Propellerform, Rotorblattform

[Michael_Bauer_c1319c]

Hallo!

Ich glaube nicht, dass wir so weit auseinander liegen.
Natürlich will ich nicht actio=reactio außer Kraft setzen.
Zur konkaven/konvexen Seite: Ich bin mit Dir völlig d’accord,
dass die konkave Seite jeweils diejenige mit dem höheren Druck
ist. Es ist jedoch nicht selbstverständlich. Deswegen habe ich
betont, dass beim Propeller die konvexe Seite angeströmt wird
und bei der Turbine die konkave Seite.

dieser letzte Satz bringt uns sehr weit auseinander.
Was heißt „angeströmt“ ?

Ich meinte damit „wo die Luft herkommt“. Wenn die Luft von Norden nach Süden strömt, dann ist beim Propeller die konkave Seite im Süden, bei der Turbine im Norden.

Beim Propeller ist der erhöhte Druck hinter der Schraube (im Süden) und zwar durch die Wirkung des Propellers, bei der Turbine im Norden (Staudruck).

Insofern sind unsere Aussagen bezüglich der Wölbung des Profils äquivalent.

Zum Anstellwinkel: Ich versuchs nochmal von vorn, weil ich
glaube, dass ich es unnötig kompliziert erklärt habe.
Propeller und Turbine werden ja nicht ohne Grund als
„Schraube“ bezeichnet. Wenn ich mich recht entsinne, bist Du
doch Maschinenbauer oder nicht?

Nein, meine Haupttätigkeit war Baustatik, fachübergreifende
Kenntnisse einbegriffen.

Ein Propeller soll einen möglichst großen Vortrieb bei
geringem Drehmoment liefern (denn das Drehmoment muss durch
den Motor aufwendig erzeugt werden). Deswegen wird man hier
eine eher kleine Steigung wählen.

Das hängt doch mit der Drehzahl zusammen und der Trägheit des
Mediums und dessen Reibung am Flügel.Eine steile Stellung des
Flügels würde im freien Raum das Medium mehr umschaufeln statt
einen Druck (nochmals - nur darauf kommt es an) in der
Achsrichtung
aufzubauen.

Richtig. Das wollte ich damit sagen.

Eine Turbine soll bei einer geringen Druckdifferenz ein
möglichst hohes Drehmoment liefern (denn damit wird die Last
angetrieben). Deswegen wird man hier eine eher große Steigung
wählen.

Nein.Dann würde das Medium durchschlupfen.
Sieht dies hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Kaplanturbine#Funktions…
besonders Steil aus ?

Wie mans nimmt. Es ging dem Fragesteller ja ursprünglich um die Verhältnisse in Luft. Da sieht das garantiert wieder etwas anders aus.

Ein Propeller mit
einer sehr flachen Steigung taugt (insbesondere wenn man ihn
verkehrt herum einbaut)

machen wir nicht, wir wählen einfach die richtige
Drehrichtung.

überhaupt nicht als Turbine.

Doch.Wenn gleiche Verhältnisse vorliegen (Medium,Drehzahl,
Durchströmungsmenge) ist ein Flügel, welcher für die eine
Aufgabe
optimiert ist auch für die andere optimal.

Da habe ich einige Argumente dagegen:

1. Die Umströmung der Turbinenschaufel/des Propellerblattes wäre nur dann umkehrbar, wenn sie laminar wäre, wovon definitiv nicht auszugehen ist.
2. Wenn wir einen Wirkungsgrad definieren wollen, so gilt für den Propeller:

η = P(Nutz)/P(Ges.) = (1/2 * ρ * A * v³) / (2 * π * f * M)

(ρ: Dichte des Fluids, A: Querschnittsfläche des Rotors, v: Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, f: Drehzahl der Welle, M: Drehmoment der Welle)

Für die Turbine wäre der Wirkungsgrad so definiert:

η = P(Nutz)/P(Ges.) = (2 * π * f * M) / (1/2 * ρ * A * v³)

Das ist genau der Kehrwert der obigen Formel. Wenn Du recht hättest, und die beiden Vorgänge vollkommen symmetrisch wären, so müssten die Wirkungsgrade gleich sein. Es gibt aber nur einen Bruch, der mit seinem Kehrbruch identisch ist: 1! Das bedeutet, dass Deine Überlegung - wenn überhaupt - nur für den unrealistischen Fall von 100%igem Wirkungsgrad korrekt wäre.

3. Ein Propeller, der eine sehr flache Steigung hat, ist auf eine Situation optimiert, in der die Drehzahl f sehr hoch und die Geschwindigkeit v eher gering ist. Eine Windturbine arbeitet aber vermutlich bei einer viel geringeren Drehzahl, dafür aber relativ hoher Windgeschwindigkeit. Deine Voraussetzung - dass beide für die gleiche Drehzahl und gleiche Geschwindigkeit optimiert sein sollen - geht also an der Realität vorbei.

Nochmals - es geht nur um die optimale Kraftumlenkung am
Flügel.

Was heißt das?

Wenn Du anderer Ansicht bist, dann zeige doch, daß die Kräfte
am Flügel unterschiedlich (bei vorstehenden Verhältnissen)sind
je
nachdem ob das Flügelsystem aktiv oder passiv eingesetzt wird.

Das ist nicht der Punkt. Es geht darum, ob eine Turbine auch als Propeller genutzt werden kann oder nicht. Es handelt sich - wie gezeigt - um zwei völlig verschiedene Ansprüche, weshalb die Bauteile auf verschiedene Kenngrößen hin optimiert werden müssen.

Michael

[chatairliner]

Die strukturelle Festigkeit dürfte ein wichtiger Punkt sein.

Beim Windrad könnte ich mir vorstellen, dass eine Verjüngung des Blattes eine Effektiviätserhöhung bedeutet, da die Außengeschwindigkeit die Maximalgeschwindigkeit ist und diese soll nicht abbremsend wirken. Lässt sich etwas blöd erklären mit Text, aber wenn z.B. Wind mit 50km/h auf das Windrad trifft, dann ist die Blattaußengeschwindigkeit höher als diese 50km/h. Wären die Blätter außen aber breiter, dann hätten sie zu viel Einfluss und würden das Windrad möglicherweise auf 50km/h Blattaußengeschwindigkeit bringen.
Das Ziel ist es also, das Windrad mit geringer Windgeschwindigkeit schnell genug zu drehen.

Angetriebene Blätter hingegen müssen auf das Medium bezogen stabil und fest sein.

Ein Hubschrauber(wie ein Flugzeug) würde, so glaube ich, einen enormen Teil an Auftrieb verlieren, wenn die Blätter sich nach außen hin verjüngen oder abrunden würden. Es geht im Grunde um die bewegte Masse. Der Hubschrauber muss so viel Luft wie nötig von oben nach unten blasen - nicht so schnell wie möglich, sondern eben so viel wie notwendig ist.
Beim Hubschrauber gibt es bestimmt auch noch Verbesserungspotenzial, doch das dürfte nicht das Ziel sein.

Bei der Schiffsschraube, denke ich, steht die Steifigkeit und Haltbarkeit im Vordergrund. Kavitation muss verhindert werden.
Das Medium ist Wasser, also nicht kompressibles Medium. Das Vortriebsprinzip beruht also nicht auch Über- und Unterdruck (das ist ein unerwünschter Nebeneffekt), sondern das Wasser muss „geschaufelt“ werden. Große, stabile, nicht biegsame, aber duktile Schaufeln sind notwendig. Spitzen/Kanten sind Schwächepunkte, die im „harten“ Wasser abbrechen oder sich verbiegen würden.

Sicher gibt es viele andere Gründe, die nur Spezialisten kennen.

[VIKTOR_029fb4]

Hallo Michael,
meine Einlassungen sind natürlich nur treffend, wenn umgekehrte
Situationen realisiert werden können,wenn ich z.Bsp.die Drehrichtung
eine Turbine umkehre und dies aktiv (Pumpe)betreibe statt passiv.
Dazu sind einige Voraussetzungen erforderlich.
Eine „freie“ Windmühle oder Antriebsschraube eine Schiffes im
Wasser kann nie umgekehrt ähnlich effizient betrieben werden durch
Umkehr der Drehrichtung der Turbine.(die aktive und erzeugte
Strömung sind verschieden - ist klar, oder muß ich dies erläutern)
Bei geführter Strömung in einem Rohr geht dies aber sehr wohl.
Natürlich ist der „Wirkungsgrad“ trotzdem unterschiedlich weil da
noch bestimmte Randbedingungen eingreifen. Der unterschiedliche
Wirkungsgrad ist aber nicht wegen der Form der Schaufeln begründet
so daß man diesen verbessern könnte wenn man die Flügelgestaltung
je nach Arbeitsrichtung verändern würde.
Genau solche Umkehrlaufwerke, welch einmal als Pumpe und dann als
Turbine arbeiten werden in modernen Pumpspeicherwerken eingesetzt.
http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk#Energi…
http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpturbine
Damit ist die Fragestellung auch von der praktischen Seite
beantwortet.
Da die Effizienz bei so großen Anlagen eine bedeutende
wirtschaftliche Rolle spielt würde man doch für Pumpbetrieb
und Turbinenbetrieb je ein anderes Aggregat einsetzen (was man
früher auch machte)mit unterschiedlichen Schaufeln usw. da die
Kosten der Pumpen selbst nur einen Bruchteil der Anlage ausmachen.
Dieser vorstehende Satz nur, damit auch die geringsten Zweifel an
meine Ausführungen beseitigt sind - physikalisch habe ich ja
versucht Dir das nahe zu bringen.

Wie mans nimmt. Es ging dem Fragesteller ja ursprünglich um
die Verhältnisse in Luft. Da sieht das garantiert wieder etwas
anders aus.

Bei in einem Rohr geführter Luft prinzipiell auch nicht, was die
Gestaltung der Flügel betrifft - und das war die Frage.
Gruß VIKTOR

[chatairliner]

Wenn eine geringe Flügelfläche
(geringes Flügelvolumen) ein wichtiges Kriterium darstellt,
müsste wahrscheinlich die Keulenform ein Optimum darstellen.

Es kommt wohl drauf an, was man will.

Will man antreiben oder einen Massestrom hervorrufen, ist das Medium gas- oder fluidförmig, ist es frei beweglich oder in einem Kanal, alles Randbedingungen, die das Optimum bestimmen.

Allerdings denke ich, dass die reine „Keulenform“ wie bei alten Schiffen eine veraltete Form ist.

[Michael_Bauer_c1319c]

Hallo Viktor!

1. Es ging nicht um Strömungen in einem Rohr, sondern um freie Schrauben in der Luft. Schau Dir noch einmal das Ursprungsposting an. Die Kaplan-Turbine habe ich nur eingeführt, weil man hier auf Bildern deutlicher die Wölbung der Turbinenschaufeln sieht.

2. Deine Behauptung, dass die Strömungsverhältnisse umkehrbar seien (im realistischen turbulenten Fall), ist durch nichts begründet. Vielleicht könntest Du mal Deine eigene Idee untermauern, statt nur an meiner rumzukritteln nach dem Motto: Ich glaube es nicht, weil ich es nicht glaube.

3. Pumpspeicherkraftwerke, bei denen die Turbine auch als Pumpe verwendet werden kann, arbeiten mit Francis-Turbinen. Das sind Widerstandsläufer. Ich habe mehrmals betont, dass ich mich ausschließlich auf Auftriebsläufer beziehe. Und selbst wenn irgendwo eine Kaplan-Turbine als Pumpe verwendet werden sollte (was ich bezweifle), dann zeigt das nur, dass es möglich ist, einen Kompromiss zwischen Turbinen- und Propelleranforderungen zu finden. Das wird aber keinesfalls das Optimum für diese Betriebsarten sein. Ich behaupte sogar, dass - falls es so etwas geben sollte - die Turbinenschaufeln verstellbar sind, um den Anforderungen beim Pumpbetrieb gerecht zu werden. Aber wie gesagt: Ich kenne nur Pumpspeicherkraftwerke, die mit Francis-Turbinen arbeiten.

4. Nochmal, damit das ganz klar ist: Es geht darum, ob eine Schraube, die für den Betrieb als Turbine optimiert ist, ebenso effizient als Porpeller arbeiten kann. Du hast behauptet: Ja, das sei so - ohne je ein Argument dafür geliefert zu haben. Wenn Du weiterhin Argumente schuldig bleibst, verabschiede ich mich hiermit aus der Diskussion. Ob Du meine Argumente verstehst oder nicht, ist mir dann egal.

Michael

[Peter_TOO]

Hallo Fragewurm,

Welche Grundrissform hat den besten aerodynamischen
Wirkungsgrad?
Beim Helikopter ist es immer die rechteckige Form, beim
Windrad die trapezförmige, beim Propeller die elliptische. Ist
nur die strukturelle Festigkeit entscheidend für die Form?

Zuerst einmal Drehzahl und Rotordurchmesser.

Je nachdem bewegen sich die Rotorspitzen im Überschallbereich.

Beim Helikopter hat man noch ein zusätzliches Problem.
Beim Vorwärtsflug addiert sich zur Umlaufgeschwindigkei auf der einen Seite die Vorwärtsgeschwindigkeit und auf der anderen Seite subtrahiert sie sich (gilt natürlich auch für seitwärts fliegen).
Somit ergeben sich links und Recht unterschiedliche Auftriebskräfte.
Es kann hier sogar auftreten, dass sich die Rotorspitzen auf der einen Seite im Überschallbereich bewegen und auf der Anderen im Unterschallbereich.
Normalerweise hat man dies mit Schlaggelenken gelöst.
http://de.wikipedia.org/wiki/Schlaggelenk

Richtig lustig wirds dann bei Verstellpropellern, da ist dann kompromissbereitschaft6 gefragt Diese sind dann meist auf die Reisegeschwindigkeit optimiert.

http://de.wikipedia.org/wiki/Propeller

MfG Peter(TOO)

[Krokodi]

Hallo Falke,

Welche Grundrissform hat den besten aerodynamischen
Wirkungsgrad?
Beim Helikopter ist es immer die rechteckige Form, beim
Windrad die trapezförmige, beim Propeller die elliptische.Ist
nur die strukturelle Festigkeit entscheidend für die Form?

die optimale Grundrissform ergibt sich aus den Einsatzbedingungen des Props. Da es viele unterschiedliche Einsatzbedingungen gibt, gibt es auch unterschiedliche Grundrissformen. Wenn wir mal den Vorwärtsflug des Helis beiseite lassen gilt folgendes:
Ein Prop ist dann am effektivsten, wenn der Drucksprung (= Axialkraft) über die gesamte Rotorfläche gleich groß ist. Dann wird der ganze Massenstrom durch den Prop gleichmäßig beschleunigt und der Wirkungsgrad ist maximal.
Wichtige Kennzahl dabei ist die Schnelllaufzahl (Verhältnis von Umfangs- zu Anströmgeschwindigkeit).
Aus Umdrehungs- und Anströmgeschwindigkeit kannst Du an jeder radialen Position den benötigten Auftrieb bestimmen und daraus: Blatttiefe, Blattwinkel und ca. Wobei da ein gewisser Spielraum besteht. Größere Tiefe ergibt kleinere Winkel und weniger ca.
Ein gutes Tool um mit den Werten etwas rumzuspielen ist die Seite von M. Hepperle:
http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javaprop.htm
In der Realität muss man beim Design oft mehrere Designpunkte betrachten (z.B. Reise- und Steigflug) und erhält dann einen Kompromiss.
Ebenso sieht man schnell, dass die optimal großen Blatttiefen im Nabenbereich eines Rotors bei Windturbinen niemals umsetzbar sind. Da heißt es dann eben; Tiefe reduzieren, ca hoch soweit es geht und mit den (geringen) extra Verlusten leben.

Gruß
Krokodi

PS.: Bei Windturbinen sind zwar die Profile „verkehrt“ herum, die grundlegende Theorie ist aber dieselbe.

PPS.: Trapezförmige und geschränkte Grundrisse sind aerodynamisch oft nur minimal schlechter als elliptische, aber z.T. deutlich einfacher zu bauen.