Motoren-Propeller

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	Was beim Auto die Reifen, ist beim Boot der Propeller !

Beginnen wir mit den wichtigsten Begriffen. Der Propeller (4) wird von einem Lagerbock oder einem Schaft (1) gehalten und ist so mit dem Schiffskörper stabil verbunden. Sitzt der Propeller nicht unter dem Schiffsboden so wird er gegen die Wasseroberfläche mit einer Kavitationsplatte (2) gegen unerwünschtes Luft ansaugen geschützt. Beim Außenbordmotor ist dann unter Wasser noch ein Wendege-
triebe mit Drucklager (3) vorhanden. Außenbordmotore haben außerdem einen integrierten Nabenauspuff (5) und sind so, obwohl das unglaublich klingt, umweltfreundlicher als ihre über der Wasser- oberfläche miefenden Kollegen weil sie auch noch zusätzliche Luft ansaugen und mit dem Wasser verwirbeln. Wichtige Parameter sind:
- Durchmesser Steigung und Blattanzahl, Blattneigung .

Bei der Bezeichnung eines Propellers werden im allgemeinen der Durchmesser und die Steigung in Zoll angegeben. Gelegentlich setzt man noch die Blattzahl davor, ein Propeller mit der Bezeichnung 3 x 11,5 x 9,5 hat also drei Blätter, einen Durchmesser von 11,5 Zoll
(11,5 x 25,4 = 292 mm) und eine Steigung von 9,5 Zoll (9,5 x 25,4 = 241 mm). Als Steigung bezeichnet man die Wegstrecke welche theoretisch bei einer Umdrehung zurückgelegt wird wenn das Wasser ein fester Pudding wäre.

Aus der Steigung und dem Durchmesser ergibt sich zwangsläufig der Anstellwinkel des Propellerblattes. Er nimmt mit steigendem Durchmesser nach außen ab, daher haben die Propellerblätter eine recht komplizierte Form. Weil in der Praxis die Strömung innerhalb der Propellerfläche nicht gleichmäßig ist (sie ist bei etwa 2/3 des Durchmessers am größten) , wird der Blattwinkel bei guten Propellern noch zusätzlich entsprechend korrigiert.
Der Anstellwinkel ist für den Vortrieb V zuständig. Bei gleichem Vortrieb muß ein Propeller mit flacher Steigung einen größeren Drehwinkel W zurücklegen, also sich schneller drehen.
Die auf das Wasser ausgübte Kraft P teilt sich aber in zwei Komponenten, den Vortrieb V und den Drall D. Da wir vom Drall des Schraubenwassers nichts haben ist das verlorene Energie.

Mit steigender Drehzahl und Geschwindigkeit kommt aber zunehmend die Massenträgheit des Wassers zur Wirkung und die Drallverluste nehmen wieder ab. Erinnern wir uns, um unseren Gleiter über die Bugwelle zu schieben brauchen wir gerade im unteren Geschwindigkeitsbereich die größte Kraft. Warum nimmt man nun nicht einen Propeller mit kleinem Anstellwinkel und läßt ihn einfach schneller drehen ? Das hat einen einfachen Grund, mit steigender Umfangsgeschwindigkeit des Propellerblattes treten auch wieder zusätzliche Verluste auf. An der Oberfläche entstehen Dampfbläschen welche die sog. Kavitation erzeugen. Bei der Implosion solcher Bläschen entstehen Kräfte die das Material des Propellers millimeterweise abnagen. Einmal begonnen wird der Schaden dann schnell größer. Mit komplizierten technischen Tricks kann man die Grenze verschieben doch das ist für kleine Boot unrentabel.
Bei unseren üblichen Bootsantrieben liegt die maximale Umfangsgeschwindigkeit für Al-Propeller bei etwa 50 m / Sek. und für Edelstahl bei etwa 65 m / Sek. (doppelt soviel wie ein Trennschleifer)
Dem Propeller für einen 70 km / h schnellen Powergleiter fehlt also zwangsläufig im unteren Bereich Schubkraft und Wirkungsgrad.
Desöfteren kann man solche Boote meist älteren Baujahrs an ihrem Schraubenwasser erkennen weil bei Vollgas hinten eine schmale hohe Wassersäule aus der Oberfläche austritt. Ist das Boot dann obendrein noch schlecht getrimmt oder schwer beladen schafft es trotz vieler PS nicht den Übergang in die Gleitfahrt sondern bleibt als brüllende Padde in seinem Wellental bei Rumpfgeschwindigkeit hängen.
Die bessere technische Lösung ist sehr teuer, - Duopropantrieb - zwei Propeller mit gegenläufiger Drehrichtung dicht hintereinander.
Wenn ich da an den zahlreichen Müll in unseren Kanälen denke, Seile, Netze, Draht, Holzzaunpfähle mit Eisen, Flaschen - - -

Der richtige Durchmesser bestimmt also ganz wesentlich das Fahrverhalten unseres Bootes. Zu kleine Propeller sind der häufigste Sündenfall den man antreffen kann. Oft werden große relativ schwere Verdränger mit kleinen (Außenbord) Motoren ausgerüstet da man`s ja nicht so eilig hat. Da ist die Propellergröße leider oft begrenzt. Bei zu kleinem Propeller wird das Fahrverhalten träge, das Boot läßt sich schwerer steuern und stoppen. Ein Propellerblatt kann auch nur eine begrenzte Kraft auf das Wasser übertragen. Rechts sieht man ein Beispiel für den Druckverlauf. Überschreitet der Unterdruck auf der Vorderseite einen Wert von etwa - 0,8 kp/cm² so wird der Siedepunkt des Wassers erreicht es bildet sich eine Dampfschicht. Die Strömung reißt ab und die Vortriebskraft wird wieder geringer.

Wenn also beim plötzlichen Vollgas statt satter Beschleunigung von achtern merkwürdige Geräusche kommen, so kann das an einem zu knapp bemessenen Propeller liegen. Übrigens spielt es nur eine geringe Rolle ob ein Propeller zwei, drei oder mehr Flügel hat, entscheidend ist im wesentlichen nur der wirksame Querschnitt.
Fünf Flügel - läuft besser im oberen Grenzbereich , zwei Flügel am Trödelboot haben einen besseren Wirkungsgrad aber sorgen für Dröhngeräusche wenn man mal Gas gibt.
Wie bestimmt man aber nun den richtigen Durchmesser ? Ein einfaches Rezept habe ich zwar nicht gefunden aber von einigen gut laufenden Booten die Daten erfragt und in eine halbwegs allgemeingültige Formel gesetzt.
Ausschlaggebender Wert für die Bemessung ist hauptsächlich der “Verdrängungsquerschnitt” das ist die mittlere Fläche die unter der Wasserlinie vorwärts geschoben werden muß. Er berechnet sich aus dem Gewicht des Bootes dividiert durch die Länge der Wasserlinie.
Hierzu ins Verhältnis muß der Querschnitt des Propellers gesetzt werden. Natürlich spielt die Bootsbauart (Breite) noch eine Rolle.
für den Koeffizienten können folgende Richtwerte angenommen werden:
- Schnelle Gleiter und Halbgleiter 3 : 1 - Verdränger 5 : 1 - Hilfsantriebe (Segelboot) 8 : 1
Rechenbeispiele :
- schneller Gleiter, 1,5 Tonnen, dividiert durch LWL 5,4 Meter ergibt : 0,28 m² ; dieser Wert dividiert durch 3 = 0,093 m² (das ist der
erforderliche Querschnitt des Propellers), wir rechnen weiter: D (Zoll) = SQR(0,093 x 4 / Pi ) x 39,4 = 13,56 Zoll Durchmesser
- Verdränger (Segeljolle) 3,5 Tonnen dividiert durch LWL 8 Meter, ergibt : 0,44m² , dieser Wert dividiert durch 8 = 0,055m² ,
D (Zoll) = SQR(0,055 x 4 / Pi) x 39,4 = 10,4 Zoll , (das paßt zu einem 15 PS Motor mit Schubschraube (10,5 x 9)
Anmerkung - SQR heißt Wurzel aus ; Pi = 3,1416 ; 39,4 ist ein fester Koeffizient zur Dimensionsanpassung .
- Diese Bemessungshinweise besitzen informativen Charakter. Sie beruhen auf praktischen Erfahrungen mit einer begrenzten Zahl kleinerer Boote. vor allem bei “Powerbooten” werden oft wesentlich kleinere Propeller eingesetzt die nur für die Endgeschwindigkeit optimiert sind, im unteren Bereich nimmt man dann bis zu 80% ! Schlupf in Kauf.


	unerwünschte Nebenwirkung, der “Radeffekt”

Besitzer von Außenbordmotoren oder Z-Antrieben können hier aufatmen, für sie ist der Radeffekt kein Thema sondern relativ bedeutungslos.
Bei Booten mit starrem Propeller ist er jedoch je nach Bootsform sehr stark
ausgeprägt. Ursache ist der Drall des Schraubenwassers welcher gerade bei Stillstand des Bootes am größten ist. Beim Aufstoppen trifft der Drall auf den Bootkörper und bewirkt in unserem Beispiel Backbord einen größeren Stau als auf der Steuerbordseite. Das Boot wird mit dem Heck, nach Steuerbord driften. Außerdem ist das Ruder fast unwirksam weil es nicht direkt angeströmt wird.
Das kann bei Anlegemanövern ganz schönen Stress bedeuten, intensives Training ist da angesagt. Bei Vorausfahrt ist der Radeffekt auch vorhanden, diesmal aber in der anderen Richtung. Jetzt funktioniert aber wenigstens das Ruder (wenn es dicht hinter dem Propeller liegt).


	Steigung und Schlupf

	Aus Propellerdrehzahl und Steigung errechnet sich die theoretische Geschwindigkeit. Das praktisch gemessene Tempo liegt natürlich darunter, die Differenz bezeichnet man als Schlupf ( ist Verlust, aber notwendig) Richtwerte sind: Verdrängerfahrt 25-40 % Halbgleiten 40-60 % Gleitfahrt 15-25 % Sollten die Werte schlechter sein, liegt meist eine Fehlanpassung des Propellers oder eine falsche Trimmung des Bootes vor. Um unser Boot zu beurteilen führen wir an geeigneter Stelle Testfahrten durch. Wir benötigen: - die Steigung des Propeller - die Getriebeübersetzung - einen Drehzahlmesser - ein gutes Log oder einen GPS-Empfänger.

Das Diagramm meiner Sealine Conti 18 mit dem Schubmotor FT 50. Deutlich zu sehen, trotz großem Propeller der hohe Schlupf in Verdrängerfahrt. Sie ist einfach zu hecklastig und so werde ich wohl einige Verlagerungen hinsichtlich Tank und Batterien Richtung Bug vornehmen. Dann hört auch das lästige Gieren (Schlangenlinien fahren) auf. Bei 15 km/h ist der ungünstigste Bereich, aber der Propeller hat noch eine gute Kraftreserve (auch der Motor ist noch nicht auf Vollgas).
Ab 27 km/h ist Gleitfahrt erreicht, das Heck kommt dann hoch. Der niedrige Schlupf von nur 17% liegt am großen Propeller, er ist aber für höhere Geschwindigkeit (über 40 km/h) nicht geeignet. Mit einem Propeller
13 x 13,5 könnte das Boot evtl. knapp 40 km/h erreichen, aber mit voller Ladung und Gegenwind wird es dann wohl auch bei 15 km/h “steckenbleiben”. Immerhin haben wir Himmelfahrt mit 5 Erwachsenen noch locker
25km/h geschafft. Übrigens haben vor allem kurze kleine Gleiter eine “Hysterese”, einmal in Gleitfahrt wird
eine kleinere Welle generiert, und wenn man dann Gas wegnimmt, bleibt die Geschwindigkeit wegen des nun geringeren Widerstands höher als bei Beschleunigungsfahrt. - Also richtig messen.


	Wer zu faul zum Rechnen ist, kann an diesem Nomogramm ablesen wie schnell sein Boot eigentlich fahren müßte wenn man Propellerdreh- zahl und Steigung bestimmt hat. Bei größerer Steigung ist auch der Schlupf größer so das man ggf. noch etwa 5% Abschlag vornehmen muß. Voraussetzung ist, daß der Propeller ausreichend groß ist und der Schlupf übliche Werte nicht überschreitet.

Wie stark muß der Motor sein ?
Das nebenstehende Nomogramm gibt einen Anhaltspunkt, jedoch muß man wissen, das viele Motorenhersteller gern kleinere als den optimalen Propeller einsetzen um so den Motor leichter und preiswerter zu machen. Ein großer Prop. mit flacher Steigung erzeugt sehr hohe Reaktionskräfte die über Drucklager, Schaft, auf den Spiegel des Bootes übertragen werden.
Beispiel:
Der Yamaha Schubmotor FT 50 erzeugt mit dem Propeller 14” x 11” eine Reaktionskraft von etwa
450 kp, die Sportversion F50 mit 13” x 13” dagegen nur etwa 300 kp. Da sind Getriebe und Lager natürlich kleiner (weniger Widerstand bei hohem Tempo).


	Anmerkung : die angegeben Berechnungen und Tabellen besitzen nur informativen Charakter, der Autor haftet nicht für Vermögensschäden die sich aus der Anwendung derselben ergeben.