Der richtige Propeller fuer das Boot

propellerViele Skipper widmen sich mit Liebe und Sorgfalt den Antriebselementen ihrer Yacht und versuchen, das Letzte aus ihnen herauszuholen. Ein Sorgenkind ist hier aber- immer wieder - die Wahl des richtigen Propellers.

Weniger bekannt ist, wie sich der Propeller auf das Fahrverhalten und die Manövrierfähigkeit der Yacht auswirkt. Stoppwege, Ruderwirkung in Achterausfahrt und Drehkreisdurchmesser können durch einen falschen Propeller erheblich verschlechtert werden, ganz abgesehen von den Auswirkungen auf Geschwindigkeit und Treibstoffverbrauch. Ein richtiger Propeller ist optimal an Schiff und Motor angepasst. Seine Steigung muss so gewählt sein, dass das Schiff bei der durch Motor und Getriebeuntersetzung bestimmten Nennwellendrehzahl mindestens mit Rumpfgeschwindigkeit läuft. Der Durchmesser bestimmt in Verbindung mit der Flügelzahl und dem Flächenverhältnis der Flügel, welche Motorleistung der Propeller in Fahrt umsetzen kann. Zu guter Letzt muss er mit seinen Abmessungen unter das Schiff und auf die Propellerwelle passen.

Steigung

Der Weg, den ein Propeller bei einer Umdrehung zurücklegt, wird als Steigung definiert. Sie ist als solche nicht direkt messbar. Der Anstellwinkel der Flügel bestimmt zwar die Steigung, dieser verändert sich jedoch zwischen Flügelwurzel und -spitze, da er an die zwischen Nabe und Spitze zunehmende Umfangsgeschwindigkeit der Flügel angepasst ist. Der Anstellwinkel kann nur mit speziellen Messgeräten bestimmt werden und lässt sich so indirekt zur Messung der Steigung einsetzen. Die Steigung des Propellers wird durch die zu erwartende Geschwindigkeit des Schiffes festgelegt. Hier geht man zunächst von der Rumpfgeschwindigkeit aus, die bei Verdrängerrümpfen je nach Form des Unterwasserschiffes üblicherweise zwischen 2,3 und 2,6 mal der Wurzel aus der Wasserlinienlänge in Metern beträgt. Natürlich muss der Motor stark genug sein, das Schiff auf diese Geschwindigkeit zu bringen.

Ist die Propellerwellendrehzahl, die sich aus der Motordrehzahl und der Getriebeuntersetzung ergibt, bekannt, kann man die Steigung berechnen: Rumpfgeschwindigkeit durch Umdrehungen gleich Steigung. Ein Propeller schreitet in Wasser allerdings langsamer fort, als sein Anstellwinkel vermuten lässt. Der bei einer Umdrehung zurückgelegte Weg wird kürzer. Diese Differenz heißt Schlupf und beträgt je nach Art des Propellers und der Rumpfform etwa 40 Prozent. Ein Beispiel: Rumpfgeschwindigkeit 3,5 Meter je Sekunde (6,8 Knoten) und Propellerwellendrehzahl 20 Umdrehungen je Sekunde (1.200 je Minute) ergeben als Steigung unter Berücksichtigung von 40 Prozent Schlupf etwa 11,3 Zoll.

Die Steigung wird ausschließlich durch die Länge des Rumpfes in der Wasserlinie und die Wellendrehzahl bestimmt. Motorleistung, Verdrängung, Tiefgang und dergleichen spielen hier keine Rolle. Wird die Steigung zu groß gewählt, erreicht das Schiff die Rumpfgeschwindigkeit, bevor der Motor seine Nenndrehzahl und somit seine Nennleistung erreicht hat. Dies ist in der Regel ein beabsichtigter Effekt, der bewirken soll, dass der Motorbetrieb bei Marschfahrt in einem günstigen Verbrauchs- und Drehzahlbereich liegt. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Motorleistung etwas höher gewählt wurde, als zum Erreichen der Rumpfgeschwindigkeit eigentlich erforderlich wäre. Ist dies nicht der Fall, erreicht das Schiff nicht diese Geschwindigkeit, da der Motor schon bei geringeren Drehzahlen durch die zu große Steigung überlastet ist. Obendrein wird es schwierig, in Häfen langsam zu fahren. Wird die Steigung zu klein gewählt, dreht der Motor über Nenndrehzahl, jedoch ohne die entsprechende Leistung abzugeben, und die Rumpfgeschwindigkeit wird nicht erreicht.

Durchmesser

Die Berechnung des Durchmessers ist um einiges schwieriger. Er wird von Motorleistung und Wellendrehzahl bestimmt. Der Vortrieb eines Propellers ergibt sich daraus, dass er Wasser nach achtern beschleunigt. Die Menge dieses Wassers wird bei gegebener Motorleistung, Wellendrehzahl und Steigung größtenteils von der Fläche des Propellers bestimmt. Diese sollte idealerweise genau so groß sein, dass der Motor gerade eben noch in der Lage ist, diesen Propeller zu drehen. Auch hier gibt es folglich nur einen einzigen korrekten Wert! Geht man von dieser erforderlichen Fläche aus, kann man unter Berücksichtigung der Flügelzahl und des Flächenverhältnisses den Durchmesser des Propellers errechnen. Die dazu erforderlichen Rechenschritte sind jedoch zu umfangreich, als dass wir sie hier im einzelnen beschreiben könnten. Je mehr Flügel und damit Fläche ein Propeller hat, desto kleiner kann dessen Durchmesser sein. Passt der Zweiflügler nicht unter das Schiff, kann man diesen durch einen Dreiflügler gleicher Fläche und entsprechend kleineren Durchmessers ersetzen.

Allerdings steigt der Wirkungsgrad eines Propellers mit dem Durchmesser und sinkt mit zunehmender Flügelzahl. Jeder Flügel verursacht Turbulenzen, die die Strömung an dem nachfolgenden Flügel negativ beeinflussen. Daher haben Zweiflügler den höchsten Wirkungsgrad unter den Propellern.

Je höher die Wellendrehzahl, desto kleiner wird die erforderliche Fläche und damit der Propellerdurchmesser. Warum geht man dann nicht hin und verwendet hochdrehende Motoren ohne Untersetzung im Wendegetriebe? Dies wäre viel billiger und zum Segeln ohnehin besser, da ein kleiner Prop auch nur einen kleinen Schleppwiderstand hat. Hier macht die Kavitation einen Strich durch die Rechnung. Propellerflügel funktionieren nach demselben Prinzip wie Tragflächen eines Flugzeugs. Bei der Bewegung des Flügels durch das Wasser wird an der vorderen Flügelfläche Unterdruck und entsprechend an der hinteren Fläche Überdruck erzeugt. Der Propeller mitsamt dem Schiff bewegt sich in Richtung Unterdruck, also nach vorne. Der Siedepunkt von Wasser hängt aber ganz erheblich vom Umgebungsdruck ab. Je niedriger der Druck, desto niedriger der Siedepunkt. An Propellern mit zu kleiner Fläche ist der Druck so niedrig, dass sich an der Oberfläche der Flügel explosionsartig Wasserdampfblasen bilden, die Partikel aus dem Propeller mitreißen und diesen langsam zerstören. Sie stören die Strömung am Prop so stark, dass die Vortriebswirkung beeinträchtigt wird.

Dreiflügler mit großer Steigung

Kavitation macht sich um so mehr bemerkbar, je langsamer der Propeller angeströmt wird. Besonders achteraus kann dies zur Folge haben, dass der Radeffekt stärker als der Vortrieb ist und das Schiff kaum noch manövriert werden kann. Ein kavitierender Propeller verlängert den Stoppweg erheblich und führt oft zur Einleitung einer Drehbewegung während des Aufstoppens.

Die wahren Ursachen für Kavitation liegen woanders. Oft werden Rümpfe mit Motoren und Getrieben ausgestattet, die eher nach ökonomischen als technischen Kriterien ausgewählt wurden. Hohe Wellendrehzahlen sparen gleich an zwei Stellen: Die Wellenanlage einschließlich Lager und Stopfbuchsen kann schwächer dimensioniert werden. Ein 25-Kilowatt-Diesel mit einer Untersetzung im Wendegetriebe von 2:1 kommt mit einem Wellendurchmesser von 25 Millimetern aus, bei einer Untersetzung von 3:1, die technisch sinnvoller wäre, benötigen wir schon eine 30-Millimeter-Welle.

Zweite Spardose: Der Propeller. Hier stehen sich 14 und 18 Zoll gegenüber. Da in den Verkaufsunterlagen meistens nur die Motorleistung erwähnt wird, ergibt die technisch bessere Lösung kein Verkaufsargument, und so wird die billigere Anlage eingebaut. Fehler dieser Art lassen sich nachträglich, wenn überhaupt, nur mit sehr großem Aufwand beheben.

Oft kann man jedoch einen größeren Propeller anbauen, wenn man bereit ist, dafür die Wellendrehzahl und damit die Motorleistung zu reduzieren. Erinnern wir uns: Wird die Drehzahl verringert, muss die Steigung erhöht werden, um auf dieselbe Geschwindigkeit zu kommen. Geringere Drehzahl bedeutet aber auch größere zulässige Fläche mit dem Haken, dass der Motor seine Nenndrehzahl und damit seine Nennleistung nicht mehr erreicht. Ist der Motor leistungsmäßig gut dimensioniert, macht sich das maximal mit einigen Zehntelknoten, die an der Endgeschwindigkeit fehlen, bemerkbar. Ist man in der glücklichen Lage, bei der Auslegung des Antriebs ein Wort mitreden zu können, sollte man immer versuchen, die Wellendrehzahl so niedrig wie möglich zu halten. Die Grenze des Machbaren wird in der Regel von der größtmöglichen Untersetzung des Wendegetriebes und dem unter dem Rumpf zur Verfügung stehenden Platz für den Propeller bestimmt. Beides sollte man so weit wie möglich ausnutzen; späteres Fluchen hilft wenig! Das grundlegende Ergebnis unserer bisherigen Überlegungen widerspricht einer der grundlegenden Anforderungen, die geschwindigkeitsbewusste Segler an den Propeller stellen: ein möglichst geringer Schleppwiderstand. Dieser nimmt mit dem Quadrat der Propellerfläche zu, was nichts anderes bedeutet, als dass ein Propeller, der für die Motorfahrt optimal, sprich groß, ist, Segeln nur mit angezogener Handbremse zulässt.

 

Segelnde Propeller

Bei zweiflügligen Propellern lässt sich die Bremswirkung je nach Form des Unterwasserschiffs um bis zu 50 Prozent verringern, wenn der Propeller beim Segeln senkrecht gestellt wird. In Langkielern, bei denen er oft in einem Propellerbrunnen zwischen Kiel und Ruder läuft, fällt ein senkrecht stehender Zweiflügler ohnehin nicht auf.

Anders Drei- oder gar Vierflügler. Diese lassen sich nicht hinter irgendwelchen Anhängen verstecken, und deren Bremswirkung kann leicht zu zehn und mehr Prozent Geschwindigkeitseinbuße führen. Will man hier keine Kompromisse eingehen, muss man in den Geldbeutel greifen und einen Falt-, Dreh- oder Schwenkflügelpropeller installieren.

Rumpf und Motor

Zu jeder Rumpf-Antriebs-Kombination gibt es genau einen idealen Propeller. Dabei kann der Propeller nur so gut sein wie die der Berechnung zugrunde liegenden Daten. Diese sind für den Rumpf: Die Verdrängung V, die Länge in der Wasserlinie LWL, die Breite in der Wasserlinie BWL und der Tiefgang ohne Kiel und Anhänge T. Diese Angaben sollten der Wirklichkeit und nicht den Prospekten der Werft entnommen werden, da sich Differenzen immer zu Lasten der Propellerleistung auswirken.

Vom Motor müssen Leistung an der Propellerwelle, Drehzahl bei Nennleistung und die Getriebeuntersetzung bekannt sein. Auch hier sollte man nicht über den Daumen peilen, sondern möglichst genaue Werte zur Berechnung des Propellers einsetzen.

Die Eigenschaften von Propellern werden durch eine ganze Reihe von Daten festgelegt. Die Propellerleistung wird im Wesentlichen von folgenden Faktoren bestimmt: Durchmesser D, Flügelfläche F und Steigung S (s.Abb.). Der Durchmesser wird über die Flügelspitzen gemessen, bei ungeraden Flügelzahlen wird von der Nabenmitte zur Flügelspitze gemessen und das Ergebnis mit zwei multipliziert.Die Flügelfläche ist zwar für die Propellerleistung entscheidend, sie wird jedoch selten als absolutes Maß angegeben, sondern meistens als Prozentwert, der sich aus dem Verhältnis der Flügelfläche F zu der theoretischen Kreisfläche des Propellers A ergibt. Die Steigung S kann ohne spezielle Vorrichtungen nicht direkt gemessen werden. Sie ist der Weg, den der Propeller bei einer Umdrehung durch ein festes Medium zurücklegen würde.

Der Propeller muss auf die Propellerwelle passen. Dies wird durch die Maße der Nabe festgelegt: W ist vorgegeben durch den Wellendurchmesser, K ist der Konus, der meistens 1:10, 1:13 oder 1:20 beträgt. Die Länge der Nabe L ist mehr oder weniger durch Wellendurchmesser und Konus vorgegeben. Die Maße B und T der Passfedernut müssen denen der Propellerwelle entsprechen.

 

Diagnose

Zum Schluss noch einige Symptome, die auf schlecht angepasste Propeller zurückgeführt werden können:

Der Motor erreicht seine Nenndrehzahl nicht und raucht schwarz.

Ist der Motor in Ordnung, kann die Ursache ein Propeller mit zu großer Steigung oder zu großem Durchmesser sein. Motorleistungs- und Propellerkurve schneiden sich unterhalb der Nenndrehzahl.

Der Motor überschreitet bei eingekuppeltem Propeller und Vollgasstellung seine Nenndrehzahl um mehrere hundert Umdrehungen.

Steigung und/oder Fläche sind zu klein. Der Motor ist unterfordert. Motorleistungs- und Propellerkurve schneiden sich oberhalb der Nenndrehzahl.

Schiff erreicht bei Nenndrehzahl nicht die erwartete Geschwindigkeit.

Ist das Unterwasserschiff halbwegs frei von Bewuchs, kann dies auf eine zu geringe Steigung zurückzuführen sein. Der Durchmesser ist in diesem Fall korrekt oder zu groß.

Stoppweg zu lang, schlechte Beschleunigung.

Mindestdurchmesser unterschritten, Kavitation am Propeller.

Schlechte Manövrierbarkeit, Ruderwirkung in Achterausfahrt schlecht bis nicht vorhanden.

Kavitation aufgrund zu geringer Propellerfläche oder Durchmesser zu klein.

Starke Vibrationen

Können infolge von Kavitation aufgrund zu geringen Durchmessers auftreten.

Zweite Möglichkeit: Der Abstand zu Rumpf, Ruder oder Lagerbock ist zu klein. 

 

 

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