Haben große Propeller einen besserern Wirkungsgrad als kleine?

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Ta152

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Bei Elektroantrieben kann man ja wesentlich einfacher mehrere Motoren verwenden als bei Verbrennungsmotoren. Unter anderem da der Wirkungsgrad eines E-Motors kaum von der größe abhängt. Aber wie sieht es dann mit aus mit dem was dahinter ist? Was ist vom Aerodynamischen Wirkungsgrad besser, wenige große Propeller oder viele kleine? Mir geht es um den Reiseflug mit 300 bis 600 km/h vielleicht sogar 700km/h nicht Start/Landung.
 
Whisky Foxtrott

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Je größer der Propellerdurchmesser, je kleiner die Blattanzahl, desto besser ist der Wirkungsgrad.
 

Boogi

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Hi Ta152,

ein entscheidender Faktor für die Effizienz ist die Schubbelastung des Propellers, engl. disc loading. Es ist effizienter viel Luft wenig zu beschleunigen, als wenig Luft sehr schnell zu machen. Hintergrund ist, dass die kinetische Energie proportional zu v² ist, der Impuls aber nur proportional zu v. Dies ist auch die Erklärung, warum in den vergangenen Jahrzehnten das Bypassratio der Strahlantriebe immer weiter gewachsen ist und auch warum ein Turboprop effizienter ist als ein Fantriebwerk, solange wir im rein subsonischen Bereich sind.

Ist die Schubbelastung gleich, dann ist die Frage nicht so einfach:
  • Ein größerer Propeller hat eine größere Re-Zahl, was der aerodynamischen Güte der Blätter zugute kommt.
  • Je nach Größe und Anzahl der Propeller gestaltet sich die Integration einfacher oder schwieriger. Welche Teile des Flugzeugs liegen im Propellerstrom? Wo und wie groß ist die Motorgondel? Hier möchte ich keine allgemeine Aussage treffen.

Boogi
 
Doppelnik

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Überall dort, wo heute schon Getriebe eingesetzt werden, kann man davon ausgehen, dass man die Propellerdrehzahl so gewählt hat, wie sie am besten zur Anwndung passt. Bei E-Motoren wird dies nicht viel anders sein, für gute Leistungsgewichte benötigt man auch bei E-Antrieben Untersetzungen, daher sehe ich hier keinen Grund für deutlich niedrigere Propellerdrehzahlen.

Mit größeren Propellern benötigt man oft auch höhere Fahrwerken höhere Treppen und viele andere Dinge die eher lästig sind. Bei Einmotorigen ist sicher auch das Moment um die Längsachse ein Thema, je langsamer der Propeller dreht, desto mehr Drehmoment wird für die gleiche Leistung benötigt.

Die Wirkungsgrade sind mit heutigen Drehzahlen und Propellern schon sehr hoch (an die 85 %) so dass da keine große Steigerung mehr zu erwarten ist.

Einen wichtigen Grund gäbe es alledings für große, langsam drehende Propeller, die Lärmbelastung könnte damit erheblich gesenkt werden.
 
cool

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Unter anderem da der Wirkungsgrad eines E-Motors kaum von der größe abhängt.
Doch schon. Je kleiner der Motor desto schlechter. Sooo tief bin ich da auch nicht drinnen, aber da schlagen dann wohl die Ventilationsverluste zu. So bei rund 100kW läuft das aber schon stark asymptotisch gegen die üblichen 90-90% (je nach Typ).
Aber das ist ja nicht das einzige Problem.

Vom Leistungsgewicht sind hochdrehende Motoren meist besser, weil bei gleicher Leistung weniger Moment aufgebracht werden muss (und das muss auch irgendwo wieder abgefangen werden). Aber das passt dann nicht zum Prop. Also entweder Getriebe (schwer, Wirkunsggradverlust) oder niedrigdrehender Aussenläufer ohne Getriebe, der kommt aber halt nicht ganz so hoch in Sachen Leistungsdichte/Momentendichte.

für gute Leistungsgewichte benötigt man auch bei E-Antrieben Untersetzungen
Die meisten Hersteller von diesen E-Motoren für Flugzeuge versuchen mit großen Durchmesser und hohen spezifischen Momenten das Getriebe zu "ersetzten". Aber dann drehen die Motoren so bis 3000 und sollen bei knapp 2000 schon im Optimum laufen. Für nen E-Motor ist das natürlich recht wenig. Deshalb sind 5kW/kg für nen E-Motor ohne Getriebenotwendigkeit schon recht brauchbar. Klar findet man Hersteller, die mit 10kW/kg werben (emrex 268), aber da brauchts ein Getriebe und dann ist es halt auch Essig mit dem Wirkungsgrad. Ganz davon abgesehen, dass manche Spitzenleistung mit Dauerleistung "verwechseln".


Zurück zu ursprünglichen Frage: Eigentlich geht man in der PRaxis in Richtung wenige große Aggregate, oft weil auch Anschaffungspreis, Wartung, Peripherie, Integration, ... eine wichtige Rolle spielen. Bei gleicher Leistung weniger umspülte Fläche, etc etc.

Vorteile an vielen kleinen Motoren (distributed Power Concept) würde ich weniger in der reinen Effizienz derselben suchen, sondern im Systemverbund. Also beispielsweise muss man bei einem kommerziellen Flugzeug ja auch eine Ausfallsicherheit nachweisen.
Ein Triebwerk muss ausfallen dürfen und zwar auch im ungünstigsten Zeitpunkt (Start). Und drumrum muss man nun auch ein Flugzeug bauen. Die Größe des Seitenruders hängt maßgeblich an dieser Anforderung, weil das im langsamflug auch bei assymetrischem Schub genug Kompensation liefern muss. Für die restlichen 12h steht das doof im Wind rum.
Habe ich anstatt 2 Motoren nun 20, dann fehlen bei einem Systemausfall eben 5% anstatt 50% (salopp gesagt).
Anderes Thema: Unter umständen kann man Tragflächen leichter bauen, weil die Motoren ja dort hängen und der nötige Auftrieb um dieses Gewicht zu kompensieren, ja nicht mehr durch irgendwelche Holme geleitet werden muss. Dafür braucht man halt wieder das Rüstzeug für so nen Motor.
 
Doppelnik

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Bei 3000 U/min in einem SEP wird es aber nichts mit leise Fliegen und starten...

Ich denke, dass kleine E-Motore höhere spezifische Leistungen erreichen können, weil die Kühlung dort leichter ist, allerdings, wie Du schon schriebst, sinkt dann der Wirkungsgrad etwas. So eine ganze Reihe kleiner Propelletten vor den Tragflächen wie man es bei manchen Studien sieht, finde ich im Hinblick auf eine eigenlich wünschenswerte laminare Strömung nicht wirklich überzeugend.

Eine große Anzahl von kleinen Motoren und Propellern könnte auch zu einem recht nervigen hochtönenden Geräusch führen ("Angriff der Killermücken")

Ich hatte mal ein ganz billiges ferngesteuertes FLugzeug von Silverlite welches nur mit den beiden Botoren gesteuert wurde (keine Klappen) funktionierte ganz gut, Kunstflug war damit natürlich nicht möglich.

die Sache mit Dauerleistung/Spitzenleistung verwechseln habe ich auch schon festgestellt, als ich mal gebenchmarkt habe für nen Range Extender, die phantastischen Werte auf der Homepage waren bei ner Anfrage immer nur noch halb so hoch...
 

Spessartgeier

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Zum Thema Wirkungsgrad, für Windkraftanlagen gilt folgendes:

Nach einer physikalischen Gesetzmäßigkeit beträgt der theoretisch mögliche Wirkungsgrad einer frei umströmten Windturbine maximal 59,3% (Betzsches Gesetz).

Gilt das umgekehrt auch für Flugzeugpropeller?

Berechnungsansatz: An der Propellernabe drei Meßgrößen erfassen Drehmoment und Drehahl ergibt die vom Motor eingebrachte Leistung, am Drucklager lässt sich der Schub erfassen.

Dann gilt: Schub mal true aispeed / Drehmoment x Drehzahl = Wirkungsgrad.
 
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Stovebolt

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Beim Flugzeug steht dir nun mal nur ein sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung bei dem du die Motoren und Propeller anordnen kannst.
Dann muss man halt zusehen wie man mit einer Lösung für diesen Bauraum den notwendigen Schub erzeugt.
Solche Vorgaben bringen dann oft Lösungen, die vom Optimum stark abweichen.
Gruß!
 

Spessartgeier

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Hallo,

das steht aber nichts über den physikalischen Wirkungsgrad.
 
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