Rechnerische Konstruktion, Bau (3-D-Druck) und Test von Bootspropellern

[RainerAmMain]

Moin Günther,
jetzt hast Du mich verunsichert....
Aber mein Gedächnis funktioniert scheinbar noch ganz gut .
Also zumindest nach Wikipedia ist es schon so wie ich es geschrieben habe
https://de.wikipedia.org/wiki/Kaplan-Turbine
( halte mich jetzt bitte nicht für einen Klugsch.... )

...aber zurück zum Thema.

Ich habe ja auch, auf der Suche einer einfachen herrangehensweisen,
das Netz durchforstet und bin auffallend häufig auf Strömungssimulationen
gestoßen. Daraus schließe ich das auch die großen Geister der Physik
den Stein der Weisen noch nicht gefunden haben.

Du hast also völlig recht - es bleibt genug Raum zum Experimentieren.
Das macht dann ja auch viel mehr Spaß

Bei meinen Streifzugen durchs Netz bin ich über zwei Softwarepakete gestoßen
die vielleicht auch für Dein Projekt nützlich sein könnten.
- https://openfoam.org/ (open source Strömungssimulation)
- https://www.caeses.com/products/caeses/ (kommerziell, trial und student versionen)

Bisher habe ich mit keinem der Pakete Erfahrungen, ich werde aber wohl nicht darum
herum kommen, mich zumindest oberflächlich damit zu beschäftigen.

Beste Grüße
Rainer

PS: Danke für das .pdf der ITTC - das wird mir sehr beim tieferen Verständniss der
Materie helfen.

[Heimfried]

Hinweis für Interessenten: das Propeller-Thema habe ich jetzt (ohne besondere Absicht) in meinem Bootsbauthread weitergeführt:
https://www.boote-forum.de/showthrea...3&#post4910093

[kreuzberger]

Ich hätte da noch eine glorreiche Idee ( geht auch mit Kanus ):
Ich ziehe einen Schleppgenerator hinter mir her.
Der erzeugt Spannung.
Ich benutze als Antrieb einen vorn befestigten Propeller, dessen Motor vom Schleppgenerator versorgt wird.
Jetzt behelligt mich bitte nicht mit Banalitäten wie Wirkungsgrad oder Verlusten: ich benutze dieses System bei -273 ° Celsius, damit gleitet das Boot verlustfrei.
An der Patentschrift arbeite ich noch...

[Mio69]

Zitat von kreuzberger

[...]
Jetzt behelligt mich bitte nicht mit Banalitäten wie Wirkungsgrad oder Verlusten: ich benutze dieses System bei -273 ° Celsius, damit gleitet das Boot verlustfrei.
An der Patentschrift arbeite ich noch...

Moin Günter,

und worin gleitet es dann

Lieben Gruß

vom sehr nachdenklichen Mio
(der weiterhin an den 2. und 3. Hauptsatz der Thermodynamik glaubt (und an das Gute im Menschen))

[kreuzberger]

Zitat von Mio69

Moin Günter,

und worin gleitet es dann

Lieben Gruß

vom sehr nachdenklichen Mio
(der weiterhin an den 2. und 3. Hauptsatz der Thermodynamik glaubt (und an das Gute im Menschen))

Bei -273° gefriert Wasser feinstkristallin. Ich kann dann aber vermutlich nicht mehr in Shorts und T-shirt paddeln.
Grüße vom stets innovativ denkenden, trotzdem kompromißbereiten Günter aus Berlin...

[Heimfried]

Zitat von René

3D-Drucker in der Größe hätte ich. Allerdings kann ich zum Thema Aufbau einer STL nichts sagen. Ich konstruiere meine Sachen meist mit Fusion360 (ist für Privatanwender derzeit kostenlos) und lade von dort die STL direkt in den Slicer (das Programm, das aus den Körpern die Schichten für den Drucker kreiert).

Das einzige Material mit dem ich Erfahrung habe ist PLA. Für Versuche dürfte das ausreichend sein. Selber benötige ich allerdings keinen Propeller. Das Kilo PLA in Roh als Filament kostet so um die 20,- Euro.

Gruß René

Hallo René,
es ist ja nun schon lange her, deshalb frage ich mal an: steht dein Angebot von damals noch?

[Toto44]

Kennst Du das hier?

https://www.wageningen-b-series-propeller.com/

https://www.wageningen-b-series-prop...webinterface/1

[Heimfried]

Ja, die Wageningen-Serien und auch die neueren Entwicklungen daraus kennt jeder, der sich mit Schiffs- oder Bootspropellern ernsthaft beschäftigt.
Man muss aber wissen, dass die gesamten Berechnungen und Tests (seit etwa 1940) für die Großschifffahrt bemessen waren. Die Software geht halt immer von einem Propeller vom Typ Wageningen-B aus und errechnet Variationen dazu.

Es ist z.B. ziemlich sicher, dass für Antriebe meiner Leistungsklasse ein Zwei-Blatt-Prop besser ist, der kann aber gar nicht eingegeben werden.

[Hesti]

Literatur zu dem Thema: Dave Gerr, Propeller Handbook. Spaßeshalber habe ich damit mal einen Prop für einen 6 PS Yamaha Aussenborder an einem kleinen Segelbot ausgelegt. Im Prinzip einen Schubpropeller, den es für den Motor so von Yamaha nicht gibt / gab.

Das Buch ist nicht hochtheoretisch, sondern ergebnisorientiert - man hat am Ende Abmessungen und Flügelzahl, ohne tief in die Strömungsmechanik einzusteigen (und ohne genau zu verstehen, warum die Abmessungen so sind, wie sie sind). Ganz viel geht über Diagramme und ein paar Frimelfaktoren gehen auch ein. Aber es kommt am Ende etwas heraus. Wobei das iterativ werden kann, also zwei oder drei Durchgänge gebraucht werden können (oder noch mehr).

Worauf Gerr nicht eingeht, ist die Blattdicke, die ja für die Festigkeit gebraucht wird. Da muss man selber bei.

Die Konstruktion in 3D war wegen der zur Wurzel hin zunehmenden Dicke "interessant". Um nicht zu sagen, ein ziemliches Gefummel, bis das passte. Die Oberseite ist - wenn man so will - einfach Fläche zwischen Schraubenlinien. Die Unterseite ist dazu gewölbt, weil man ja an den Kanten nur die minimale, beim Druck erforderliche Dicke haben will, in der Mitte aber für die Festigkeit aufdicken muss.

Beim Verrunden des Überganges vom Blatt zur Nabe war die damalige Programmversion dann überfordert.

Gedruckt worden ist der nie - ich hab mir mal ein Angebot eingeholt, das sollte (in Metall) mehr kosten, als der Motor ...

[Hesti]

Der Prop hat mehr Flügel als nach Gerr bekommen, sollte damit schön ruhig laufen.

Mit einer aktuellen Version der Software war das Verrunden der Übergänge gar kein Problem mehr, da hat sich was getan.

[Heimfried]

Gerrs Propeller Handbuch habe ich, auch gelesen, und zwar mehrfach, auch seine Rechnungen nachvollzogen. Aber auch Gerr hat nicht kleine schwache Boote im Blick. Wenn ich seine Bp-Delta-Diagramme auswerten will, lande ich bei einem Pitch-Faktor von 0,7 und einem Bp von 8 dort, wo das Erläuterungsfeld die Grafik verdeckt. Was aber nicht so wichtig ist, weil die Grafik in diesem Bereich so gut wie keine Aussagekraft mehr hat. Es ist ja auch kein Zufall, dass Gerr in seiner Beispielrechnung mit tausend Pferdestärken rechnet und 360 Umdrehungen pro Minute.

Generell ist das aber ein empfehlenswertes Buch für jemanden, der im Propellerbereich Übersicht sucht.

Was meinst du mit "das Programm" in Bezug auf deine 3-D-Konstruktion?

[Hesti]

Das 3D CAD, mit dem ich das Volumenmodell konstruiert habe, ist Rhino.

Für den Schubprop - besser als das, was es von Yamaha gibt, wäre der wohl allemal gewesen, perfekt vielleicht nicht. Schon alleine, weil ich 5 Blätter genommen habe, was in den ganzen Diagrammen nicht vorgesehen ist. Da hab ich dann halt extrapoliert.

Wie immer Du an das Thema herangehst, es bleiben wahrscheinlich Unsicherheiten, die dann halt durch Annahmen abgedeckt werden müssen.

[René]

Hallo Günter,

leider ist der 3D-Drucker mit meinem Bruder ausgezogen. Mein eigener ist immer noch ein Bauprojekt, dessen Fertigstellung in der Prio recht weit runter gerutscht ist. Bin gerade an der Kernsanierung eines Mietshauses dran und die nächsten 2 Jahre gut ausgelastet.

Gruß René

[simon-2]

Hehe, es ist wie so oft: wenn die Zeit reif ist und die Mittel verfügbar, haben viele auf einmal den selben Gedanken. Bei mir zieht es sich leider aus beruflichen Gründen noch etwas in die Länge, aber irgendwann dann ganz bestimmt





paar "Eckdaten":

die Blätter sind, genau wie von Dir geplant (/schon umgesetzt?) als (menschenlesbare) STL von einem kleinen selbstgeschriebenen Programm generiert; die Nabe (bzw die Verrundung zur Nabe hin) war aber noch sehr viel Handarbeit. Nicht zuletzt, weil es im CAD zwar einfach ist, STL zu exportieren, aber nicht mehr "sinnvoll" zu importieren...

Berechnet ist daran (außer halt der Geometrie) garnicht viel; da habe ich mich eher an fremden Erfahrungswerten und Vergleichsobjekten orientiert. Nur die Blattdicke ist etwas übertrieben (weil ich davon ausgehe, dass es sich dadurch einfacher gießen lässt).

Gedruckt aus PLA; hat auf den 210*210mm Druckbereich mit Achen und Krachen noch drauf gepasst (trotz 240mm Durchmesser); Stützmaterial war kaum nötig. Obwohl es bei einem Blatt hässliche Druckfehler gegeben hat (die Stellen, die mit Wachs verspachtelt sind); hier hätte etwas mehr Stützmaterial sicher nicht geschadet.
Das erste Modell hatte ich mehrteilig steckbar gemacht und die Blätter aufrecht stehend gedruckt; das ging völlig ohne Stützmaterial und praktisch fehlerfrei...

Einen Versuch aus Plastik kann mir bei der Prop-Kategorie wohl gleich sparen , daher soll er noch aus Alu abgegossen werden (aber das ist ein anderes Thema..)

Gruß, Simon

[simon-2]

Zitat von Hesti

Mit einer aktuellen Version der Software war das Verrunden der Übergänge gar kein Problem mehr, da hat sich was getan.

Danke, klingt gut. Das muss ich mir mal anschauen...

[Heimfried]

Zitat von simon-2

[...] die Blätter sind, genau wie von Dir geplant (/schon umgesetzt?) als (menschenlesbare) STL von einem kleinen selbstgeschriebenen Programm generiert; [...]

Umgesetzt? Jein, mein Softwaretool spuckt Dateien aus, die ich in einem anderen Programm ansehen kann und die aussehen wie Bootspropeller.
https://www.boote-forum.de/showthrea...5&#post4910535
Gedruckt ist davon noch keiner. Vor gut einem Jahr, als das Tool erstmals richtig funktionierte, habe ich die Arbeit daran (Wintersache) abgebrochen, weil die Bootbaustelle rief.

Da ich aber auch während der Bausaison Abends immer auch wieder die verschiedenen Nebenthemen bearbeite, habe ich jetzt wieder an der Software herumverbessert und dabei herausgefunden, dass es an der Zeit wäre, mal einen gedruckten Prop in Händen zu halten, generiert aus einer Datei, die ich errechnet habe.

Zur Zeit ist das aber nur wieder ein Nebengleis, weil ich versuchen will, mit meinem Boot noch in dieser Saison aufs Wasser zu kommen - nur testhalber mit einem unfertigen Boot und (falls es überhaupt klappt) wohl auch erst, wenn die Bootssaison fast zu Ende ist.

Meine Berechnungen sind auch reine Geometrie-Sachen, keine CFD oder derlei Dinge. Und für die "Erzeugung" der Fillets habe ich ebenfalls sehr viel Zeit investieren müssen. Außerdem war es für die Fillets (damals) nötig, von der konischen Nabe abzulassen und nur zylindrische Naben zu erlauben. Mit einem nicht vollständig befriedigendem Ergebnis.

Jetzt frage ich mal nach deiner Einschätzung: die Blattprofilschnitte sind auf Zylindermantelflächen (konzentrisch zur Propellerachse) angeordnet. In der Theorie laufen die gedachten Stromfäden jeweils entlang des Profils, das heißt, parallel zur Propellerachse. Eine konische Nabe bringt dagegen eine radiale Geschwindigkeitskomponente mit sich, das heißt, die Stromfäden müssen ein bisschen schräg über das Propellerblatt laufen. Hat das Praxisbelang?

[simon-2]

Zitat von Heimfried

Umgesetzt? Jein, mein Softwaretool spuckt Dateien aus, die ich in einem anderen Programm ansehen kann und die aussehen wie Bootspropeller.

das ist doch das wesentliche; mehr hab ich auch nicht (wenn du mit "Knöppen" sowas wie GUI meinst, wahrscheinlich weit weniger; bei mir sind die Einstellmöglichkeiten praktisch alle direkt im Quelltext untergebracht ). Eine richtige "Propeller-Suite" mit WYSIWYG wäre natürlich der Hammer, aber sowas macht man halt nicht mal eben als Einzeltäter, gerade wenn man noch andere Projekte am Laufen hat und nebenbei auch noch studiert oder Geld verdienen muss...
Bei mir liegt das ganze schon eine Weile zurück; ich hatte damals mit der Vortex Lattice Method experimentiert; auch dafür muss man erstmal ein Mesh generieren, sodass der Schritt zur STL nicht mehr weit war. (hier)

Zitat von Heimfried

Jetzt frage ich mal nach deiner Einschätzung: die Blattprofilschnitte sind auf Zylindermantelflächen (konzentrisch zur Propellerachse) angeordnet. In der Theorie laufen die gedachten Stromfäden jeweils entlang des Profils, das heißt, parallel zur Propellerachse. Eine konische Nabe bringt dagegen eine radiale Geschwindigkeitskomponente mit sich, das heißt, die Stromfäden müssen ein bisschen schräg über das Propellerblatt laufen. Hat das Praxisbelang?

meine persönliche Einschätzung: eher nein. Für die Berechnung jedenfalls nicht; zumindest habe ich noch nicht gesehen, dass jemand die Schnitte so anordnet.
Die Form der Nabe kann m.E. aber trotzdem Praxisbelang haben, und zwar für den Strömungswiderstand des gesamten "Torpedos". Da kommt es auf die Reynolds-Zahl an; je niedriger --> laminarer, desto wichtiger wäre es m.E., die Nabe hinten spitz/stromlinienförmig als Verlängerung des Getriebes auslaufen zu lassen, sodass die Rückseite nicht in der Druckbilanz "fehlt". Wenn es turbulenter wird und durch die Nähe zur Oberfläche noch Ventilationseffekte dazu kommen, würde ich eher davon ausgehen, dass die Nabe im "Windschatten" des Getriebes kaum benetzt ist und deshalb auch die Form eher nebensächlich...

[Heimfried]

Zitat von simon-2

[...] Für die Berechnung jedenfalls nicht; zumindest habe ich noch nicht gesehen, dass jemand die Schnitte so anordnet. [...]

Vermutlich kennst du die ITTC (International Towing Tank Conference), falls nicht: ein Zusammenschluss der Organisationen, die Schlepptanks betreiben, Universitäten und ähnliche Forschungsstätten (soweit ich das weiß, die in diesem Bereich international tonangebende Institution).

In deren Dictionary, das quasi die Begriffsnormen enthält, ist das nach meiner Meinung klar definiert, auch wenn sie nur schreiben, dass das die meistverbreitete Lesart ist (most commonly taken). Stichwort "Blade section" im unten beigefügten Bild. (Es wurde übrigens fehlerhaft editiert. Durch das ganze Propeller-Kapitel sind die Bildnummern falsch gezählt, die Verweise im Stichwort sind für die direkt dort stehenden Bilder 4-10 und 4-11.)

Dass sich das bei "nicht wissenschaftlich arbeitenden" Propellerdesignern keiner Beleibtheit erfreut, habe ich nach und nach mitbekommen. Auch das "Parametrisieren" dabei wird, so wie es den Anschein hat, lieber nach privaten Vorlieben gestaltet. Klar ist das in Ordnung, ich suche mir, je nachdem, worum es geht, auch die Parameter aus, die ich für richtig halte. Aber die wissenschaftliche Methode verlangt Austausch und Überprüfbarkeit.

Ich möchte aber nicht missverstanden werden: natürlich ist es möglich, mit völlig anderen Ansätzen gute Propeller zu generieren, vielleicht sogar bessere.

[Heimfried]

Nee, ein GUI habe ich nicht, das strebe ich auch nicht an. Wie du schon sagst, steht der Aufwand absolut dagegen. Allerdings muss ich auch nicht mehr in den Quellcode. Das Tool ist eine VBA-Excel-Mappe und ich habe ein Worksheet zur Parametereingabe bestimmt, die diversen Routinen/Module lesen dort die Werte aus. Ergänzend habe ich ein paar Worksheets, auf denen ich Funktionen numerisch darbiete, wie den Verlauf der Chordlänge über den Radius, die ebenfalls dort ausgelesen werden.

[simon-2]

Zitat von Heimfried

Vermutlich kennst du die ITTC [...]
In deren Dictionary, das quasi die Begriffsnormen enthält, ist das nach meiner Meinung klar definiert, auch wenn sie nur schreiben, dass das die meistverbreitete Lesart ist (most commonly taken).

huch, da hatte ich mich wohl missverständlich ausgedrückt ?

ich meinte, ich habe noch nie gesehen, dass jemand die Schnitte anders als auf Zylindermantelflächen anordnet; bezugnehmend auf dein Stichwort "schräg", was ja dann Konusoberflächen oder etwas noch schlimmeres wäre. Selbstverständlich ist das bei mir auch zylindrisch.

und Excel ist doch für Ingenieure fast wie eine GUI auf jeden Fall komfortabler als meins.

Gruß

[Heimfried]

Sorry, dann hatte ich dich komplett missverstanden.

Danke für die Klärung.