Einige Gedanken zum Propeller für elektrische Speedflugmodelle

© Dr. Ralph Okon 28.12.2013

Bitte freundlichst zu beachten:
Das folgende stellt lediglich meine laienhaften persönlichen Vorstellungen, Schlüsse und Meinungen ohne besonderen Anspruch auf Wissenschaftlichkeit dar!

Die Kernaussage vorweg:
Das wichtigste bei der Luftschraubenauswahl ist, dass sie in Leistungsaufnahme, Geschwindigkeitsauslegung und Schub optimal zu den realistisch mit dem jeweiligen Modell und Leistungsinput erreichbaren Flugleistungen passt.
Konkurrenzfähig schnell fliegen kann man also mit kleinen, großen, starren oder Klapppropellern!

 

Ein größeres Modell braucht auch eine größere Luftschraube.
Größere, langsamer drehende Luftschrauben haben generell einen besseren Wirkungsgrad.
Je größer der Luftschraubendurchmesser, desto besser schneidet die Klappluftschraube im Vergleich zur Starrlatte ab, wird diese jedoch nie ganz erreichen.
Bei kleinen, hochdrehenden Luftschrauben ist die starre Ausführung die erfolgversprechendere.
Hochdrehende Luftschrauben erreichen die kritische Blattspitzengeschwindigkeit eher als langsamdrehende.
Ein hoher Fortschrittsgrad senkt die für die gleiche Auslegungsgeschwindigkeit erforderliche Propellerdrehzahl.
Breite Blätter haben viel Grip, erzeugen verhältnismäßig viel Schub, erfordern aber auch viel Leistung.
Je höher der Fortschrittsgrad, desto geringer die Einbußen durch höhere Blattzahlen.
Geschränkte Propeller (mit evtl. ungleichmäßigem Steigungsverlauf) haben in einem breiteren Drehzahlbereich einen guten Wirkungsgrad, arbeiten aber direkt im Auslegungspunkt evtl. teilweise gegen sich selbst.

 

Im "wahren Leben" spielen neben solchen rein theoretischen Erwägungen auch praktische Erfordernisse eine nicht unwesentliche Rolle:

Größere Starrluftschrauben sind erheblich bruchgefährdeter als kleine.
Größere Luftschrauben sind schwieriger ausreichend stabil zu bauen als kleine.
Klappluftschrauben verringern die Luftschraubenverluste beim Landen.
Kleine Luftschrauben sind billiger als große.
Eine Starrlatte ist in der Anschaffung billiger als ein Klapppropellersystem, das dafür länger hält.
Klappluftschrauben können durch Änderung der Mittelstücke in Durchmesser und Steigung variiert und somit "feingetunt" werden.
Je nach Steigungsverlauf der Blätter sind bis zu 3° (evtl. 4°) sinnvoll möglich.
Höhere Verdrehungen kosten deutlich an Wirkungsgrad und sind nicht mehr zu empfehlen - ausser, ihre Verdrehung wurde ins Blatt einkonstruiert, um eine bessere Lage im angeklappten Zustand zu erzeugen. Gleiches gilt für versetzte Mittelstücke.

Kleine, sehr hochdrehende Luftschrauben haben gelegentlich "negative soziale Effekte", weil die unangenehmen Lärmemmission inzwischen auf vielen Vereinsplätzen unerwünscht sind.
Große, langsamer drehende sowie mehrblättrige Luftschrauben sind leiser.
Je größer die Luftschraube, desto "wetterfühliger" wird sie.
Eine große Luftschraube generiert auch bei sehr hohem Fortschrittsgrad genügend Startschub.
Mehrblattkonfigurationen haben bei gleichem Leistungsdurchsatz und Schub eine geringere Blattspitzengeschwindigkeit.
Große Luftschrauben und Mehrblattsysteme erfordern oft sehr viel mehr Drehmoment, was im Grenzbereich von Direktantrieben die sensorlose Motorsteuerung oft überfordert.

 

 

Die erreichte Baugenauigkeit entscheidet über praktischen Wirkungsgrad der Luftschraube.
Bei einer Luftschraube, die beim Nachbearbeiten so zugerichtet wird, wie die untere im Bild, wird unweigerlich einiges von ihrem möglichen Wirkungsgrad einbüßen.

Eine Anpassung der Luftschraube an den Antriebsmotor kann auch durch Kürzen erfolgen.
Dabei muss man aber folgendes in Erwägung ziehen:
Leistungsaufnahme und Drehzahl eines Propellers sind in der 3. Potenz miteinander verkettet; Leistungsaufnahme und Duchmesser sogar in der 4. Potenz.
Diese Verhältnisse gelten auch für den generierten Schub.
Verkleinere ich also eine Luftschraube um die Leistungsaufnahme zu senken, erhöhe ich gleichzeitig ihre Drehzahl und damit die mögliche Geschwindigkeit, nehme aber im Gegenzug einen Schubverlust in Kauf, der eine ganze Potenz höher ausfällt, als die Drehzahlsteigerung!
Dabei sinkt auch der Propellerwirkungsgrad.
Die Anpassung durch Kürzen funtioniert also nur wie gewünscht, wenn der Antrieb zuvor einen Schubüberschuß hatte, den man dabei "aufbrauchen" kann.

 

Ein bissel Geschichte zu den Speed-Klapppropellern:

Beginnend Ende 2008 habe ich mich vor allem wegen der mir im Alltag besonders wichtige "Nachbarnfreundlichkeit" auf die deutlich leiseren niedrig drehendengroßen Klappluftschrauben konzentriert. Mir selber ging der Lärm des hochdrehenden "Standard"-Speedpropellers ala 7x10APC auch ziemlich auf die Nerven.
Anfangs wurde das belächelt und es fanden sich - wie immer - genug Experten, die genau erklären konnten, warum das nichts Brauchbares werden kann.
Ich bin's halt angegangen.

Meine erste echte Speedklapplatte war ein Umbau aus einem bei der DM in Laucha "erbeuteten" abgebrochenen Eaglepropeller (ca. 8" x 12,5").
Sie fiel allerdings mit ihren Arbeitsdrehzahlen jenseits der 25.000 rpm noch in die Rubrik "Schrei-Kreisch-Propeller".

Das Urmodell wurde von Dr. Marcus Koch abgeformt und vervielfätigt.
Viel Wert haben wir auf extrastabile Blattaugen gelegt.
Im Augloch wird die Kraft durch ein Edelstahl- oder Messingröhrchen auf die gesamte Breite verteilt und die dünne M3 Schraube (Qualität 9.10.) wird nur noch direkt an den Wangen auf Scherung beansprucht.
Gerade bei den kleineren, höherdrehenden Klapplatten ist das bei höherem Leistungsdurchsatz (>5kW) enorm wichtig, denn die Drehzahl ist die einzige Größe, die quadratisch in der Formel steht.
Blattlänge (Schwerpunkt) und Blattgewicht gehen dagegen nur linear in die Fliehkraft ein.
Auch bei den Mittelstücken haben wir von vor herein auf hochfeste Alulegierungen gesetzt, denn es zeigte sich, dass das weiche "Normalalu" sich sehr verformt und auch mal abreissen kann.

Weil mir das Ergebnis dieses ersten Versuches noch immer viel zu laut war, habe ich dann mit großen F5B Klapplatten von RFM und von Erwin Schamburger weiter experimentiert.
Kürzen und Nachprofilieren war hierbei der Weg.

Dabei entstanden Propeller wie die 11,5"x 17" mit dem ich die 350km/h erstmals relativ leise überschreiten konnte.
Bereits bei den Weltrekordversuchen 2009 konnte ein Kai (mit einem 2008er Eisvogel) mit einer so entstandenen (aber auch nicht wirklich leisen) 9" x 14" Klapplatte erstmals die 400km/h übertreffen.

Mein erster wirklich für den Einsatzzweck optimierter Speedklapppropeller entstand aus einem Javaprop-Entwurf, welchen mir Dieter Würtemberger gerechnet hat.
Geplant war eine 10" x 20".
Stefan Heuel hat anhand dieses Scriptes zunächst CAD- und Fräsdaten errechnet und das ganze dann in eine schicke Aluform umgesetzt.

Später stellte sich beim Nachrechnen des Entwurfes heraus, dass die Latte eigentlich "nur" eine 10" x 17" ist - funktionieren tut sie trotzdem ganz ausgezeichnet.
Mit diesen 10" x 17"B Propellerblättern habe ich auch das erste mal mit einem 3-Blatt Mittelstück experimentiert.
Dieser Propeller ist so schubstark, dass der Eagle 4K damit > 80m/s Steiggeschwindigkeit erreichen konnte.
Auch heute verwende ich ihn noch sehr gern, wenn es mehr auf Schub als auf extreme Geschwindigkeit ankommt.

Gekürzt auf 9" Durchmesser und in Dreiblattkonfiguration gelang es mir in Dachau damit (mit der Chimera) 380km/h zu erreichen.

Nachdem ich gelernt hatte, wie Dr. Martin Hepperles Javaprop funktionierte, kamen die ersten selbst gerechneten Luftschrauben dazu.
Als erstes entstand die 11" x 17".

und für 3-Blattanwendungen (am Eisvogel 2008) eine 8,5" x 23".

Die 8,5" x 23" wurde dann 2011 am Eagle sogar in 5-Blattkonfiguration geflogen. Diese Kombi war erstmals schnell und wirklich sehr leise.

Auch mit einer (Show) 8-Blattkonfiguration wurde experimentiert. Das Mittelstück wurde von Stefan Baier gefertigt.

Hier die 8,3" x 18" , die Christian Erdt in 5- und 6-Blatt Konfiguration am "Tomahawk" fliegt:

Es folgten die mittlerweile weit verbreiteten 11" x 20" Blätter.
Mit ihnen wurde 2013 ein Speed-Weltrekord in der Klasse 175 erzielt (477km/h).

und später die 12" x 24".

Diese Luftschraube war am Eagle montiert, als ich mir 2011 in Rothenburg den Weltrekord in der Combo-Klasse holen konnte.(372km/h)
Mit der 12" x 24" als auf 11" x 24" gekürzte 3-Blatt Luftschraube gelang mir mit dem "Eagle-T" 4K auch der Sprung über die 400km/h in der Messstrecke.

Für kleinere Motoren mit geringerer Leistungsabgabe wurde eine relativ schmale 11,5" x 23" gebaut.

Das gerechnete Script wurde wie alle anderen Entwürfe von Stefan Heuel umgesetzt und gefräst und von Dr. Marcus Koch laminiert.
Die nächste Luftschraube war die 13" x 27",

bei der (wie schon bei der 11,5" x 23") das Volumen des Auges reduziert wurde - die immer niedrigeren Drehzahlen machten es möglich.
Mit Abkömmlingen dieser Luftschraube waren Marcus und Kai bei den Weltrekordversuchen in Ballenstedt sehr schnell unterwegs.(>460km/h)

ein Propeller von Christian Erdt: 12" x 25"

Auch für die Schrei-Kreisch-Fans kamen inzwischen diverse Varianten dazu, wie die aus der erfolgreichen 7,7" x 13,8" abgeleitete Klapplatte

oder die 7" x 13"

oder diese 7" + 8" -Familie:

oder, irgendwo zwischen laut und leise die 9" x 17"S:

Vielleicht der Propeller für den nächsten Weltrekord: die 13" x 29"

August 2015:
Wie schon bei der Beschreibung der Latte vermutet, wurde der aktuelle Weltrekord der Klasse 175 tatsächlich mit der 13" x 29" aufgestellt(481km/h).
Die auf 12" gekürzte und +1° verdrehte 3-Blatt Variante dieser Luftschraube war in der Klasse 196 ebenfalls erfolgreich.
Die damit erzielten 475km/h stellen aktuell den inoffiziellen Weltrekord für 3-Blatt-Klapplatten dar.

mittlerweile im privaten Einsatz auch schon bewährt: die 13" x 31,5" Luftschraube:

ganz speziell für meine low-rpm / low noise experimente wurde diese 14" x 35" entwickelt und erfolgreich in 3-Blatt-Konfiguration geflogen. Unter anderem konnten die 400km/h mit sehr leisen 7800rpm erreicht werden.

auch gekürzt auf 12" konnten in 5-Blatt-Konfiguration ausgezeichnete Ergebnisse (besonders leise 400km/h) erzielt werden.

Eine weitere auf der Grundlage der bisherigen Erfahrungen entwickelte Klapplatte. Die Größe: 15" x 43,7".
Evtl. kann damit die Drehzahl für 400km/h unter die 7000rpm gedrückt werden. Erste Tests erbrachten vielversprechende Ergebnisse.

Februar 2016
Da die langen 15" Blätter im Fluge zum Schwingen neigen, bin ich dazu übergegangen, sie auf 13" zu kürzen und in 5-Blattkonfiguration zu nutzen.
Das gestellte Ziel, die 400 km/h zu überschreiten, konnte im Januar 2016 sogar mit weniger als 6000rpm erreicht werden.
Um das aufwändige Kürzen und Reprofilieren zu umgehen, habe ich den Fabian überredet, auf der Grundlage der 15" x 43,7" eine Form für einen 13"-Propeller zu entwickeln und zu fräsen.
Für die geringe Drehzahl und das aus dem verringerten Durchmesser resultierende geringere Blattgewicht würde btw. die Zugfestigkeit eines einzigen der verwendeten 8 Rovings reichen, um die auftretenden Fliekräfte zu tragen. So konnte auch das Volumen des Blattauges weiter verringert werden.
Das erste Ergebnis sieht recht gut aus:

Juni 2016
Eine weitere Modifikation im Wurzelbereich (unteres Blatt) wurde vorgenommen, um den Übergang ins eigentliche Blatt weicher zu gestalten.
Der Prop bricht nun deutlich seltener und läuft auch etwas ruhiger, wenn er vorm Greifen schwingt.

Oktober 2016
Die gewonnenen Erfahrungen wurden bei der Umsetzung des neuen 13" x 40" Propellers schon in der Erstellung der Fräsdaten berücksichtigt.
Der Wurzel-Blatt-Übergang wurde diesmal in einem weichen Bogen ausgestaltet.
Schon bei den ersten Testflügen war das Ergebnis deutlich hörbar.
Der Propeller ist btw. so ausgelegt, dass mit ihm in 3-Blatt Konfiguration eine Geschwindigkeit von >500km/h mit weniger 10.000rpm erreichbar sein sollte.
Dank der niedrigen Blattspitzengeschwindigkeit wird er dabei leise und effizient zu Werke gehen.

 

Übrigens: Propeller-Experimente sind nicht billig.
Grob überschlagen sind in den letzten Jahren allein bei mir mehrere 1000 Euro allein in die Propellerentwicklung geflossen.
Ohne die Unterstützung von Stefan Heuel, Dr. Markus Koch und Fabian Wunderlich wär es wahrscheinlich noch viel mehr gewesen!

 

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