Aircraft Propeller Basics

Jul 9, 2020

Der Zweck des Propellers ist es, eine Antriebsmethode zu bieten, damit sich das Flugzeug durch die Luft vorwärts bewegen kann. Der Propeller selbst besteht aus zwei oder mehr Blättern, die durch eine zentrale Nabe miteinander verbunden sind, mit der die Blätter an der Motorwelle befestigt sind. Die Propellerblätter sind ähnlich geformt wie die Tragfläche eines Flugzeugs. Durch die Rotationskraft eines Motors erzeugen die Propellerblätter Auftrieb (dieser Auftrieb wird als Schub bezeichnet), der das Flugzeug vorwärts bewegt.

Wie Propeller funktionieren

Die Grundlagen für die Funktionsweise von Propellern hängen mit den physikalischen Bewegungstheorien zusammen, die vor über zweihundert Jahren von Sir Isaac Newton entwickelt wurden. Genauer gesagt sein drittes Gesetz, das besagt, dass es für jede Aktion eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion gibt (Sir Isaac Newton, 1687).

Unter Berücksichtigung dieser Theorie wird der Propeller eines Flugzeugs verwendet, um die Rotationskraft eines Motors in Vorwärtsschub umzuwandeln. Der Propeller wirkt, indem er die Luft verdrängt und sie hinter sich herzieht (Aktion), diese Luftbewegung führt dann dazu, dass das Flugzeug durch den entstehenden Druckunterschied nach vorne geschoben wird (Gegenreaktion). Je mehr Luft hinter den Propeller gezogen wird, desto mehr Schub oder Vorwärtsbewegung wird erzeugt.

Propeller können aus einem einzigen Blatt bis zu sechs oder mehr Blättern bestehen, je nach den Leistungsanforderungen der verschiedenen Flugzeuge. Die Leistungsanforderungen des Flugzeugs und die Motorleistung sind die wichtigsten Faktoren, die die Anzahl der Propellerblätter bestimmen. Mit zunehmender Motorleistung werden zusätzliche Blätter benötigt, um die erhöhte Leistung effizient nutzen zu können. Der Winkel der Propellerblätter sowie die Gesamtgröße und -form des Propellers (zusammen mit der Motorleistung) wirken sich auf die Menge des erzeugten Schubs aus.

Propellertheorie – Kräfte, die auf einen Propeller wirken

Propellerblätter sind ähnlich wie ein Flügel konstruiert und unterliegen daher denselben aerodynamischen Kräften wie Luftwiderstand und Auftrieb (bei Flügeln ist dies der Auftrieb, bei Propellern wird dies als Schubkraft bezeichnet). Der Unterschied besteht darin, dass ein Propeller die zusätzlichen Kräfte der Rotationsgeschwindigkeit und des vorwärts wirkenden Impulses hat.

• Zentrifugalkräfte. Die Zentrifugalkraft ist die Kraft, die auf die Propellerblätter wirkt, wenn sie sich mit Geschwindigkeit drehen. Diese Kraft zieht sie effektiv vom Flugzeug weg.
• Zentrifugalkraft und aerodynamische Verdrehung. Jedes asymmetrische rotierende Objekt erzeugt eine zentrifugale Verdrehungskraft, der Propeller ist nicht anders, da die Kraft seiner Drehbewegung die Blätter auf eine feine Steigung verdreht.
• Vibration. Die Vibration der Propellerblätter wird durch Störungen der Aerodynamik des Propellers beim Durchgang durch die Luft und in der Nähe der Tragflächen und des Rumpfes sowie durch Triebwerksschwankungen verursacht.
• Torque Bending. Die Drehmomentbiegekräfte sind der natürliche Widerstand der Luft, der den Blättern beim Drehen entgegenwirkt, und die daraus resultierende Neigung der Propellerblätter, sich in die entgegengesetzte Richtung der Drehung zu biegen.
• Schubbiegung. Die Kraft des Propellers, die die Luft nach hinten drückt, wird als Schub bezeichnet, der die Propellerblätter unter Druck setzt und die Blätter nach vorne biegt.

Flugzeugpropellerentwurf

Die grundlegende Technik, die der Funktionsweise von Propellerblättern zugrunde liegt, hat sich im Laufe der Jahre nicht sehr verändert, aber es gab eine Reihe bedeutender Änderungen bei den Materialien, die für den Bau von Propellern verwendet werden, und Änderungen bei ihrer Verwendung im Einklang mit der Steigerung der Motorleistung und der Technologie, die zu einer größeren Effizienz geführt hat.

• Holzblätter. Vor dem Zweiten Weltkrieg wurden Propeller für Flugzeuge hauptsächlich aus Holz hergestellt. Heute sieht man sie in der Regel nur noch in Hobby- oder Oldtimer-Flugzeugen, die im Einklang mit der Restaurierungsära stehen. Bei der Herstellung von Holzpropellern werden mehrere Holzschichten (5-9) miteinander verleimt, damit sie stabiler und widerstandsfähiger werden und sich nicht so leicht verziehen. Häufig verwendete Holzarten sind gelbe Birke, schwarze Kirsche, Zuckerahorn und schwarzer Nussbaum
• Blätter aus Aluminiumlegierung. Die Einführung leistungsfähigerer Flugzeugmotoren hat die Verwendung von Holzpropellern in größeren Flugzeugen fast überflüssig gemacht. Blätter aus Aluminiumlegierungen sind stärker, leichter und einfacher zu reparieren und haben eine höhere Drehzahl, was sie zu einer beliebten Wahl macht.
• Kompositblätter. Verbundwerkstoff-Propellerblätter werden aus Kohlefaser hergestellt. Diese Blätter bieten ein geringeres Gewicht, weniger Lärm und geringere Vibrationen und sind haltbarer und leichter zu reparieren als andere Propellertypen.

Typen von Flugzeugpropellern

Es gibt drei Grundtypen von Flugzeugpropellern, jeder mit seinen eigenen Variationen – der Festpropeller, der Propeller mit konstanter Drehzahl oder der bodenverstellbare Propeller.

• Festpropeller. Bei diesen Propellern ist der Winkel (Pitch) im Propeller eingebaut, er kann nicht verändert werden. Sie sind für einen optimalen Betrieb unter optimalen Bedingungen ausgelegt, was bedeutet, dass die Leistung des Flugzeugs unter verschiedenen Bedingungen beeinträchtigt wird. Propeller mit fester Steigung sind häufig bei einmotorigen Flugzeugen zu finden, die mit niedriger Geschwindigkeit, begrenzter Reichweite oder Höhe fliegen.
• Propeller mit konstanter Drehzahl. Diese Propeller, die auch als Verstellpropeller bezeichnet werden, haben eine variable Steigung (Winkel), die während des Fluges verändert werden kann, während sich der Propeller dreht. Das bedeutet, dass der Propeller während des Fluges verstellt werden kann, um den wechselnden Bedingungen besser gerecht zu werden.
• Bodenverstellbare Propeller. Wie der Name schon sagt, können diese Propeller nur am Boden verstellt werden, wenn der Propeller nicht in Gebrauch ist. Der Winkel oder die Steigung des Blattes wird manuell verändert. Diese Propeller sind in modernen Flugzeugen nicht mehr häufig zu sehen.

Propeller-Grundlagen

Während es im letzten Jahrhundert viele Verbesserungen in der Propellerkonstruktion gegeben hat, sind die Grundlagen dieses relativ einfachen Teils eines Flugzeugs weitgehend unverändert geblieben. Hier sind die grundlegenden Begriffe im Zusammenhang mit dem Betrieb von Flugzeugpropellern.

• Sehnenlinie. Die Sehnenlinie eines Propellers ist eine gedachte Linie, die durch die Mitte des Blattes von der Vorderkante (an der Nabe) zur Hinterkante (Spitze) verläuft.
• Steigung. Die Blätter eines Propellers sind nicht gerade, sondern stehen in einem Winkel, ähnlich wie bei einer Schraube. Die Steigung ist ein Maß dafür, wie weit sich der Propeller bei einer Umdrehung vorwärts bewegen würde. Mit der Steigung wird die Geschwindigkeit der Luft gesteuert, die hinten am Propeller austritt. Die Steigung eines Propellerblatts ändert sich, wenn man sich entlang seiner Oberfläche von einem Ende zum anderen bewegt. Am steilsten oder kürzesten ist sie an der zentralen Nabe, am flachsten an der äußeren Spitze. Die Steigung wird mit der folgenden Formel berechnet: Steigung = 2,36 Durchmesser Höhe/Breite.
• Blattwinkel. Dies ist der Winkel zwischen der Sehnenlinie und der Rotationsebene und wird an einem bestimmten Punkt der Blattlänge gemessen (in Grad). Obwohl die Begriffe Steigung und Winkel oft austauschbar verwendet werden, ist die Steigung technisch gesehen nicht der Winkel des Propellerblatts. Da die Steigung jedoch weitgehend durch den Blattwinkel bestimmt wird, werden die beiden Begriffe oft synonym verwendet. Eine Vergrößerung oder Verkleinerung des einen ist in der Regel mit einer Vergrößerung oder Verkleinerung des anderen verbunden.
• Anstellwinkel. Der Anstellwinkel ist definiert als der Winkel, in dem die Luft auf das Propellerblatt trifft. Vereinfacht ausgedrückt kann der Anstellwinkel als die Differenz zwischen der Richtung, in die ein Flügel zeigt, und der Richtung, in die er fliegt, beschrieben werden. Eine Vergrößerung des Anstellwinkels führt zu einem Anstieg sowohl des Auftriebs als auch des induzierten Widerstands, bis hin zum Strömungsabriss. Die Verdrehung eines Propellerblatts dient dazu, einen konstanteren Anstellwinkel über die gesamte Länge des Blatts beizubehalten, um den Unterschieden in der Blattgeschwindigkeit an der Nabe und der Spitze des Propellers entgegenzuwirken.

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