermotors mit Superregler (90%) und eines Superpropellers (80%) bei theoretisch maximal 72%.
Dazu müsste es gelingen, die jeweiligen Punkte des maximalen Wirkungsgrades von Motor und Luftschraube unter Beachtung der aerodynamischen Eigenschaften und der gewünschten Fluggeschwindigkeit des Flugmodells bestmöglich zu treffen.

Genau darin besteht die Kunst und das Geheimnis der Propelleranpassung!

Oft ist es günstiger zu Gunsten von unkritischerer Einstellung und "stabilerem" Arbeiten auf die höchsten Eta-Werte zu verzichten.
Beim Prop "legt" man sich fast immer etwas links vom Maximum auf den ansteigenden Ast der Eta-Kurve fest.
Dann bricht bei etwas Fluggeschwindigkeits-Zunahme der Schub nicht sofort ein bzw. Eta geht nicht rapid in den Keller.

Wenn man im absoluten Eta-Maximum arbeitet, dann ist die durchgesetzte Leistung kleiner als "links" vom Maximum. Auch das ist ein wichtiger praktischer Gesichtspunkt- was nützt ein hoher Wirkungsgrad, wenn die Leistung an sich zu klein ist ? Eine Auslegungen auf maximale Etas macht man normalerweise nur in Sonderfällen, wenn Energie/Leistung knapp sind (z.B. Solar- oder Muskelkraftflug).
Natürlich kann man den u.U. zu geringen Leistungungsdurchsatz im Eta-Maximum von vorneherein abfangen durch eine "größere" Auslegung.
die Folge sind dann größere Abmessungen, höheres Gewicht usw. die z.B. zwar bei einem Segler keine wesentliche Rolle spielen, sehr wohl aber beim Motorflieger.

Die Segler- und Slowflypiloten legen ihr Hauptaugenmerk bei der Propellerauswahl auf möglichst viel Schub bei noch ausreichender Fluggeschwindigkeit und wählen daher eine Luftschraube großen Durchmessers und geringer Steigung. Diese Auslegung weist eine relativ niedrige (Leistungs)Effiziens bei allerdings hoher Schubeffiziens auf.

Das andere Extrem sind die "Rennpropeller" kleinen Durchmessers, bei denen zusätzlich das Maß der Steigung (Fortschritt pro Umdrehung) größer ist, als der Durchmesser der Luftschraube.
Propeller mit einem H/D von bis zu 1,4 werden für diesen Zweck eingesetzt. Man nimmt den relativ niedrigen Schub gern in Kauf, um die gewünschte höchstmögliche Strahlgeschwindigkeit zu erreichen.
Bei den Verbrenner-Fesselfliegern waren solche Luftschrauben häufig im Einsatz.

Die größte Effiziens dagegen erreichen Luftschrauben, bei denen die Steigung und der Durchmesser etwa gleich groß sind.
Sehr schön kann man das in den Modellflugklassen F1B (Gummimotormodelle) und F5B (Elektroflug) sehen.
In beiden Klassen werden bekanntermaßen sehr große Luftschrauben mit hoher Steigung (F5B: um die 16"x16") eingesetzt. Um diese einsetzen zu können, wird sogar der aus dem Einsatz eines Getriebes resultierenden Wirkungsgradverluste in Kauf genommen.

Da Motoren mit zunehmender Leistungsaufnahme immer schneller drehen und die "optimale" Drehzahl der Propeller jedoch meist bei einer wesentlich niedrigeren Drehzahl liegt, kann z.B. ein Getriebe zur Drehzahlanpassung eingesetzt werden.
Diese Maßnahme zeigt positive Wirkung, wenn die durch die Drehzahlanpassung erreichte Verbesserung des Propellerwirkungsgrades die bekannten ca. 5% Effiziensverlust des Getriebes mehr als ausgleichen kann, was im jeweiligen Einzelfall geprüft werden muß.
Den gleichen Effekt kann man erzeugen, indem man einen möglichst hochpoligen Aussenläufer einsetzt.

Das alles waren doch nur Gemeinplätze, werden viele user jetzt sagen- so ist es und dabei wird es auch bleiben, denn......

 

MEIN Fazit vieler Tests lautet:

Es gibt keine rein theoretische Lösung dieses Problems.
Die Vielzahl der Einflussfaktoren macht das unmöglich.
Alle auf dem Markt befindlichen Berechnungsverfahren und Programme erbringen immer nur eine mehr oder weniger gute Näherung an das Optimum.
Die Anzahl der notwendigen Tests aller beteiligten Komponenten (Modell, Akku, Regler, Motor, Latte) kann durch ihre Anwendung reduziert, niemals aber ersetzt werden.
Auch bei der Luftschraubenauswahl wird eine praxisgerechte Abstimmung stets ein Kompromiss sein, der den sich mit fallender Akkuspannung verändernden Betriebspunkten von Motor und Luftschraube über eine möglichst große Bandbreite hinweg gerecht wird.
Und wer in seiner Abstimmungsarbeit das letzte Prozent finden will, dem wird es am Ende so gehen, wie den Formel 1 Teams- Luftdruck und Lufttemperatur werden auf einmal zu hochwichtigen Parametern für die Luftschraubenwirkung!

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