How to avoid cavitation for model boat propellers

How to avoid cavitation for model boat propellers.

(Another excellent article from Hein in Germany. Ever wonder why your new brushless setup doesn't perform as expected? Maybe this article has the answer. David)



This excellent diagram was posted on the Schiffsmodell forum in June 2009.

Unfortunately, this highly informative site started like a flash in the pan in June 2009 and ended after 12 days - as quickly as it started! The link given above no longer works.

It is very useful and simple to interpret. It shows the maximum revs per minute to avoid cavitation for any given prop diameter and water temperature. Cavitation can reduce efficiency and even create damage. It is particularly important design information with the growing use of brushless motors which can give high rotational speed.

The only new thing here seems to be the color chosen, because to my taste it is the table by Th. Viehweg, (From "Schiffsmodellbau in Theorie und Praxis", 1973. Which I have a copy of.)  Which as it actually turned out later, is even older and was apparently only "borrowed".
And in fact, a work by Mr. H. J. Lehne from 1966 from the former GDR was found in the original, which deals exclusively with model propellers. Apparently, this was the original source, with the title: “Screw, Motor, Model Speed” released, which I also have copies of.
Mr. Lehne's contribution from 1966 is very extensive and detailed. It seems like a scientific paper to me.
I am pleased to say that the diagram generally agrees with my own measurements. These include my two 6 blade 36 mm diameter K 3 propeller and the trials I describe in this article.

Well, I digress rather! But it seemed to me that this cavitation diagram was very important to our hobby and so I set out to do some practical tests to confirm its suitability.

But first, I had better say why cavitation is a problem. Well, it isn't just a propeller sucking air in as many modelers think. It is a much more fundamental problem in physics which can lead to loss of efficiency and even damage to propellors and pipework systems.

It is caused when the static pressure in the water drops below the vapor pressure of water causing tiny bubbles. These usually form at the trailing edges of propeller blades and when they are swept into an area of normal pressure, they collapse very rapidly causing distinctive “crackling” noises and damage to (even metal!) surfaces by erosion.

The vapor pressure of a liquid increases rapidly with temperature and this explains why the red and blue lines are so far apart in the diagram.

This following video on cavitation here that answers some of your questions much more precisely than I ever could.
https://www.youtube.com/watch?v=U-uUYCFDTrc

I will now go on to describe my experimental methods.

Sunday, April 24th, 2016
As of today, I have a cavitation test stand in which the port propeller of the K 3 was tested first.
The way I see it, it is probably the only device of this type that is used exclusively for private purposes in the Cologne district. Smile!
But first I want to briefly explain why such a device was built in the first place.
At first, I didn't trust the tables and sources on the previous pages. (Mr. Lehne may forgive me!) In the past I have experienced a number of times that tables are not necessarily to be trusted. Especially not when they have been copied several times, even for a layman like me.
It's better to clarify things for yourself.




The structure of my system is similar to the pictures that can be found on the Internet under the keyword "flow channel". As it turned out much later, my toy comes very close to the lay-out of the channel of the University of Göttingen.
My system was, of course, considerably smaller and manufactured using commercially
available means: 2 short pipes, 1 cleaning pipe, 3 bends of the dimension DN 75 from the HT series from the hardware store were connected to form a square, whereby the missing fourth bend on the lower left side was replaced by a hollow cube made of transparent Plexiglass. There are 3 holes in this cube, the left one holds the motor flange, the opposite hole takes the stern tube with the test piece, which allows a view into a plexiglass tube. The water inlet ends at the top left of the head. The cube has a removable lid at the top, which is provided with a circumferential seal. There is a cleaning cover in the pipe section opposite the plexiglass pipe, because the water has to be filled in somewhere.

I didn't know at first that the "big boys" used something like a rectifier for the flowing water, but I could imagine it very well. In any case, such a rectifier is installed here. Imagine it as a lot of plastic drinking straws bundled together in such a way that they fill the space between the stern tube and the plexiglass tube. Here I had it good, because such a thing fell into my hands (in fundus) as a finished thing. I "only" needed to bring a roughly fitting part of this into its final form. "Only" is good, it took - as usual – hours!
After today's (first) check of the propeller, it turned out that the tables I had were correct. At a water temperature of around 10° C, cavitation was clearly evident at a speed of 3,500 rpm. With the 42-volt motor (Maxon RE 35) available here, 22.4 volts already brought the limit speed.
A single blade of the propeller was marked with a white dot for testing.  
Now comes the most important device, namely a stroboscope, the flashing frequency of which must be adapted to the expected speed. It took some effort to find an inexpensive device. The relevant dealers have wonderful devices with many fine special functions, all of which only have the one disadvantage that they are far too expensive.




A device from 1957 was found on eBay and purchased for 25 + 7 Euros.
The device works with a huge neon lamp (FERRANTI NSPI), which is controlled via a "Siemens UCC 85" tube. Inside the device there are 6 potentiometers that can be used to calibrate the device. But that will not happen because there are other ways to determine the cur-rent speed of the propeller. It's just a matter of matching the speed of the propeller and the flashing speed of the strobe in such a way that the result is that the propeller appears to stand still. Once this has happened, both the speed and the flash frequency are slowly increased. When the limit speed is reached, fine bubbles appear on the edges of the propeller blades. If the speed is increased even slightly, the bubble-forming area increases rapidly. It looks like the water is boiling on the suction side of the leaf edges.
This effect occurs with the propeller to be tested at 3,500 rpm.


The layouts of the "big boys" are mostly upright, e. g. B. the huge pink (now renovated again) plant in Berlin.
In all systems, a certain diving depth can be set by changing the pressure in the system. It has proved convenient to set up my own layout at an angle of 45°, so that the cleaning cover is as high as possible. This corresponds to a water depth of 15 to 20 cm. Otherwise vagrant air bubbles disturb the observation of the processes considerably.
But as it is, they mostly catch themselves at the highest point and collect under the screw cap.
At the beginning of May, a rotating disc was mounted on the free motor shaft, which was provided with a reflective mark. It was planned to read the speed directly with a modern    instrument. Unfortunately, this instrument, which had been purchased a few years ago but had never been used before, was already defective.
Now the old Graupner multimeter was brought out of the fundus and because it is calibrated on 2 blade propellers, two elongated holes were made in the existing disk. A tiny circuit board with an LED was attached to the end shield of the motor. The perforated disc thus covers the light source twice with each rotation. (Just like an air screw.) The device itself is extremely easy to calibrate; the light-sensitive sensor is held against a light source fed from the mains (50 Hertz). If the selector switch is set to 6,000 rpm, the pointer should be in the middle of the scale at 3,000. If it doesn't, then with the device open, a small potentiometer is turned just far enough for the result to be again correct. The other two measuring ranges (12,000 and 24,000 rpm) can also be calibrated in the same way. Since the electricity suppliers are trying to comply with the 50 Hz for good reason, you can place a certain amount of trust in this old Graupner device.
The motor was brought up to 3,500 rpm in the test stand with the power supply unit in order to test the old DEUMO device (a mechanical instrument) at this speed. Result: At this speed, there was only a negligibly small deviation in the result. What more could you want from very old mechanical instrument!
In the meantime, a digital tachometer (DDM) was purchased from Pollin, the measuring beam of which returns to the device from a reflective foil on the test item. There, an LCD display shows the measured value between 2.5 and 99,000 rpm. Price: round about €20. For the nostalgic in me there is the analogue device from Graupner, for precision there is the new. Since both devices show hardly any deviations in the result, there is no need for another device.

If one of the two lines seems to stand still, the stroboscope is set correctly.
A little later the propeller hub was given a horizontal line on one side and a vertical line on the opposite side. If the speed of the propeller is now doubled, the eye sees the sum of the horizontal and vertical lines, i.e., a cross. If the speed is further increased, a dash appears again. In this way, the correct setting of the stroboscope can be recognized.
For this purpose, modern devices, e.g., those with an LED flash, have the option of doubling or halving the flash rate. Other devices automatically follow the changing angle of rotation. They are real magic boxes. The only downside is its insanely high price.

Subsequent research revealed that the large systems (such as the one in Göttingen) not only have a rectifier directly in front of the test object, they also have a diffuser directly behind it.
What the heck is a diffuser? Answer: an enlargement of the cross-section so that the water accelerated by the test specimen reduces its flow velocity in the enlarged cross-section and, any gas bubbles (caused by cavitation?) have time to collapse before they reach the test specimen again via the rectifier. These large systems multiply the pipe cross-sections via the diffuser, with my system this is just about satisfactory in its current state.
A real improvement would require an almost completely new plant.

Another plexiglass tube was procured, which is pushed into the previous transparent tube. Conical surfaces are attached to the entry and exit edges. Now the flow speed increases in this constriction and the water calms down in all other pipes. That's certainly not the last word, but I hope it's a step in the right direction.

Cavitation can be clearly seen with the naked eye if the synchronization of the propeller and stroboscope is correct. But sadly, my camera is not suitable for it.


My colleague Rudolf († 2019) has found a photo on the internet that raises a few questions.




When the inventors put an obviously new propeller and hub on a pedestal like a monument, a “Stupid Central European” asks himself the following questions: Is this unit (propeller and hub) intended to confuse the viewer, or has this combination not proven itself?
Normally, new developments are kept from the viewer by covers and all kinds of disguise. To compare the two types, two identical hubs were immediately built; one with wings and the other without.
The main purpose of the Trial, detailed on the next page, is to unravel the mysteries of this strange winged hub.
The result can be found in the following table.



Cavitation and current measurement on the propeller of the AKULA model
by Rudolf G.
Date: 12.01.2017, time 14:00 to 16:30 pm
Equipment: Cavitation channel with attached Maxon RE 35
Strobe (old) with glow tube (“Mayer” Gerät)
Laboratory power supply
Digital tachometer

Water temperature: can only be estimated, it may have been 12 - 15° C.

Test items: Rabösch 7 sheets type B, Ø 45 mm with two different hubs
Hub 1: shape: paraboloid, diameter like propeller, smooth
Hub 2: shape like hub 1, but from the end 4 tiny wings crossed over more than half of the hub to the front.
According to the cavitation limit diagram available here, cavitation begins at around 12° C (between the two lines) and Ø 45 mm at 3,400 rpm.
The current consumption was measured in 1.2-volt steps = NiMH cells


End of exam AKULA: 16:30 pm

At the highest measured voltage of 36 vol, the current even increases by 13% while the speed is reduced at the same time.

Conclusion: Above a speed of 2,100 rpm, the power requirement with the wing hub decreases slightly compared to the smooth hub, only to go back to the same level of the smooth hub at around 3,450 rpm (in the limit area).
From 3,900 rpm, however, the current at the wing hub increases rapidly.
The appendix shows me the correctness of Mr. Lehne's table. But it was fun too. More is not possible!


May 2018
Another, much smaller device with a flash tube was procured on eBay. Price: €46 + advance booking. The manufacturer BBE was contacted and they sent me a replacement tube. It was interesting that my first point of contact there was one of the two managers. He was the only one on this bridging day (Friday after Ascension Day) in operation. We talked for a long time and he agreed to leave a note for his colleague for Monday. In the further conversation it turned out that my old tube device also came from this company, but unfortunately, they no longer had any spare parts for it.
In fact, an employee called me early Monday morning and before confirming my order, he asked for the serial number of my unit so he could choose the tube with the matching "pinnekes" (dialect for: little pins). After the bill was paid in advance, the new tube came promptly. Now even observation in daylight will be possible.


January 2019
Written from memory on April 5th, 2021. Therefore, not all numbers are present. Before things get serious with K3, one more test should be done. (Included in the specification sheet.)

With the help of this new measuring device (DDM), the two propellers of the K 3 were subjected to another test in the water channel. As soon became apparent with the help of the laboratory power supply, the adjustment of the individual propeller blades was far too strong. Specialists in propeller construction in Wageningen (NL) or in Rostock (former GDR) can calculate gradients, but as a layman I can only experiment.
Therefore, after some deliberation, a so-called propeller straightening device was created without further ado.

See my previous article: Propeller straightening device.
How it works: Between two stable aluminum blocks, both propellers are simultaneously placed next to each other on 4 mm axles. Spacers on the right and left ensure an evenly spaced gap. One-third of a blade protrudes from each propeller on one side. Exactly there, the respective propeller blade can be carefully bent with flat-nosed pliers whose jaws are covered with Pertinax. A feeler gauge is used to get the distances between the blades and the device uniform. The straightening does not succeed at the first attempt, because the result can only be seen in the water channel. It is possible that this procedure has to be repeated several times, but then you will definitely have both propellers, which - although one runs to the right and the other to the left - do not differ in their power requirements. And that's not bad either.
Pictures 1 to 3, taken on January 18th, 2019, serve for a better understanding.

The fact is that with the help of this device, the pitch of the blades could be reduced to such an extent that the planned on-board voltage (14.4 V) and the maximum continuous current consumption of the motors are adjusted to the cavitation limit area via the blade pitch could, that until cavitation sets in, only the max. tolerable current is consumed by the motors.
However, if the speed increases during the journey, the power consumption naturally increases and cavitation sets in. But in practice it is not usual to drive at full power all the time.
It remains to be seen where the boundary between economical driving and cavitation will be at K 3.
In any case, with these tools, the basis was created to close both propellers make sure that their power requirements are the same.

The measurement results of the K 3 propeller deviate somewhat from theory; i.e., the cavitation occurs a little earlier than it should according to the table. This could be because my channel lacks a second drive for the flow of water in the canal. On the Internet and in the literature, I found sketches of large systems, where in addition to a 100-kw machine for the propeller, an additional 300-kw! strong motor for the circulation of the water. Apparently, the lack of this additional drive in my small system leads to the earlier onset of cavitation formation.

Whether and in what form I will retrofit my device is uncertain.
That's where the Rhinelander in me comes through: the idea is important; the execution is often just a minor matter!


08.2021
Construction of a balancing device for the propeller of the SUSHI, which unexpectedly came back into our possession after 21 years. The two props of the K 3 can also be balanced with it.

A "normal" plastic propeller does not require balancing.
Purchased metal propellers may be balanced.
Homemade metal propellers should be balanced.


All the things described here like energy storage, motor, speed and propeller are related. Each part has its own special properties. In order to find a good compromise, a lot has to be done.

05. May 2022

HeinK



Und nun in Deutsch

Vermeidung von Kavitation bei Propellern für Modellboote
Dieses hervorragende Diagramm wurde im Juni 2009 im Schiffsmodell-Forum veröffentlicht. Leider begann diese hochinformative Seite im Juni 2009 wie ein Strohfeuer und endete nach 12 Tagen - so schnell wie sie begonnen hat! Der Link funktioniert nicht mehr. Das Diagramm ist sehr nützlich und einfach zu interpretieren. Es zeigt die maximale Drehzahl pro Minute zur Vermeidung von Kavitation für einen bestimmten Propellerdurchmesser bei unterschiedlicher Wassertemperatur.
Kavitation kann die Effizienz verringern und sogar Schäden verursachen. Dies ist eine besonders wichtige Konstruktionsinformation bei der zunehmenden Verwendung von bürstenlosen Motoren, die eine hohe Drehzahl liefern können.
Neu scheint hier nur die gewählte Farbe zu sein, denn nach meinem Geschmack ist es die Tabelle von Th. Viehweg, (Aus „Schiffsmodellbau in Theorie und Praxis“, 1973. Von dem ich eine Kopie besitze.), die, wie sich später tatsächlich herausstellte, noch älter ist und offenbar nur „geliehen“ war. Und tatsächlich wurde im Original eine Arbeit von Herrn H. J. Lehne aus dem Jahr 1966 aus der ehemaligen DDR gefunden, das sich ausschließlich mit Modellpropellern beschäftigt. Anscheinend wurde hier die Originalquelle mit dem Titel: „Schraube, Motor, Modell Speed“ veröffentlicht, von der ich auch Kopien habe.

Der Beitrag von Herrn Lehne aus dem Jahr 1966 ist sehr umfangreich und detailliert. Er kommt mir wie eine wissenschaftliche Abhandlung vor.
Ich freue mich sagen zu können, dass das Diagramm im Allgemeinen mit meinen eigenen Messungen übereinstimmt. Dazu gehören meine zwei 6-Blatt-K 3-Propeller mit 36 ​​mm Durchmesser und die Versuche, die ich in diesem Artikel beschreibe. Naja, ich schweife wieder ab!

Aber dieses Kavitationsdiagramm schien mir für unser Hobby sehr wichtig zu sein und so machte ich mich auf den Weg, einige praktische Tests durch-zuführen, um seine Tauglichkeit zu bestätigen. Aber zuerst sollte ich besser sagen, warum Kavitation ein Problem ist. Nun, es ist hier nicht der Propeller, der Luft ansaugt, wie viele Modellbauer denken. Es ist ein viel grundlegenderes Problem in der Physik, das zu Effizienz-verlusten und sogar zu Schäden an Propellern und Rohrleitungssystemen führen kann. Es entsteht, wenn der statische Druck im Wasser unter den Dampfdruck des Wassers fällt und winzige Bläschen entstehen. Diese bilden sich normalerweise an den Außenkanten von Propellerblättern und wenn sie in einen Bereich mit normalem Druck gelangen, kollabieren sie sehr schnell, was charakteristische „Knister“-Geräusche und Schäden an (sogar Metall!) Oberflächen durch Erosion verursacht. Der Dampfdruck einer Flüssigkeit steigt mit der Temperatur schnell an und das erklärt, warum die roten und blauen Linien im Diagramm so weit voneinander entfernt sind.
Dieses folgende Video über Kavitation hier, dass einige Ihrer Fragen viel genauer beantwortet, als ich es jemals könnte: https://www.youtube.com/watch?v=U-uUYCFDTrc

Ich werde nun fortfahren, meine experimentellen Methoden zu beschreiben.

Sonntag, 24.04.2016
Seit heute habe ich einen Kavitationsprüfstand, in dem zuerst der Backbordpropeller des K 3 getestet wurde. Aus meiner Sicht ist es wohl das einzige Gerät dieser Art, das im Kölner Gebiet ausschließlich privat genutzt wird. Lächeln!
Aber zuerst möchte ich kurz erklären, warum ein solches Gerät überhaupt gebaut wurde. Anfangs habe ich den Tabellen und Quellen auf den vorherigen Seiten nicht getraut. (Herr Lehne möge mir verzeihen!) Ich habe in der Vergangenheit schon mehrfach erlebt, dass man Tabellen nicht unbedingt trauen kann. Schon gar nicht, wenn sie mehrfach kopiert wurden. Das ist selbst für einen Laien wie mich zu erkennen.
Es ist besser, die Dinge für sich selbst zu klären.

(Foto des Kanals)

Der Aufbau meines Systems ähnelt den Bildern, die im Internet unter dem Stichwort „Strömungskanal“ zu finden sind. Wie sich erst viel später herausstellte, kommt mein Spielzeug dem Layout des Kanals der Universität Göttingen sehr nahe.
Mein System ist natürlich deutlich kleiner und wurde mit bescheidenen Mitteln hergestellt.
Verwendete Mittel:
2 kurze Rohre, 1 Reinigungsrohr, 3 Bögen der Dimension DN 75 aus der HT-Serie aus dem Baumarkt wurden zu einem Quadrat verbunden, wobei der fehlende vierte Bogen links unten durch einen Hohlwürfel ersetzt wurde aus transparentem Plexiglas. In diesem Würfel befinden sich 3 Löcher, das linke hält den Motorflansch, das gegenüberliegende Loch nimmt das Stevenrohr mit dem Prüfstück auf, das den Blick in ein Plexiglasrohr freigibt. Der Wassereinlass endet oben links am Kopf. Der Würfel hat oben einen abnehmbaren Deckel, der mit einer umlaufenden Dichtung versehen ist.
Im Rohrstück gegenüber dem Plexiglasrohr befindet sich ein Reinigungsdeckel, da das Wasser irgendwo eingefüllt werden muss. Ich wusste zunächst nicht, dass die „Großen“ so etwas wie einen Gleichrichter für das fließende Wasser verwenden, konnte es mir aber sehr gut vorstellen.
In meinem Gerät ist auch ein Gleichrichter eingebaut. Stellen Sie es sich wie viele Plastiktrinkhalme vor, die so zusammengebündelt sind, dass sie den Raum zwischen dem Stevenrohr und dem Plexiglasrohr ausfüllen. Hier hatte ich es gut, denn so etwas fiel mir als fertiges Ding in die Hände (Fundus!). Hiervon musste ich „nur“ einen grob passenden Teil in seine endgültige Form bringen.
„Nur“ ist gut, es hat – wie immer – Stunden gedauert!
Nach der heutigen (ersten) Überprüfung des Propellers stellte sich heraus, dass die Tabellen, die ich hatte, korrekt waren. Bei einer Wassertemperatur von etwa 10° C war die Kavitation bei einer Drehzahl von 3.500 U/min deutlich zu erkennen. Bei dem hier vorhandenen 42-Volt-Motor (Maxon RE 35) brachten bereits 22,4 Volt die Grenzgeschwindigkeit.
Ein einzelnes Blatt des Propellers wurde zum Testen mit einem weißen Punkt markiert.

Foto der Messgeräte

Jetzt kommt das wichtigste Gerät, nämlich ein Stroboskop, dessen Blitzfrequenz an die zu erwartende Geschwindigkeit angepasst werden muss.
Es hat einige Mühe gekostet, ein günstiges Gerät zu finden. Die einschlägigen Händler haben wunderbare Geräte mit vielen feinen Sonderfunktionen, die alle nur den einen Nachteil haben, dass sie viel zu teuer sind. Bei eBay wurde ein Gerät aus dem Jahr 1957 gefunden und für 25 + 7 Euro ersteigert.
Das Gerät arbeitet mit einer riesigen Neonlampe (FERRANTI NSPI), die über eine „Siemens UCC 85“ Röhre angesteuert wird. Im Inneren des Geräts befinden sich 6 Potentiometer, mit denen das Gerät kalibriert werden kann. Das wird aber nicht passieren, weil es andere Möglichkeiten gibt, die aktuelle Drehzahl des Propellers zu ermitteln. Es genügt, die Drehzahl des Propellers und die Blitzgeschwindigkeit des Stroboskops so aufeinander abzustimmen, dass der Propeller scheinbar stillsteht. Ist dies geschehen, werden sowohl die Geschwindigkeit als auch die Blitzfrequenz langsam erhöht. Beim Erreichen der Grenzdrehzahl bilden sich an den Rändern der Propellerblätter feine Bläschen. Wenn die Geschwindigkeit auch nur geringfügig erhöht wird, nimmt die blasenbildende Fläche schnell zu. Es sieht so aus, als ob das Wasser auf der Saugseite der Blattränder kocht. Dieser Effekt tritt bei dem zu prüfenden Propeller bei 3.500 U/min auf.
Die Röhren der „großen“ Anlagen sind meist aufrecht, z. g. B. die riesige pinkfarbene (jetzt wieder renovierte) Anlage in Berlin. Bei allen Systemen kann durch Veränderung des Drucks im System eine bestimmte Tauchtiefe eingestellt werden.
Es hat sich als günstig erwiesen, mein eigenes Gerät in einem Winkel von 45° aufzubauen, damit die Reinigungsabdeckung so hoch wie möglich ist. Dies entspricht einer Wassertiefe von 15 bis 20 cm. Sonst stören vagabundierende Luftblasen die Beobachtung der Vorgänge erheblich. Aber so verfangen sie sich meistens am höchsten Punkt und sammeln sich unter dem Schraubverschluss.

Auf der freien Motorwelle wurde Anfang Mai eine rotierende Scheibe montiert, die mit einer reflektierenden Markierung versehen wurde. Geplant war, die Geschwindigkeit direkt mit einem modernen Instrument abzulesen. Leider war dieses vor einigen Jahren gekaufte, aber noch nie benutzte Instrument bereits defekt. Nun wurde das alte Graupner-Multimeter aus dem Fundus geholt und da es auf 2-Blatt-Propeller kalibriert ist, wurden zwei Langlöcher in die vorhandene Scheibe gebohrt. Am Lagerschild des Motors wurde eine winzige Platine mit einer LED angebracht. Die Lochscheibe deckt also bei jeder Umdrehung die Lichtquelle zweimal ab. (Wie eine Luftschraube.)
Das Gerät selbst ist extrem einfach zu kalibrieren; Der lichtempfindliche Sensor wird gegen eine netzgespeiste Lichtquelle (50 Hertz) gehalten. Wenn der Wahlschalter auf 6.000 U/min eingestellt ist, sollte der Zeiger in der Mitte der Skala bei 3.000 stehen. Ist dies nicht der Fall, wird bei geöffnetem Gerät ein kleines Potentiometer gerade so weit gedreht, bis das Ergebnis wieder stimmt. Auch die anderen beiden Messbereiche (12.000 und 24.000 U/min) können auf die gleiche Weise kalibriert werden.
Da die Stromversorger aus gutem Grund versuchen, die 50 Hz einzuhalten, kann man diesem alten Graupner-Gerät ein gewisses Vertrauen entgegenbringen.
Der Motor wurde im Prüfstand mit dem Netzteil auf 3.500 U/min gebracht, um das alte DEUMO-Gerät (ein mechanisches Instrument) bei dieser Drehzahl zu testen. Ergebnis: Bei dieser Geschwindigkeit gab es nur eine vernachlässigbar kleine Abweichung im Ergebnis. Kann man mehr von einem sehr alten mechanischen Instrument erwarte?
Zwischenzeitlich wurde ein digitales Tachometer (DDM) von Pollin angeschafft, dessen Messstrahl von einer Reflexfolie auf der Lochscheibe zum Gerät zurückkehrt.
Dort zeigt ein LCD-Display den Messwert zwischen 2,5 und 99.000 U/min an.
Preis: rund 20 €.
Für den Nostalgiker in mir gibt es das analoge Gerät von Graupner, für die Präzision das neue. Da beide Geräte im Vergleich kaum Abweichungen zeigen, wird kein weiteres Gerät benötigt.

Wenig später erhielt die Propellernabe auf der einen Seite eine horizontale und auf der gegenüberliegenden Seite eine vertikale Linie. Wenn eine der beiden Linien stillzustehen scheint, ist das Stroboskop richtig eingestellt.
Wird nun die Geschwindigkeit des Propellers verdoppelt, sieht das Auge die Summe der horizontalen und vertikalen Linien, also ein Kreuz.
Wird die Geschwindigkeit weiter erhöht, erscheint wieder ein Strich. Auf diese Weise kann die korrekte Einstellung des Stroboskops erkannt werden.
Moderne Geräte, z. B. solche mit LED-Blitz, bieten die Möglichkeit, die Blitzfrequenz zu verdoppeln oder zu halbieren. Andere Geräte folgen automatisch dem sich ändernden Drehwinkel. Sie sind echte Zauberkästen. Einziges Manko ist der wahnsinnig hohe Preis.

Spätere Recherchen ergaben, dass die großen Anlagen (wie die in Göttingen) nicht nur einen Gleichrichter direkt vor dem Prüfobjekt haben, sondern auch einen Diffusor direkt dahinter. Was zum Teufel ist ein Diffusor? Antwort: Eine Querschnittsvergrößerung, damit das vom Prüfling beschleunigte Wasser im vergrößerten Querschnitt seine Strömungsgeschwindigkeit verringert und eventuelle Gasblasen (durch Kavitation?) Zeit haben, zu kollabieren, bevor sie den Prüfling wieder über den Gleichrichter erreichen. Diese großen Anlagen vervielfachen die Rohrquerschnitte über den Diffusor, bei meiner Anlage ist das im jetzigen Zustand gerade noch zufriedenstellend.
Eine echte Verbesserung würde eine fast komplett neue Anlage erfordern. Deshalb wurde ein weiteres Plexiglasrohr beschafft, das in das vorherige transparente Rohr geschoben wurde. An den Eintritts- und Austrittskanten sind Kegelflächen angebracht. Nun erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit in dieser Engstelle und das Wasser beruhigt sich in allen anderen Rohren.
Das ist sicherlich nicht das letzte Wort, aber ich hoffe, es ist ein Schritt in die richtige Richtung.
Kavitation ist bei korrekter Synchronisation von Propeller und Stroboskop mit bloßem Auge deutlich zu erkennen. Aber leider ist meine Kamera dafür nicht geeignet.


Mein Kollege Rudolf († 2019) hat im Internet ein Foto gefunden, das einige Fragen aufwirft.

Bild des Propellers

Wenn die Erfinder einen offensichtlich neuen Propeller und Nabe wie ein Denkmal auf einen Sockel stellen, stellt sich der „dämliche Mitteleuropäer“ folgende Fragen: Soll diese Einheit (Propeller und Nabe) den Betrachter verwirren, oder hat sich diese Kombination nicht bewährt?
Normalerweise werden Neuentwicklungen durch Hüllen und allerlei Verkleidungen vor neugierigen Blicken geschützt.
Zum Vergleich der beiden Naben-Typen wurden gleich zwei identische Naben gebaut; einer mit Flügeln und der andere ohne.
Der Hauptzweck der Prüfung, die auf der nächsten Seite beschrieben wird, besteht darin, die Geheimnisse dieser seltsamen geflügelten Nabe zu lüften.
Das Ergebnis ist der folgenden Tabelle zu entnehmen.

Kavitations- und Strommessung am Propeller des Modells AKULA von Rudolf G.
Datum: 12.01.2017, Uhrzeit 14:00 bis 16:30 Uhr
Ausstattung: Kavitationskanal mit angebautem Maxon RE 35
Stroboskop (alt) mit Glimmröhre („Mayer“ Gerät)
Stromversorgung: Labor-Netzgerät
Digitaler Drehzahlmesser
Wassertemperatur: kann nur geschätzt: werden, es dürften 12 - 15° C gewesen sein.
Prüflinge: Rabösch 7 Blatt, Typ B, Ø 45 mm mit zwei verschiedenen Naben
Nabe 1: Form: Paraboloid, Durchmesser wie Propeller, glatt
Nabe 2: Form wie Nabe 1, ähnlich wie auf dem Foto
Nach dem hier vorliegenden Kavitationsgrenzdiagramm beginnt die Kavitation bei ca. 12° C (zwischen den beiden Linien) und Ø 45 mm bei 3.400 U/min.

Die Stromaufnahme wurde in 1,2-Volt-Schritten gemessen = NiMH-Zellen

Hier ist die Tabelle

Ende der Messung um 16:30

Bei der höchsten gemessenen Spannung von 36 Volt stieg der Strom sogar um 13% bei gleichzeitig reduzierter Drehzahl.
Fazit: Ab einer Drehzahl von 2.100 U/min nimmt der Leistungsbedarf mit der Flügelnabe im Vergleich zur glatten Nabe leicht ab, um dann bei etwa 3.450 U/min (im Grenzbereich) wieder auf das gleiche Niveau der glatten Nabe zu gehen.
Ab 3.900 U/min steigt der Strom an der Flügelnabe jedoch rapide an.
Der Anhang zeigt mir die Richtigkeit der Tabelle von Herrn Lehne.
Das hat eine Menge Spaß gemacht. Mehr geht nicht!

Mai 2018
Ein anderes, viel kleineres Gerät mit Blitzröhre wurde bei eBay beschafft. Preis: 46 € + Porto. Der Hersteller BBE wurde kontaktiert und mir wurde eine Ersatzröhre zugeschickt. Interessant war, dass mein erster Ansprechpartner dort einer der beiden Manager war. Er war als einziger an diesem Brückentag (Freitag nach Christi Himmelfahrt) im Einsatz. Wir unterhielten uns lange und er versprach mir, für Montag eine Nachricht für seinen Kollegen zu hinterlassen. Im weiteren Gespräch stellte sich heraus, dass mein altes Röhrengerät auch aus seiner Firma stammte, man aber leider keine Ersatzteile mehr dafür habe. Tatsächlich rief mich am frühen Montagmorgen ein Mitarbeiter an und fragte vor der Bestätigung meiner Bestellung nach der Seriennummer meines Geräts, damit er die Röhre mit den passenden "Pinnekes" (Dialekt für: kleine Steckverbinder) auswählen könne. Nachdem die Rechnung bezahlt war, kam die neue Röhre prompt.
Jetzt wird sogar die Beobachtung bei Tageslicht möglich sein.


Januar 2019
Aus dem Gedächtnis geschrieben am 5. April 2021. Daher sind nicht alle Daten vorhanden. Bevor es mit K3 ernst wird, sollte noch ein Test gemacht werden. (Im Datenblatt enthalten.) Mit Hilfe dieser neuen Messeinrichtung (DDM) wurden die beiden Propeller des K 3 einem weiteren Test im Wasserkanal unterzogen.
Wie sich mit Hilfe des Labornetzteils bald herausstellte, war der Anstellwinkel der einzelnen Propellerblätter viel zu groß.
Spezialisten für Propellerbau z. B. in Wageningen (NL) oder in Rostock (ehemalige DDR) können Steigungen berechnen, aber als Laie kann ich nur experimentieren.
Daher wurde nach einiger Überlegung kurzerhand ein sogenannter Propellerrichtapparat geschaffen.
Siehe meinen vorherigen Artikel: Propellerrichtgerät.
Funktionsweise: Zwischen zwei stabilen Aluminiumblöcken werden beide Propeller gleichzeitig nebeneinander auf 4 mm Achsen gesteckt. Abstandshalter rechts und links sorgen für einen gleichmäßigen Abstand. Aus jedem Propeller ragt auf einer Seite ein Drittel eines Flügels heraus. Genau dort lässt sich das jeweilige Propellerblatt mit einer Flachzange, deren Backen mit Pertinax belegt sind, vorsichtig biegen. Eine Fühlerlehre wird verwendet, um die Abstände zwischen den Klingen und dem Gerät gleichmäßig zu machen. Die Begradigung gelingt nicht auf Anhieb, denn das Ergebnis ist erst im Wasserkanal zu sehen. Es ist möglich, dass dieser Vorgang mehrmals wiederholt werden muss, aber dann hat man definitiv beide Propeller, die sich – obwohl der eine rechts und der andere links läuft – in ihrem Leistungsbedarf nicht unterscheiden. Und das ist erwünscht.
Bilder 1 bis 3, aufgenommen am 18.01.2019, dienen dem besseren Verständnis.

Fakt ist, dass mit Hilfe dieser Vorrichtung die Blattsteigung so weit reduziert werden konnte, dass bei der geplanten Bordspannung (14,4 V) die maximale Dauerstromaufnahme der Motoren an den Kavitationsgrenzbereich soweit angepasst wurden, dass bis zum Einsetzen der Kavitation nur der max. zulässige Strom von den Motoren benötigt wird. Erhöht man jedoch während der Fahrt die Geschwindigkeit, steigt natürlich auch der Stromverbrauch und es setzt Kavitation ein.
In der Praxis ist es aber nicht üblich, ständig mit voller Leistung zu fahren.
Wo die Grenze zwischen sparsamer Fahrweise und Kavitation bei K 3 liegen wird, bleibt abzuwarten.
Weiterhin wurde mit diesen Werkzeugen die Grundlage geschaffen, beide Propeller so zu formen, dass ihr Leistungsbedarf gleich ist.

Die Messergebnisse der Propeller der K 3 weichen etwas von der Theorie ab; d.h. die Kavitation tritt etwas früher auf, als sie laut Tabelle sollte. Das könnte daran liegen, dass meinem Strömungskanal ein zweiter Antrieb für den Wasserfluss im Kanal fehlt. Im Internet und in der Literatur habe ich Skizzen von Großanlagen gefunden, wo neben einer 100-kw-Maschine für den Propeller noch ein weiterer 300-kw! starker Motor für die Zirkulation des Wassers vorhanden ist. Anscheinend führt das Fehlen dieses zusätzlichen Antriebs in meiner kleinen Anlage dazu, dass die Kavitationsbildung früher einsetzt.
Ob und in welcher Form ich mein Gerät nachrüsten werde, ist ungewiss. Da kommt der Rheinländer in mir durch: Die Idee ist wichtig; die Ausführung ist oft nur Nebensache!


08.2021
Bau einer Auswuchtvorrichtung für den Propeller der SUSHI, die nach 21 Jahren unerwartet wieder in unseren Besitz gelangte. Auch die beiden Propeller des K 3 können damit ausbalanciert werden.
Ein „normaler“ Kunststoffpropeller muss nicht ausgewuchtet werden.
Gekaufte Metallpropeller können ausgewuchtet werden.
Selbstgemachte Metallpropeller sollen ausbalanciert sein.

Alle hier beschriebenen Dinge wie Energiespeicher, Motor, Geschwindigkeit und Propeller stehen im Zusammenhang.
Jedes Teil hat seine eigenen speziellen Eigenschaften.
Um einen guten Kompromiss zu finden, muss viel getan werden.

Thanks to Hein for this interesting and thorough research report on this theme that is quite often overlooked in its meaning by many modellers. It is amazing how Hein made his considerations and preparations by building his test facilities and eventually performed the measurements in his tests.

Kind regards
Klaus-Dieter