Schwingende PropellerFoto: Thorsten Baering

TechnikSchwingende Propeller

 

13.2.2014, Lesezeit: 5 Minuten

Warum „singen“ Propeller – und was kann man dagegen tun? Wir verraten Ursachen und Abhilfen, wenn der Antrieb dieses „unerwünschte Lied“ anstimmt.

  Im Testtank kann man Kavitation deutlich sichtbar machen.Foto: Thorsten Baering
Im Testtank kann man Kavitation deutlich sichtbar machen.
  Im Testtank kann man Kavitation deutlich sichtbar machen.Foto: Thorsten Baering
Im Testtank kann man Kavitation deutlich sichtbar machen.

Es gibt wohl kaum ein Thema, das aufwendiger und schwieriger lösbar ist als Schwingungsanalysen für Boote und Yachten. Häufig sind Eigenschwingungen ganzer Bootsbereiche beteiligt, deren Entkopplung kaum möglich ist. Selbst hochwertige Motoryachten werden von Schwingungen nicht verschont. Das gilt zumindest für bestimmte Drehzahlen von Motor und Propeller. Die Frequenzen können auf den Bootskörper übertragen werden und sind nicht nur eine störende Geräuschquelle, sondern auf Dauer auch für Schäden verantwortlich.

Verursacher ist in den meisten Fällen das Gesamtsystem des Bootsantriebs. Doch beschränken wir uns hier nur auf die Hauptursache: den Propeller. Nach einem kurzen Überblick über die von ihm erregten Schwingungen sollen vor allem Ursachen und Beseitigung seiner Eigenschwingungen – das sogenannte "Singen" – erörtert werden.

Auf Ursachenforschung

Ausgelöst werden die Schwingungen vor allem durch ungleichförmige Strömungsfelder im Nachstrom des Bootes, wozu auch geneigte Wellen und Wellenböcke oder Z-Antriebe gehören. Die dadurch erregten Dreh- und Torsionsschwingungen am Propeller sind ein in Fachkreisen viel diskutiertes Thema. Andere häufige Verursacher sind Druckschwankungen, die durch kurzzeitig ausgebildete Kavitation auf dem Flügelblatt ausgelöst werden.

Schließlich sollte noch das äußerst störende "Singen" des Propellers erwähnt werden. Es handelt sich hierbei um Eigenschwingungen seiner Flügel. Vor allem bei höherer Belastung sind Druckschwankungen am Propellerflügel über den Drehkreis von 360° kaum zu verhindern – unabhängig davon, ob es sich um einen Antrieb mit einer geneigten Welle oder ein Z-Getriebe handelt. Im ungünstigsten Fall übertragen sich die drehzahlabhängigen Schwingungen auf Antrieb und Bootskörper.

Propeller mit vielen Flügeln ungerader Anzahl und mit stark gesichelten Flügelkonturen mindern das Gefahrenpotenzial. Obwohl deren Propellerwirkungsgrade etwas schlechter ausfallen, können Propeller mit fünf oder sogar sieben Flügeln für kleine und große Motoryachten die Gefahr der Druckschwankungen mindern. In der Großschifffahrt werden zur Einschränkung von Schwingungen Propeller mit einer weit höheren Anzahl Flügel eingesetzt.

  Abb. 1: Blasenkavitation und ihre EntstehungFoto: Marc André Bergmann
Abb. 1: Blasenkavitation und ihre Entstehung
  Abb. 1: Blasenkavitation und ihre EntstehungFoto: Marc André Bergmann
Abb. 1: Blasenkavitation und ihre Entstehung

Blasenkavitation am Propellerflügel

Eine weitere Ursache für Propellerschwingungen sind spezielle Kavitationseigenschaften – und hier insbesondere die sogenannte "Blasenkavitation" –, die auf dem Flügel periodisch in Abhängigkeit des Druckverlaufs auftreten kann. Die kurzzeitig ausgebildete Dampfblase bricht bei abnehmendem Unterdruck mit großer Kraft wieder auf dem Flügel zusammen.

Blasenkavitation erzeugt scharfe Schläge. Die Geräusche sind aggressiv, sodass bei längerer Belastung Schäden am Propeller – und unter Umständen auch am anschließenden Getriebe – nicht ausgeschlossen sind. Abhilfe schaffen in den meisten Fällen Propeller mit einem größeren Flächenverhältnis. Dass sich auch in diesem Fall die Propellerwirkungsgrade etwas verschlechtern, ist leider nicht zu vermeiden.

Eigenschwingungen des Propellers

Doch wenden wir uns dem besonderen Thema dieses Beitrags zu: den Propellereigenschwingungen. Zu diesem Problembereich gehört unter anderem das charakteristische "Singen" des Propellers. Auch wenn das Phänomen heute nur relativ selten auftritt und an Propeller und Antrieb kaum Schäden verursachen wird, sind die erheblichen lautstarken Frequenzen für die Mannschaft an Bord äußerst unangenehm und sollten unbedingt be-seitigt werden.

Das Singen hängt von der Drehzahl ab: Je größer die Propellerdrehzahlen sind, desto höher sind
auch die Frequenzen des "Gesangs". Er erreicht einen Geräuschpegel, der etwa in einem Frequenzbereich zwischen 400 und 1500 Hz liegt. Ausgerechnet hochwertige Propeller aus Bronze oder Edelstahl mit dünnen Flügelprofilen an den Flügelspitzen können davon betroffen sein. Die Ursachen für die Eigenschwingungen sind nur schwer zu ermitteln. Baugleiche Propeller an verschiedenen Booten können völlig unterschiedliche Reaktionen zeigen.

Wodurch "singen" die Flügel?

Das Phänomen des "Singens" ist schon seit vielen Jahren bekannt und vielfach untersucht worden. So wurden bereits in den Fünfzigerjahren in Wageningen (Niederlande) Testreihen mit singenden Propellern durchgeführt. Die Erregerimpulse werden zumeist durch das Nachstromfeld des Bootes ausgelöst.

Man geht davon aus, dass die Ablösung der Strömung an den Flügelaustrittskanten periodisch von der Druck- und der Saugseite erfolgt. Die dabei erregten Wechselkräfte am Flügel verursachen Schwingungen und sind verantwortlich für das unangenehme "Singen" des Propellers. Es ist ein ähnlicher Effekt, der unsere Flagge nicht gerade in Windrichtung stellt, sondern flattern lässt.

Obwohl der Zusammenhang bisher nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, ist außerdem nicht auszuschließen, dass das Propellersingen auch durch instationäre Kavitation ausgelöst werden kann. Das gilt insbesondere für Propeller mit völligen Flügelprofilen und kleinem Flächenverhältnis.

  Abb. 2: Bearbeitung des Propellers gegen das Singen.Foto: Marc André Bergmann
Abb. 2: Bearbeitung des Propellers gegen das Singen.
  Abb. 2: Bearbeitung des Propellers gegen das Singen.Foto: Marc André Bergmann
Abb. 2: Bearbeitung des Propellers gegen das Singen.

Wie kann das "Singen" beseitigt werden?

Eine einfache Maßnahme, die jedoch an einem vorhandenen Boot nur schwer umgesetzt werden kann, ist eine etwas veränderte Anordnung des Propellers im Abstrom des Bootes, der Wellen, Wellenböcke, des Ruders oder Z-Getriebes. Oft reicht eine geringe Erweiterung des Abstandes aus, um die Erregerimpulse zu beseitigen.

Wenn dies nicht möglich ist, werfen Sie den vorhandenen Propeller nicht gleich weg, denn bereits eine geringe Überarbeitung der Propellerflügel kann Abhilfe schaffen. – Allerdings sollte dies fachgerecht ausgeführt werden. Empfohlen wird, einen schmalen Streifen auf der Druckseite im Bereich der Profilaustrittskante anzuschleifen.

Die Breite des nur wenig zu verjüngenden Streifens sollte höchstens 10 mm betragen und sich vom halben Flügelradius bis zur Flügelspitze erstrecken. Dies gilt für einen Propellerdurchmesser von etwa 0,40 m und für ein mittleres Flächenverhältnis. Mit zunehmender Propellgröße darf der zu bearbeitende Streifen etwas breiter werden. Zum Schluss wird die Austrittskante wieder leicht verrundet und die Flügeloberfläche poliert.

Nochmal zusammengefasst

Obwohl der Propeller zumindest bis etwa 40 kn der ideale Schuberzeuger ist, sind Schwingungen auch heute noch ein viel diskutiertes Thema. Und dies trotz der jahrzehntelangen Weiterentwicklung von speziellen Propellertypen für unterschied-liche Anforderungen und Geschwindigkeitsbereiche. Allein die Auswahl optimaler Propellerdaten für ein bestimmtes Boot erfordert umfangreiche Erfahrungen in Theorie und Praxis.

Ungleichförmige Nachstromfelder sind immer wieder Veranlassung für neue Schiffskonstruktionen. So werden gegenwärtig sogar Achterschiffe und Ruder asymmetrisch ausgebildet, um ein gleichförmiges Nachstromfeld im Zustrom des Propellers zu gewährleisten.

Um Schwingungen einzudämmen, haben sich außerdem in den letzten Jahren Propeller mit einer großen Anzahl stark gesichelter Flügel durchgesetzt. Dennoch: Wer hat es noch nicht erlebt, dass (nicht nur beim Stoppmanöver) die Teller auf dem Tisch tanzen ...?

Das "Singen" des Propellers, verursacht durch Eigenschwingungen der Flügel, kann heute fast immer durch entsprechende Maßnahmen beseitigt werden. Da die unangenehmen Frequenzen dieser "Musik" für die Crew an Bord kaum zumutbar sind, sollten Bootseigner im gegebenen Fall nicht zögern, Fachfirmen mit deren Beseitigung zu beauftragen.