richtiger Propeller für ein Experiment

[Hydrazin]

Hallo,

Ich plane zur Zeit ein Projekt, das vielleicht nicht ganz in die Kategorie Modellflug passt. Ich brauche aber Hilfe von Leuten, die sich sehr gut mit Propellern auskennen und hoffe hier kann mir jemand weiterhelfen .

Ich möchte als Experiment ein Fahrrad mit Propellerantrieb bauen. Der Propeller soll mit einer Übersetzung direkt über die Pedale, also rein mit Muskelkraft angetrieben werden. Die Räder sollen nur frei laufen, nicht zum Antrieb beisteuern. Hab ne Weile versucht mich übers Netz zum Thema Propeller schlau zu machen, bin aber an meine Grenzen gestoßen und brauche jetzt Expertenhilfe .

Hier ein paar Daten, die ich bis jetzt ermittelt habe:

Meine Leistung auf dem Fahrrad:
max. dauerhaft 180 W
max. kurz 700 W
Pedal("Motor-")-Drehzahl: 60-110 U/min (eine Übersetzung von bis zu 16-fach leicht möglich, vielleicht auch mehr)

min. benötigter Standschub: 40 N (mehr natürlich super)
max. Propellerdurchmesser 130 cm

Der Propeller soll als Druckpropeller hinter dem Hinterrad mit dem Zentrum etwa auf Höhe des Sattels montiert werden (und zur Sicherheit kommt er in einen Käfig).

1. Welcher Propellerdurchmesser wäre gut?
2. Welche Flächendichte?
3. Welches Steigungs-/Durchmesser-Verhältnis?
4. Mit Übersetzung/Drehzahl sollte der dann laufen?
5. Welches Material (Holz, Carbon, Kunstoff)?
6. Habt ihr eine Idee wo ich den Propeller kaufen könnte?

Schonmal 1000 Dank im Vorraus

 

[Viper2097]

Zumindest praktisch werden Modellbauer mit diesen Propellergrößen (130cm!) keine Erfahrung haben.
Sollte dir hier also nicht weitergeholfen werden können würde ich mich mal an die motorisierte Hängegleiter doer Paragleiterfraktion wenden.

Aber rein aus dem Bauch raus: Such nen Propeller mit dem maximal möglichen Durchmesser und der maximal möglichen Steigung und versuchs dann einfach mal. dass es funktioniert kann ich mir durchaus vorstellen, aber dass es Spaß macht nicht.
Mal abgesehen davon dass der Propeller bitte unbedingt in einen Käfig muss.

Achja, und bitte nicht schrecken wenn so ein Propeller mal locker 500€ kostet .

 

[Hydrazin]

Vielen Dank für die schnelle Antwort und die Tipps! Dachte mir halt, dass die Größe am Grundprinzip nicht so viel ändert und euer Wissen auch für mein Projekt anwendbar ist.

Wie macht ihr das, wenn ihr einen Propeller kauft? Da steht ja meist nur Durchmesser und Steigung. Woher wisst ihr, dass die Flächendichte dann auch passt und mit welcher Drehzahl der laufen soll?

( Also ich weiß nicht genau ob der gehen würde, aber ich hab hier einen Ultraleichtflugzeugpropeller auf E-Bay gesehen. Stehen leider kaum Daten dabei )

 

[Paderpiper]

Versuch mal Mark Drela zu kontaktieren.
Der ist hier in der Modellbauszene ein Begriff und recht bekánnt für Aerodynamische Auslegungen usw.
Für das überaus erfolgreiche Projekt Decavitator hat er einen pedalgetriebenen Propellerantrieb entworfen der ganz bestimmt recht effektiev ist.

Frag mal bei Google nach den Stichworten.
Wenn Du absolut nicht weiter kommst muss ich mal suchen, ich habe irgendwo noch die komplette Auslegung vom Decavitator. Würde aber was dauern.

Ach so, der Prop ist selbstgebaut, wie ein Flügel.

Gruß
Thomas

 

[Dix]

Mit 180W Dauerleistung kann man über eine Luftschraube keine 4kg Standschub erzeugen. Eher je nach Wirkungsgrad 0,5-1kg.
Mit 700W Leistung kriegst Du mit heutigen Brushless-Motoren auch nur 2kg Schub hin.

Theoretisch geht da zwar schon viel mehr, aber das wäre eine sehr extreme Optimierungsaufgabe. Die Realität sieht für einen Luftschraubenantrieb eher aus wie oben. Zum Beispiel: http://www.bnhof.de/~ho1645/blmsort.pdf
Du müsstest hier in die Tiefen der Langsamflug-Aerodynamik (Sehr kleine Re-Zahlen) einsteigen. Da wirst Du wohl mit käuflichen Lösungen nicht glücklich werden. So eher Entwürfe wie für den Saalflug bauen. Einfach mal Kaufen ist da nicht mehr.

Vielleicht haben Fahrräder deshalb auch eine Kette, denn in den zu erwartenden Geschwindigkeitsbereichen ist dieser Antrieb einem Quirlantrieb überlegen...

 

[Julez]

Schau mal bei Mark Drela vorbei, der hat mal an einem Propellerboot mitentwickelt:

http://lancet.mit.edu/decavitator/

Zu dem Projekt würd ich mal Google anwerfen. Oder Mark direkt fragen, vielleicht hast du Glück.

 

[Hydrazin]

Danke für eure Ideen. Es freut mich, dass ihr euch für mein Projekt interessiert.

Hab schon viele Stunden zu dem Thema gegoogelt und bin dann erst hierher gekommen, fand den Decavitator auch sehr interessant. Werde mal versuchen Mark Drela zu kontaktieren. Jegliche genau Informationen zu Antrieb vom Decavitator wären natürlich sehr nützlich. Vielen Dank für die Tabelle mit den Schubwerten. Das ist eine gute Orientierung für mich, wobei man bedenken muss, dass die beim Modellbau verwendeten Propeller ja deutlich kleiner sind und ich so mit der gleichen "Motorleistung" einen höheren Wirkungsgrad haben müsste. Mir ist natürlich klar, dass ein normales Fahrrad aus gutem Grund über die Räder angetrieben wird. Es ist halt ein Experiment. Ich will sehen, wie gut es klappt, wie es sich mit muskelbetrieben Propeller fährt und dabei etwas lernen, Spaß am Bauen haben.

Wenns irgendwie geht, würde ich schon gerne eine Propeller kaufen. Einen selbst zu konstruieren mir ist zu kompliziert. Wenn ich mich jetzt für einen entschieden habe, wie kann ich dann herausfinden, bei welcher Drehzahl der dann einen akzeptablen Wirkungsgrad hat? Oder sollte ich ihn einfach so schnell laufen lassen, wie möglich?

 

[FamZim]

Hallo

Ich mach mal eine hochwißenschaftliche, Phi mal Daumen Rechnung

Die Leistung ist 180 W also 180 N/mtr = ~ 18 kg und 1 mtr weit !
Fahrgeschwindigkeit soll mal 20 Km/h sein = 5,55 m/sek.
Die Kraft in kg ~ 3,24 kg .

Der Prop hat 130 cm D,und mit 10 % Blattiefe dann eine Fläche von 16,9 dm . ( Ich stehe auf breite Rechteckprops).
Die Flächenbelastung wäre demnach nur 192 g . (3,24 : 16,9 = 191,7 g ).
Die mitlere Propgeschwindigkeit wird bei 70 % Durchmesser gerechnet, die dann 91 cm und 2,8 m Umpfang sind.

Für mich rechne ich mit 30 g Flächenbelastung bei 10 m/sek mitlere Propgeschwindigkeit.

Der Auftrieb ist aber 192 : 30 = 6,4 mal höher.
Der Auftrieb steigt aber quadratisch mit der Geschwindigkeit also Wurzel aus 6,4 = 2,53 .
Also ist die Propgeschwindigkeit bei 70 % oder 2,8 m Umpfang dann 10 mtr/sek mal 2,53 = 25,3 mtr/sek.
Die erreicht der bei 25,3 m/sek : 2,8 mtr/U = 9 U/sek, das sind 540 U/min.
Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 5,55 mtr und 9 U/sek braucht er eine Steigung von 5,55 mtr : 9 = 61,6 cm .
Wenn man mit 10 % Schlupf rechnet, dann eben 67,8 cm Steigung.
Das Getriebe braucht eine Übersetzung von 1 zu 5 !!
Mehr würde ich da nicht rechnen, wenn alles so gemacht werden kann.

Gruß Aloys.

 

[Stephan2]

Schon mal angedacht testweise einen Hubi-Rotor zu nehmen.
Steigungsanpassung inklusive...

Grüße
Stephan

 

[Hydrazin]

Wow FamZim,

vielen Dank für deine Mühe! Was du geschrieben hast ist genau das was ich gesucht hab . So schnell so viele gute Antworten. Ihr seit echt super hier im Forum!

Ich kann nicht ganz komplett nachvollziehen, was du da gerechnet hast, aber es klingt sehr schlüssig. Könntest du mir evtl. sagen welche Formeln du verwendest oder wo ich sowas gut nachlesen kann?
Hätte es keine Vorteile einen Propeller mit einer höheren Drehzahl und geringer Steigung laufen zu lassen?
So wie du das gerechnet hast ließe sich das sehr gut bauen. Das liegt noch im Bereich einer sehr hohen Rennradübersetzung.

Wegen dem Helirotor: Wär natürlich super, wenn man den Anstellwinkel verstellen könnte. Das wär dann fast wie eine stufenlose Gangschaltung . Aber gibt es so große Helirotoren zu kaufen? Vermutlich wäre die Installation der Blattverstellung am Fahrrad auch nicht so ganz einfach, da ich keinen Akku einbauen will.

 

[Christian Lucas]

Hi,
Mit den 1,3 Metern Durchmesser hat man halt noch nicht den maximal Möglichen besten Propeller .Der Prop von Drehla für das Muskelkraftboot hat 3 Meter Durchmesser . Auch mal nach Gossamer Condor oder einfach allgemein nach durch Muskelkraft angetriebenen Flugzeugen googeln .Hier in Deutschland war noch Günter Rochelt sehr erfolgreich mit Muskelkraft angetriebenen Flugzeugen . Die Propeller dafür hat Prof.Ernst Schöberl entwickelt ,da must Du so in der Würzburger Gegend nach Googeln.
Viele Solarmodelflieger haben die Propeller nach Larreby gerechnet ,da gibt es vielleicht auch etwas im Netz.hier, http://www.mh-aerotools.de/company/paper_1/epplerhepperle.htm .
Und natürlich Jawaprop von Martin Hepperle ,ein Muss , http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javaprop.htm .
Zumindest lesen solltest du das mal.

 

[MarkusN]

Vermutlich wäre die Installation der Blattverstellung am Fahrrad auch nicht so ganz einfach, da ich keinen Akku einbauen will.

Das ist das kleinste Problem. Steigungsverstellung = Kollektive Blattverstellung = 1 Servo. Statt dem elektromechanischen Stellantrieb kann an der Stelle auch ein Bowdenzug wirken. Die sollen an Fahrrädern ab und zu eingesetzt werden...

Aber jetzt was ganz anderes: Ich kann ja schon nachvollziehen, dass man aus Spass an der Freud so ein Projekt startet, aber warum zum Teufel machst Du den Umweg über die Luft, wenn Du ein an und für sich hocheffizientes Gefährt direkt an seiner Unterlage abstossen könntest? Fluide haben zwar den Vorteil, dass stufenlosen Übersetzungen leicht realisiert werden können (s. z.B. Hydraulikwandler), aber die Wirkungsgrade sind wegen der Wirbelverluste normalerweise unterirdisch. Und wenn es einen Aspekt gibt, der auf dem Fahrrad alle anderen an Priorität übertrumpft, dann ist es der Wirkungsgrad.

 

[hastf1b]

Ich habe mal einen Bericht gesehen bei dem jemand unter anderem auch ein Fahrrad mit "Luftschraube" gebaut hatte. Die "Luftschraube" war vergleichbar mit dem Rotor eines Ventilators also mit vielen einzelnen Blättern. Evtl. auch mal in diese Richtung denken. Dreiblatt, Vierblatt oder mehr. Nur eine Überlegung.

Heinz

 

[Christian Lucas]

Ne nicht vile Blätter sondern ehr weniger ,so Ein bis max. Zwei .
Und MarkusN hat natürlich völlig Recht. Einen besseren Wirkungsgrad wirst Du so nicht ereichen und Abheben sowieso nicht.
Ein Aspekt wäre es den Propeller als Zugpropeller zu machen und im Sommer gut gekühlt Radeln zu können. Zugprop ist irgendwie immer besser wie die Schubpropeller ,auch wenn die Theorie da was gegen hat.

 

[Hardy]

Ich habe mal vor vielen Jahren einen Zierpropeller als Wanddekoration geschenkt bekommen, habe das Teil immer noch im Keller. Ordentlich aus mehreren Lagen Holz verleimt, damit es ein schönes Muster gibt, nur halt nicht für den Flugbebtrieb zugelassen.

Ich kann mir vorstellen dass man auch heute noch Zierpropeller bekommt die viel größer sind als was wir so im Modellbau benutzen, und viel billiger als Propeller aus dem manntragenden Bereich. So ein großer Holzpropeller lässt sich auswuchten und dürfte auch die Drehzahlen vertragen die Du per pedes erzeugen kannst. Ich habe meinen Zierpropeller nie vermesssen, ob er aerodynamisch als Luftschraube Sinn macht, aber ich kann mir vorstellen irgend ein Hersteller Zierpropeller genau so fräst wie "echte" Propeller, und einfach alle Arbeitsschritte und Qualitätskontrollen weglässt, die sicherlich im Luftfahrtbereich erforderlich sind.

Da fällt mir noch was ein. Man könnte mal nachforschen wie es mit Propellern für Windmaschinen aussieht, wie man sie beim Film verwendet. Kann mir vorstellen dass die keine teuren Luftfahrtteile verwenden, zumal vielleicht der Käfig als entscheidendes Sicherheitskriterium in diesem Bereich angesehen wird.

Das sind nur mal meine spontanen Einfälle, ohne Anspruch auf Sinnhaltigkeit.

 

[Hydrazin]

Danke, Christian Lucas. Werd mir deine Tipps anschauen. Nach muskelbetriebenen Flugzeugen hab ich schon viel gegoogelt. Genau angaben zum Propeller und der Übersetzung sind leider nicht ganz einfach zu finden.

Wie gesagt, ich weiß, dass ein normales Fahrrad effizienter ist. Aber eben so sicher bin ich mir, dass ich jede Menge Spaß an dem Projekt haben werde! Abheben würde ich gerne, aber schon klar dass das nicht drin ist. Das mit der Blattverstellung ist mir glaub ich zu aufwändig zum Einbauen. Wenn der Propeller halbwegs gut arbeitet, ist der Wind dahinter etwas zu stark um ihn las Zugpropeller zu montieren, vermute ich.

Ich denke schon, dass ich einen "echten" Propeller nehmen werde. Auf E-Bay gibts da schon was in der Größenordnung unter 100 €. Denn wenn der Wirkungsgrad eh schon gering ist, will ich nicht noch mehr Energie durch einen Propeller mit schlechter Geometrie verlieren. Trotzdem vielen Dank für die Idee

 

[brigadyr]

Ein Helirotorblatt hat meiner Meinung mit seiner schmalen Blattbreite und geringen Wölbung bei den geringen Re Zahlen wenig Wirkungsgrad. Bei dem Vorschlag ging es sicher auch nicht um die Blattverstellung .Es reicht ja eine Anstellung für eine Geschwindigkeit.
Ich würde eine einfache Wölbung in Form eines Kreisausschnittes nehmen. Die Blattform gerundet für geringen induzierten Wiederstand .Das lässt sich einfach aus Duraluminium herstellen.Die Blätter sollten eher breiter sein,als Flugzeugpropeller oder gar Heliblätter.
Schau Dir mal Saalflugpropeller an,daran solltest Du Dich orientieren.

 

[Dix]

Nur als Beispiel, es geht tatsächlich. Sogar noch extremer: Hubschrauberfliegen mit Pedalen!
http://www.youtube.com/watch?v=emK-qIbuJ-k

 

[Hydrazin]

Ja den muskelbetriebenen Heli kenn ich schon. Ist wirklich sehr beeindruckend. Hat mich auch ermutigt weiter zu machen.

Ich würde eine einfache Wölbung in Form eines Kreisausschnittes nehmen.

Warum? Das versteh ich nicht ganz. Wie könnte eine einfache Wölbung oder ein Saalflugpropeller (mit flachem Blattquerschnitt) mir einen besseren Wirkungsgrad bringen?

 

[SpeedFlap]

Das Hubschrauber Video macht ja vor, in welche Richtung es gehen muss.
Wie wär es mit einem Paar rechter Easystar oder gekürzter EasyGlider Tragflächen, evtl. Winglets abschneiden. Oder halt was besseres in der Bauform. Vielleicht 2 gleiche Holz Tragflächenhälften bauen oder Altmaterial umarbeiten, dann eine Nabe mit einstellbarem Anstellwinkel konstruieren. Kugelköpfe, Gewingestangen wie bei großen Ruderanlenkungen, fertig.