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Aerospace propeller useful for diesel engines with extreme excitation of vibrations

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Ein innovatives Propellerdesign ermöglicht Dieselmotoren für Flugzeuge

Für Kleinflugzeuge sind Kolbenmotoren die effizienteste Option. Dieselmotoren sind sogar noch besser, aber sie erfordern ein optimiertes Propellerdesign.

Verkehr und Mobilität

Die meisten Kleinflugzeuge verwenden üblicherweise Benzin- bzw. Kolbenmotoren, die Automotoren ähneln. Diese können jedoch für die Verwendung in der Luftfahrt suboptimal sein. Eine bessere Alternative wäre ein Design mit Kompressionszündung, das heißt ein Dieselmotor. Diese Motoren zünden, indem das Brennstoff-Luft-Gemisch verdichtet wird. Das höhere Verdichtungsverhältnis von Dieselmotoren ermöglicht eine effizientere Nutzung der im Brennstoff gespeicherten Energie, was zu einer besseren Verbrennungseffizienz und einem geringeren Brennstoffverbrauch führt. Die einfache Bauweise und der geringe Verbrauch von Kolbenmotoren äußern sich in einem geringeren Gewicht und einer besseren Effizienz für Flugzeuge. Das führt zu einer verbesserten Umweltverträglichkeit und geringeren Betriebskosten. Ein Dieselmotor für Flugzeuge verwendet Düsentreibstoff mit geringer Flüchtigkeit, was zur Betriebssicherheit beiträgt. Die Verwendung von Dieselmotoren in Flugzeugen wäre daher von großem Vorteil. Bevor dies jedoch möglich ist, müssen neue Propeller entwickelt werden, um die Probleme zu überwinden, die mit diesen Motoren einhergehen. Die Entwicklung eines geeigneten Propellers war die Aufgabe des EU-finanzierten Projekts ARGOS.

Gelöste Probleme

Das erste Problem mit Dieselmotoren für Düsentreibstoff ist ihr sehr ungleichmäßiger Betrieb im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen. Die unausgewogene Übertragung des Drehmoments führt zu Vibrationen, die letztendlich zu Verschleiß am Propeller führen. Dadurch sinkt dessen Lebensspanne und das Risiko von Ausfällen steigt. Das zweite Problem besteht darin, dass das Propellerdesign genau an die Motorart angepasst werden muss. Wenn man einen Propeller, der für einen Benzinmotor konzipiert ist, mit einem Dieselmotor betreibt, verstärkt sich das Problem des Verschleißes noch, ganz zu schweigen von der Ineffizienz. Das Projektteam experimentierte zunächst damit, die Vibrationen durch ein dämpfendes Gerät auszugleichen. In einem Auto erfüllt das Getriebegehäuse diese Aufgabe. Das Team wendete sich jedoch von dieser Lösung ab, zum Teil da der angestrebte Motor ein sogenanntes Direktantrieb-Design aufweist und daher kein Pendant des Getriebegehäuses vorhanden wäre. Es konzentrierte sich stattdessen auf die Umgestaltung des Propellers, da dies zu einer geringeren Masse und Komplexität des Antriebssystems führen würde. Die Forschungsgruppe testete viele verschiedene Kombinationen aus Propellerformen, Materialien und Motoren. „Das wichtigste Ergebnis des Projekts waren die Daten, die bei den Versuchen gesammelt wurden“, erklärt der Projektkoordinator Vilém Pompe. „Es ist leicht zu sagen, dass ein Dieselmotor ungleichmäßig läuft, aber die wichtigen Fragen sind: wie sehr und warum?“ Das Projekt ARGOS quantifizierte daher die Auswirkungen von sowohl Benzin- als auch Dieselmotoren auf den Propeller.

Ein neues Prototypdesign

Die Testergebnisse trugen zum Design eines völlig neuartigen Propellerprototyps bei, der auf Dieselmotoren zugeschnitten ist. „Unsere Lösung umfasste die Installation von Rückhaltelagern in den Propellerblättern, die Vibrationsenergie absorbieren. Wir konnten auch geeignete Materialien für die Propellerblätter und die Nabe finden, die weitere Energie absorbieren“, fügt Pompe hinzu. Der neue Propeller ist schwerer und robuster als Propeller, die für Benzinmotoren mit der gleichen Leistung gebaut wurden. Trotz des zusätzlichen Gewichts gibt es bei dem neuartigen Propeller nur minimale Kerben und Spannungskonzentrationen. Das resultierende Design ist einfacher als die für Benzinmotoren gedachten Alternativen, während die Produktionskosten vergleichbar sind. Nach erster Erprobung des Designs, gefolgt von der Herstellung und Validierung des Prototyps, wird die Erprobung auch nach Ende des Projekts fortgeführt. Das Team hat das Ziel, ein auf dem Prototyp basierendes Design vollständig zu zertifizieren und das Ergebnis auf den Markt zu bringen. Aufbauend auf den fortlaufenden Tests entwickelte das Forschungsteam einen leicht abgewandelten Prototyp, der sich nun in der Produktion befindet. Dieser wird für den Zertifizierungsprozess verwendet werden. Das Team plant, den Propeller bald einer Flugerprobung zu unterziehen. Der umgestaltete ARGOS-Propeller wird die Verwendung effizienter Dieselmotoren in der Luftfahrt ermöglichen. So können Kleinflugzeuge wirtschaftlicher und umweltfreundlicher werden.

Schlüsselbegriffe

ARGOS, Propeller, Design, Dieselmotor, Prototyp, Kleinflugzeug, Luftfahrt

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