Propeller-Wirkungsgrad

nordy · #1 07.08.2004, 21:50

Hallo,

wenn's um bessere Bootperformance geht, befassen wir uns meistens nur mit Motor und Boot, der Prop bleibt fast immer aussen vor.
Dabei ist er von erheblicher Bedeutung, denn im günstigsten Fall gehen immer noch 20-25 % der Antriebsleistung bei leichten Gleitern durch ihn verloren.

Von welchen Faktoren hängt der Propwirkungsgrad ab ?

1.) Am stärksten vom sogenannten Belastungsgrad
2.) Vom Steigungs/Durchmesserverhältnis H/D des Prop
2.) Von der Flügelzahl
4.) Vom Flächenverhältnis des Prop

Den höchsten Wirkungsgrad unter den 2-4-Flüglern hat der 2-Flügler, er erreicht bis zu 80 %, gefolgt von dem 3-Flügler mit 50% Flächenverhältnis, der nur 75 % erreicht.

Mit letzterem haben wie es ja meistens zu tun.

Die 75 % erreichen wir nur bei entsprecher Auslegung von 1.) und 2.).

Generell kann man sagen, der Belastungsgrad sollte so klein wie möglich sein und H/D sollte zwischen 1,3 bis 1,5 liegen.

Was ist nun der Belastungsgrad ?

Die Formel für ihn lautet:

B = n [min-1] / i x (P [PS] /( v [kn] x (1 - N)) ^5)^0,5

n ist die Motordrehzahl
i die Getriebeübersetzung
P die Motorleistung
v die Geschwindigkeit des Bootes
N ist der sogenannte Nachstrom, bei unseren Booten etwa 0,04

B ist also umso kleiner, je niedriger der Prop dreht und je kleiner das Verhältnis P/ v ^5 ist, das heisst, je weniger Leistung ich zur Erzielung einer bestimmten Geschwindigkeit einsetzen muss.

Kann man glaube ich ganz gut verstehen.

Hier ein Rechenbeispiel:

Bei meinem Zodiac mit dem getunten 30PS-Johnson ist:

P = 40PS
i = 2,23
V = 27 sm/h
n = 5500 min-1 (Motor dreht mit dem 15 ' Prop bis n nenn)
H = 15 ''
D = 10 ''

B = 5500/2,23 x (40 / (0,97 x 27)^5)^0,5

B = 4,44

H/D = 15/10 = 1,5

Das sind optimale Werte für meinen 3-Flügler mit geschätzten 50 oder 60 % Flächenverhältnis.
Der Wirkungsgrad dürfte bei 75 % liegen.

Eine weitere Reduzierung des Belastungsgrades über eine grössere Steigung, würde keinen besseren Wirkungsgrad bringen, nur käme es zu einem Leistungsverlust beim Motor, der nur noch bis bei 4900 mi-1 drehte.

Anders sähe es z.B. aus, wenn der Prop ein 13 '' gewesen wär.

Der Belastungsgrad wäre dann :

B = 6300 / 2,23 x (36 / (0,97x25,4)^5) ^0,5 = 6,0
H/B = 13/10 = 1,3

Der Wirkungsgrad läge nur bei etwa 72 %.

Der 15 "- Prop würde den Wirkungsgrad auf die schon erwähnten 75 % anheben.

Übrigens die Formel für den Belastungsgrad zeigt auch, wie hoch die Verluste beim Anfahren sind.

Beispiel:

n = 4000 min-1
v = 10 sm/h
P = 30 kW

B = 4000/2,23 x (30/ 0,97x10)^5)^0,5 = 33,5

Der Wirkungsgrad dürfte nur bei knapp 50% liegen.

Wir alle wissen ja, wie stark der Prop beim Vollgasbeschleunigen aus geringen Geschwindigkeiten schlüpft.

So, nun rechnet man schön.

Gruss Nordy

Rotti · #2 08.08.2004, 21:32

Zitat:

Zitat von nordy

Hallo,

wenn's um bessere Bootperformance geht, befassen wir uns meistens nur mit Motor und Boot, der Prop bleibt fast immer aussen vor.
Dabei ist er von erheblicher Bedeutung, denn im günstigsten Fall gehen immer noch 20-25 % der Antriebsleistung bei leichten Gleitern durch ihn verloren.

Von welchen Faktoren hängt der Propwirkungsgrad ab ?

1.) Am stärksten vom sogenannten Belastungsgrad
2.) Vom Steigungs/Durchmesserverhältnis H/D des Prop
2.) Von der Flügelzahl
4.) Vom Flächenverhältnis des Prop

Den höchsten Wirkungsgrad unter den 2-4-Flüglern hat der 2-Flügler, er erreicht bis zu 80 %, gefolgt von dem 3-Flügler mit 50% Flächenverhältnis, der nur 75 % erreicht.

Mit letzterem haben wie es ja meistens zu tun.

Die 75 % erreichen wir nur bei entsprecher Auslegung von 1.) und 2.).

Generell kann man sagen, der Belastungsgrad sollte so klein wie möglich sein und H/D sollte zwischen 1,3 bis 1,5 liegen.

Was ist nun der Belastungsgrad ?

Die Formel für ihn lautet:

B = n [min-1] / i x (P [PS] /( v [kn] x (1 - N)) ^5)^0,5

n ist die Motordrehzahl
i die Getriebeübersetzung
P die Motorleistung
v die Geschwindigkeit des Bootes
N ist der sogenannte Nachstrom, bei unseren Booten etwa 0,04

B ist also umso kleiner, je niedriger der Prop dreht und je kleiner das Verhältnis P/ v ^5 ist, das heisst, je weniger Leistung ich zur Erzielung einer bestimmten Geschwindigkeit einsetzen muss.

Kann man glaube ich ganz gut verstehen.

Hier ein Rechenbeispiel:

Bei meinem Zodiac mit dem getunten 30PS-Johnson ist:

P = 40PS
i = 2,23
V = 27 sm/h
n = 5500 min-1 (Motor dreht mit dem 15 ' Prop bis n nenn)
H = 15 ''
D = 10 ''

B = 5500/2,23 x (40 / (0,97 x 27)^5)^0,5

B = 4,44

H/D = 15/10 = 1,5

Das sind optimale Werte für meinen 3-Flügler mit geschätzten 50 oder 60 % Flächenverhältnis.
Der Wirkungsgrad dürfte bei 75 % liegen.

Eine weitere Reduzierung des Belastungsgrades über eine grössere Steigung, würde keinen besseren Wirkungsgrad bringen, nur käme es zu einem Leistungsverlust beim Motor, der nur noch bis bei 4900 mi-1 drehte.

Anders sähe es z.B. aus, wenn der Prop ein 13 '' gewesen wär.

Der Belastungsgrad wäre dann :

B = 6300 / 2,23 x (36 / (0,97x25,4)^5) ^0,5 = 6,0
H/B = 13/10 = 1,3

Der Wirkungsgrad läge nur bei etwa 72 %.

Der 15 "- Prop würde den Wirkungsgrad auf die schon erwähnten 75 % anheben.

Übrigens die Formel für den Belastungsgrad zeigt auch, wie hoch die Verluste beim Anfahren sind.

Beispiel:

n = 4000 min-1
v = 10 sm/h
P = 30 kW

B = 4000/2,23 x (30/ 0,97x10)^5)^0,5 = 33,5

Der Wirkungsgrad dürfte nur bei knapp 50% liegen.

Wir alle wissen ja, wie stark der Prop beim Vollgasbeschleunigen aus geringen Geschwindigkeiten schlüpft.

So, nun rechnet man schön.

Gruss Nordy

Servus Nordy!

Hier meine DAten wie gewünscht. Marschfahrt mit 2 Leuten an Board. voller Tank und Zubehör

n 4100
i 2,33
P 66,2
v 40kmh
N ist der sogenannte Nachstrom, bei unseren Booten etwa 0,04 ????

Prop hab ich einen 3fl. mit 13,25 x 19"

Gruß Rotti

nordy · #3 09.08.2004, 08:05

Moin Rotti,

meine Rechnung ergibt für B den nicht schlechten Wert 7,3 und für H/D den Wert 1,4.

H/D ist optimal, B könnte noch etwas kleiner sein, erreichbar durch eine

gleichermassen grössere Steigung und Durchmesser (H/D bleibt gleich).

Man müsste die Rechnung natürlich noch für v max durchführen.

Wie sind denn da deine Werte ?

Kennst du eigentlich das Flächenverhältnis deines Props ?

Gruss Nordy

Rotti · #4 09.08.2004, 19:24

Servus Nordy!

Danke für die REchnung. Leider kenn ich nicht mein Propeller - Flächenverhältnis.

Vmax geht mein Boot 59,8kmh bei einer Drehzahl so um die 5700 - 5800 rpm.

Bin schon gespannt was du dazu sagst. Theoretisch kenn ich mich da nicht so aus, den Prop habe einfach durch Test`s gefunden. Noch besser meiner Meinung nach wäre der 12 5/8 x 21" Yamaha vom Martin STM gewesen der ihn mir mal borgte. Noch bessere Beschleunigung von unten raus, exaxte 40kmh bei knapp 4000rpm. Vmax auch so um die 59-60kmh. Auf alle Fälle hatte dieser Prop die beste Performance. Aber irgendwo muss man mal ein wenig zurücktreten und sparen und kann sich nicht immer wieder was neues dazu kaufen, zumal dieses Jahr ja einiges bei mir in die Bootskasse geflossen ist. Mal sehen, vielleicht sehe ich mich n. Jahr nach einen anderem Prop um (Steel) . Ich meine Edelstahl auf mein Edlrib mit den Edelklampen :zerschepp :zerschepp

Gruß Rotti

nordy · #5 09.08.2004, 21:12

Hallo,

Glückwunsch, der Belastungsgrad bei v max beträgt 4,4 (bei 90PS).

Das ergibt bei dem H/D von 1,4 einen Wirkungsgrad von genau 75 %, das

Optimum nach den Wageninger B-Screws-Kennfeldern (Flächenverhältnis = 50%).

Bei einem Flächenverhältnis von 80 % - glaube nicht, dass es auf deinen Prop

zutrifft - wären es noch 70 %.

Beim 2-Flügel-Prop wären es aber 80 %, ist aber aus Komfortgründen wohl

nicht fahrbar.

Der Wirkungsgrad bei der Marschfahrt beträgt aber nur 70 % (Flächenverhältnis

=50+80 %).

Erhöht da geringfügig den Verbrauch.

Wärst du nicht mit einer 20-er Steigung noch optimaler dran ?

Der Motor überdreht ja zur Zeit etwas, damit lägst du genau auf " Punkt" (5500)

und der Belastungsgrad wäre auch noch etwas kleiner, was den Verbrauch bei 40

km/h zweimal verringern würde:

Einmal über die geringere Motordrehzahl (geringere Nulllastleistung) und

zum andern über einen noch besseren Propwirkungsgrad.

Der mit der 21-er Steigung hat ein H/B von 1,66, der Wert ist leider nicht mehr auf

den Diagrammen drauf, sodass ich nichts dazu sagen kann, wie sich der

Wirkungsgrad damit verändert.

Fazit:

Du hast auf Anhieb einen sehr guten Prop gefunden, dessen sehr gute

Performance sich auch durch die Theorie erhärten lässt.

Gruss Nordy

Rotti · #6 09.08.2004, 21:22

Hi Nordy!

Jetzt kannst du mich als Ventilator einbauen bei dem Lob was ich von dir bekommen habe. Ich schlage einen Salto nach dem anderen, so freut mich das. GEnau wie du sagst, ich habe auch schon überlegt eine 2o iger Steigung zu montieren. Das alles was du schreibst und ich getestet habe ist ähnlich wie in der Modellfliegerei.

Danke Nordy - Gruß Mathias

AndreasL · #7 10.08.2004, 11:35

Hallo Leute,

ich habe da eine etwas weniger wissenschaftliche :weissnich Anfrage an Euch!

nach 4 Jahren vergeblicher Versuche mit meinem Wiking GTS und 40 PS Mercury „2T“ (Baujahr 1999) Wasserski zu fahren fand sich dieses Jahr die Lösung. Die Propellersteigung von 16 Zoll vorhanden auf 13 Zoll verändert (geliehene Schraube). Das Boot baut damit wesentlich mehr Kraft auf.
Da ich leider keinen Drehzahlmesser habe - kann ich nur sagen - Motor klingt nicht überdreht und soll ja auch nicht als Reiseschraube sondern als Spaßschraube montiert werden.
Hat jemand zufällig einen ordentlichen gebrauchten Propeller ..... 13P?

Gruß Andreas

nordy · #8 14.08.2004, 21:27

Hallo Rotti,

Zitat:

N ist der sogenannte Nachstrom, bei unseren Booten etwa 0,04 ????

War dir da was unklar ?

Der Prop liegt doch in einer Strömung mit einer Geschwindigkeit, die ohne Frage kleiner als die Bootsgeschwindigkeit ist.

Denn nur direkt an der Bootshaut hat das Wasser die Geschwindigkeit des Bootes, weit genug davon entfernt hat es den Wert Null.

Bei Verdrängern liegt die Anströmgeschwindigkeit des Props je nach Kiellänge und Gewicht zwischen 75 und 85 % der Bootsgeschwindigkeit.

Bei Gleitern liegt der Wert je nach Gewicht zwischen 92 und 96 %.

Je leichter das Boot ist umso mehr nähern sich die Geschwindigkeiten an.

Die Formel lautet:

V Anström = v Boot x (1 - N)

Im Mittel wäre bei unseren Booten N = 0,04, also

V Anström ungefähr 0,96 v Boot

Gruss Nordy

avk · #9 05.02.2006, 11:49

Hallo Freunde des Propellers,

scheint mir an der Zeit diesen alten Fred mal wieder hervorzuholen, natürlich mit der ewigen Frage: Welcher Propeller ist der Beste - für meine Boot/Motor Kombination?

Fakten:

An meinem Zodiac Futura Mark III hängt ein 40 PS Mercury 4-Takter mit dem original-Propeller Mercury Black Max 48-73136A40 13P, Pitch 13 und Durchmesser 10 3/8, Aluminium lackiert.

Folgende Performance erreiche ich momentan wenn ich alleine fahre:
RPM = 5350
(v-max) km/h = 52
daraus errechne ich mit nordys Formel ein B von 4,5 - scheint also soweit ein guter Wert.

Fahren wir aber mit mehr Gewicht, sprich drei Personen plus Ballast, komme ich auf folgende Werte:
RPM = 5200
(v-max) km/h = 45
ergibt ein B von 6,2

Der Motor sollte laut Handbuch optimalerweise etwa mit 5800 drehen.

Kann ich nun die Performance im Hinblick auf Beschleunigung oder V-Max noch steigern? Viel scheint da ja nicht mehr drin zu sein, oder was meint ihr bringt hier ein hochgezüchteter und damit auch entsprechend teurer Edelstahl Propeller noch etwas?

Gruss

Armin

nordy · #10 05.02.2006, 16:25

Hallo Armin,

um das bestmögliche v max zu erzielen, müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein:

Der Motor muss maximale Leistung abgeben, das ist bei dir bei 5800 min-1 der Fall.
Der Fahrwiderstand sollte möglichst gering sein.
Der Prop-Wirkungsgrad sollte mindestens 75 % betragen, was bei Belastungsgraden von um die 4 und H/d < 1,3 der Fall ist.

Ursachen für das kleinere V max mit 3 Personen sind bei dir:

1.) Die durch das höhere Gewicht wesentlich grössere Bootreibung

2.) Der Propwirkungsgrad ist deutlich schlechter geworden, weil du die fast gleiche Leistung für eine deutlich kleinere Geschwindigkeit aufbringen musst.
Das erkennst du auch daran, dass der Prop jetzt wesentlich mehr schlüpft.
Wenn der Schlupf gleich geblieben wär, hätte der Motor im Verhältnis 45/52 niedriger also bei 4630 drehen müssen.
Hast du beim Belastungsgrad auch 40 - x eingesetzt ?
Wenn du weiterhin mit 40 PS gerechnest hast, wird der Wert in Wirklichkeit noch höher also schlechter als 6,2 sein.

3.) Der Motor gibt aufgrund der abgefallenen Drehzahl noch weniger Leistung ab.

Wie kannst du das v max verbessern ?

Du kannst wohl kaum erreichen, dass der Prop bei 3 Personen nicht wesentlich stärker als bei dir alleine durchdreht.
Der grössere Schlupf und Nachgang stellt sich automatisch als Folge der höheren Bootslast und -reibung ein.

Die Propgeometrie stimmt aber nicht.

Schon für Alleinefahrt ist die Steigung einfach zu gross.
Ausserdem könnte der Durchmesser etwas kleiner sein.
Idealerweise sollte der Motor hier auf den Punkt oder etwas drüber hinaus drehen.
Ich würde einen 10 x 12 ausprobieren.

Das Boot müsste mit dir alleine so noch 2-3 km/h schneller werden.
Kann sein, dass du den guten Belastungsgrad von deinem alten Prop halten kannst.
Die v max-Einbusse bei 3 Personen wird sicherlich auch kleiner werden.

Viel Erfolg.

Gruss Nordy

avk · #11 05.02.2006, 17:35

Vielen Dank für die Analyse, nordy!

Ich habe eben mal durch einen Michigan-Katalog geblättert, dort gibt es z.B. einen passenden 10.5 x 12 Ballistic Propeller - wie wäre es damit? Sind eigentlich solch "ausgefallenen" Propellerformen besser als der herkömmliche Alu-Prop. oder wirft man sein Geld so mehr oder weniger nur zum Fenster raus?

Aber die Aussicht, das man bei mir noch 2-3 km/h herausholen könnte ist auf jeden Fall schonmal schön!

avk · #12 05.02.2006, 17:38

Zitat:

Zitat von nordy

Wenn der Schlupf gleich geblieben wär, hätte der Motor im Verhältnis 45/52 niedriger also bei 4630 drehen müssen.
Hast du beim Belastungsgrad auch 40 - x eingesetzt ?
Wenn du weiterhin mit 40 PS gerechnest hast, wird der Wert in Wirklichkeit noch höher also schlechter als 6,2 sein.

Ja, ich habe die Formel ins Excel einghackt um dann noch ein wenig mit den Werten herumspielen zu können.

nordy · #13 05.02.2006, 18:28

Zitat:

Ich habe eben mal durch einen Michigan-Katalog geblättert, dort gibt es z.B. einen passenden 10.5 x 12 Ballistic Propeller - wie wäre es damit? Sind eigentlich solch "ausgefallenen" Propellerformen besser als der herkömmliche Alu-Prop. oder wirft man sein Geld so mehr oder weniger nur zum Fenster raus?

Rein theoretisch müssten Edelstahl-Props aufgrund der kleineren Wandstärken bei sonst gleichen Parametern einen etwas besseren Wirkungsgrad aufweisen.

Aber ob das bei diesem Ballistic zum Tragen kommt ?

Achte lieber darauf, dass er nicht gecuppt ist.
Denn durch Cuppen wird die effektive Steigung um einen halben bis einen Punkt grösser.
Das wäre genau das Verkehrteste.
Der etwas grössere Durchmesser stört mich auch.

Gruss Nordy

avk · #14 06.02.2006, 17:28

Ich habe heute mal bei Gröver angerufen um mich nach entsprechenden Props zu erkundigen und die Ausgangslage geschildert.

Man rät mir dort auf 10.? x 11 zu gehen. Von Edelstahl wurde abgeraten, da das bisschen mehr an Geschwindigkeit (2 km/h wurde genannt) im Vergleich zum billigeren Alu-Prop nicht verhältnismässig sei. Ich fand die Beratung gut und fair.

(? = Nachkommastelle abhängig vom Hersteller)

santhos · #15 06.02.2006, 19:15

Ich wurde auch sehr gut beraten bei Gröver und habe mich trotzdem auf der Messe für den Edelstahlprop entschieden. Ich kenn mich hätte ich mir den Alu Prop gekauft hätte ich mich immer gefragt ob der Edelstahlprob nicht doch besser wäre. Hätte ihn doch irgendwann gekauft also sagte meine Frau, dann soll ich wenigstens die Messeprozente mitnehmen, sie kennt mich eben. Nebenbei ist der Edelstahlpropeller auch viel einfacher zu reparieren.