Schiffspropeller sind, vereinfacht gesagt, das Äquivalent zu Autoreifen. Sie wandeln die Motorleistung in Vortrieb um und sind zugleich die am häufigsten verwendete Antriebsvorrichtung auf Booten.
Die Geschichte der Propeller
1776 erfand der britische Tüftler James Watt die Dampfmaschine. Sie trug nicht nur maßgeblich zur ersten industriellen Revolution der Menschheitsgeschichte bei, sondern schuf auch die Grundlage für den Einsatz mechanischer Kraft als Schiffsantrieb. Außerdem legte sie das technische Fundament dafür, dass Großbritannien zur Seemacht aufsteigen konnte. Da es damals noch keine Propeller gab, entwickelten Ingenieure, die auf ihre Vorstellungskraft angewiesen waren, nach dem Prinzip des Propellers das Schaufelrad. Dabei handelt es sich um ein Boot mit Rädern an beiden Seiten. Da ein Teil des Rads ins Wasser eintaucht, nennt man es Schaufelraddampfer. Schaufelraddampfer haben jedoch auch viele Nachteile, etwa eine äußerst schlechte Manövrierfähigkeit und einen geringen Wirkungsgrad. Auch das Anlegen am Kai ist schwierig.
1836 setzte die britische „Archimedes“ einen Schraubenpropeller ein – ein langes, schraubenförmiges Holzstück. Bei den ersten Tests fuhr das Boot mit einer Geschwindigkeit von 4 Knoten. Später stieß es im Wasser auf ein Hindernis, wodurch die Schraube brach. Ein kurzes Stück blieb jedoch erhalten, und die Geschwindigkeit des Boots stieg auf 13 Knoten. Dieser kleine Zwischenfall brachte die Ingenieure auf die Idee, aus der langen Schraube eine kurze zu machen und diese anschließend zu einem Propellerblatt umzuformen. So wurde der Propeller Schritt für Schritt durch Experimente entwickelt. Natürlich gab es dabei viele weitere Herausforderungen, etwa die Wellendichtung des Unterwasserpropellers und Unterwasservibrationen. Mit den stetigen Fortschritten der Technik verbreitete sich der Propeller dank seiner großen Vorteile in Werften auf der ganzen Welt.
Die wichtigsten Parameter eines Propellers
1. Steigung P:
Das ist die Strecke, die der Propeller bei einer Umdrehung in axialer Richtung zurücklegt. Sie entspricht der Strecke, die eine Schraube bei einer Umdrehung im Holz zurücklegt. Das ist jedoch nur theoretisch so: In der Praxis gleiten die Propellerblätter im Wasser, was den Wirkungsgrad verringert. Auch das Thema Schlupf spielt hierbei eine Rolle.
Je größer die Steigung des Propellerblatts, desto größer ist sein Steigungswinkel zur Propellerebene. Bei einer bestimmten Geschwindigkeit gibt es jedoch einen optimalen Steigungswinkel. Die Blätter eines Festpropellers lassen sich nicht verstellen. Daher arbeitet er nur bei der Auslegungsgeschwindigkeit am effizientesten. Verstellpropeller sind anders: Ihre Blätter lassen sich drehen und damit auch die Steigung anpassen. Bei Schiffen mit wechselndem Geschwindigkeitsbedarf können Verstellpropeller daher den Wirkungsgrad deutlich steigern und Kraftstoff sparen.
2. Propellerdurchmesser D:
Das ist der Durchmesser des äußersten Kreises, den die Propellerblätter beschreiben. Bei der Propellerauslegung wird grundsätzlich ein möglichst großer Durchmesser angestrebt, um den Schub zu erhöhen. Bei Yachten setzen jedoch der Tiefgang und der Einbauort Grenzen: Ein zu großer Propeller kann nicht mehr durch den Rumpf geschützt werden und stößt leicht an. Daher ist ein passender Durchmesser wichtig.
3. Flächenverhältnis EAR:
Zunächst muss man wissen, dass die Kreisfläche die Fläche der Ebene bezeichnet, die vom Propellerdurchmesser aufgespannt wird, also S=π(D/2)². Bezeichnet S2 die Gesamtfläche, die alle Propellerblätter in dieser Ebene einnehmen, gilt: EAR=S2/S. Je größer das Flächenverhältnis, desto voller sind die Blätter und desto geringer ist die Belastung pro Flächeneinheit. Das wirkt der Entstehung von Kavitation entgegen. Eine Vergrößerung des Flächenverhältnisses verringert jedoch den Wirkungsgrad des Propellers. Um Kavitation zu vermeiden und zugleich den Wirkungsgrad zu verbessern, sollte das Flächenverhältnis daher so klein wie möglich gehalten werden. Bei den meisten Propellern liegt es unter 1, bei manchen Propellern von Hochgeschwindigkeitsbooten jedoch über 1.
Gängige Propellertypen für Yachten
Festpropeller:
Ein Propeller mit fester Steigung. Dank seiner einfachen Bauweise wird er am häufigsten auf kleinen und mittelgroßen Yachten eingesetzt. Er hat drei bis vier Blätter. Vorteile: einfache Konstruktion, langlebig und wartungsfreundlich. Nachteile: Die Steigung ist nicht verstellbar, daher erreicht der Propeller seinen höchsten Wirkungsgrad nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, sind seine Blätter im Allgemeinen groß und die Drehzahl niedrig. Auch die Klapppropeller von Segelbooten sind Festpropeller.
Verstellpropeller:
Ein Propeller mit verstellbarer Steigung. Sie lässt sich an die Geschwindigkeit anpassen und sorgt so für einen hohen Wirkungsgrad und maximale Kraftstoffeinsparungen. Die Nachteile liegen ebenfalls auf der Hand: Die Konstruktion ist komplex, die Anschaffung teuer und die Wartung aufwendig. Verstellpropeller kommen in der Regel auf großen Yachten zum Einsatz.
Gegenläufige Propeller:
Zwei Propeller mit entgegengesetzter Drehrichtung sind auf derselben Welle montiert, wie etwa die gegenläufigen Propeller von VOLVO und ZF. Der vom vorderen Propeller erzeugte Drall wird vom hinteren Propeller aufgenommen. Gleichzeitig wird ein Teil der Rotationsenergie genutzt, wodurch sich der Antriebswirkungsgrad weiter verbessert. Nachteile: Die Konstruktion ist komplex, und aufgrund der begrenzten Schubkraft der verwendeten Materialien kommen solche Propeller auf großen Schiffen seltener zum Einsatz.
Natürlich gibt es noch weitere Propellertypen, die jedoch weniger verbreitet sind.
