Da die DGLR nach Ankündigung dieser Betrachtungen eine 
Veröffentlichung verhinderte, indem sie den entsprechenden 
Thread in ihrem Luftfahrtforum löschte, hier die Fortsetzung. 
          Wirkungsgrade
Betrachtungen über Wirkungsgrade am Flugzeug 
Views over efficiencies at the airplane
Wirkungsgradbetrachtungen zeigen auf, welche Parameter wie Einfluß auf 
Verbesserungen eines Prozesses, einer Maschine oder ähnlichem haben. 
Erst mit der Kenntnis dieser Zusammenhänge ist `richtiges´ denken 
möglich, was zu deutlichen Reduzierungen von sonst notwendigen 
pragmatischen Verfahren führt. 
Ein Beispiel für nur pragmatische Verfahren z. B. ist, daß zur 
Erzielung von Widerstandsverminderungen an Formel-1-Rennwagen nur 
eine von ca. 20 Versuchen im Windkanal erfolgreich verläuft! Das 
beweist rückwärts, daß keine richtige Denk-Theorie für die 
Zusammenhänge der Widerstandsbildungen vorliegt, die vorausschauendes 
Denken in der gewünschten Richtung ermöglicht! 
Ein Flugzeug ist wie jedes andere Gerät auch eine Arbeitsmaschine, 
die einen Leistungsbedarf besitzt. Dieser ist zur überwindung der 
Widerstände erforderlich, die sich dem Betrieb entgegenstellen. 
Auch an einem Flugzeug gibt es somit Wirkungsgrade. 
Ein Wirkungsgrad ist der Gesamtwirkungsgrad für das Flugzeug als 
Ganzes. 
Dieser resultiert aus zwei Einzelwirkungsgraden: 
es sind dies der Wirkungsgrad für den Vortrieb (die Schuberzeugung) 
als innerem Wirkungsgrad und der für die Ausnutzung des erzeugten 
Schubs als äußerem Wirkungsgrad. 
Diese drei Wirkungsgrade stehen in dem Verhältnis zueinander, daß der 
Gesamtwirkungsgrad als Flugzeugwirkungsgrad das Produkt aus dem 
Schuberzeugungswirkungsgrad, dem `inneren´ Wirkungsgrad Eta iF 
und dem Ausnutzungswirkungsgrad des erzeugten Schubs, dem äußeren 
Wirkungsgrad Eta aF ist: 
               Eta Flugzeug  =  Eta iF  *  Eta aF 
Die Definitionen der Einzelwirkungsgrade werden dadurch mit bestimmt, 
daß dieser Zusammenhang gewährleistet ist. 
Das bedeutet insbesondere: da der innere Wirkungsgrad ein 
`Maschinenwirkungsgrad´ ist, der sich auf das Antriebsaggregat 
einschließlich Schuberzeugung (Düse, Propeller) bezieht, ist der 
äußere Wirkungsgrad automatisch der `Rest´, um als Produkt mit 
dem inneren Wirkungsgrad den Gesamtwirkungsgrad zu ergeben. 
`Rest´ bedeutet aber keine sachliche Minderung, sondern stellt die 
konkrete Mit-Definition für den äußeren Wirkungsgrad dar. 
Der äußere Wirkungsgrad ermittelt sich also neben seiner eigenen, 
zu einer logischen Vorstellung gehörenden Definition auch aus den 
mathematischen Beziehungen zum Gesamt- und dem inneren Wirkungsgrad. 
Damit sind mehrere Definitionen eines äußeren/inneren Wirkungsgrades 
möglich. Immer jedoch muß der äußere mit dem inneren Wirkungsgrad 
multipliziert den Gesamtwirkungsgrad ergeben. Dieser ist für sich 
allein als Basis eindeutig bestimmt. 
Wirkungsgrade beziffern ein Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. 
Diese Verhältniszahl ist dimensionslos und wird umgangssprachlich 
und in der Technik in % ausgedrückt. 
Am Flugzeug werden für den Gesamt- und den inneren Wirkungsgrad 
Energieleistungen verglichen. 
Nutzen ist die Energieleistung, die für die Absolvierung des 
Fluges vom Flugzeug als Arbeitsmaschine abverlangt wird. 
Aufwand ist die dazu benötigte Energieleistung aus der zeitlichen 
Menge des verbrauchten Brennstoffes. 
Der Nutzen eines Flugzeuges. 
Er bestimmt sich daraus, welche Widerstände für die Vorwärtsbewegung 
überwunden werden müssen. Das ist im Wesentlichen der aerodynamische 
Widerstand plus eine evtl. zu überwindende `Hangabtriebs´kraft bei 
Steig/Sinkflügen. 
Die Summe aller der Vorwärtsbewegung entgegen gerichteten Kräfte 
soll WF heißen. 
Dieser Gesamt(!)-Widerstand WF ergibt mit der dabei vorliegenden 
Geschwindigkeit des Flugzeuges vF eine Leistung. 
Diese beziffert sich auf: 
                     Nutzleistung  =  WF  *  vF 
Da der Gesamtwiderstand am fliegenden Flugzeug nicht gemessen werden 
kann, kann, da nach Newton actio gleich reactio ist, mathematisch die 
Größe der Schubkraft eingesetzt werden. 
Physikalisch ist jedoch nicht erlaubt, in diese physikalische Formel 
den Parameter WF durch den Parameter S (Schubkraft) zu ersetzen. 
Der Aufwand eines Flugzeuges. 
Er entsteht aus der pro Zeiteinheit verbrauchten Brennstoffmasse 
mB(t) mal dessen Heizwert H. Bei Heizwerten gibt es einen oberen 
und einen unteren. Der obere Heizwert ist der, der bezahlt werden 
muß! Daß Techniker den unteren Heizwert ansetzen, ist `Schönung´, 
die inzwischen z. B. bei sogenannten Brennwertkesseln von 
Hausheizungen zu Wirkungsgraden über Eins (über 100%) führen, 
also nicht mehr hingenommen werden können. Das sollte Grund sein, 
die Benutzung des unteren Heizwertes zu beenden. Der Index o bei 
Ho ist damit überflüssig und wird hier abgeschafft zugunsten einer 
einheitlichen Betrachtungsweise, die keine Verwechslungen zwischen 
Hu und Ho mehr zuläßt und keine Wirkungsgrade über Eins mehr 
entstehen läßt. 
Der Aufwand beziffert sich somit auf: 
                       Aufwand  = mB(t)  *  H 
mB(t) ist der verbrauchte Brennstoff pro Sekunde 
H ist der Heizwert des Brennstoffs. (Alt: Ho) 
Der Gesamtwirkungsgrad eines Flugzeuges ist: 
     Eta Flugzeug = Nutzen durch Aufwand = WF  *  vF  /  mB(t)  *  H 
WF ist der gesamt gegen die Bewegung des Flugzeuges wirkende 
Widerstand 
vF ist die Geschwindigkeit des Flugzeuges 
mB(t) ist der Brennstoffverbrauch pro Sekunde 
H ist der Heizwert des Brennstoffes 
Bei Propellerflugzeugen liegt dieser Wirkungsgrad meist unter 20%. 
Der innere Wirkungsgrad Eta iF an einem Flugzeug 
Er beschreibt die Güte der Schuberzeugung. Der Nutzen für diese 
Betrachtung ist hier die Höhe der Schubkraft. Der Aufwand ist hier 
der gleiche wie für den Flugzeugwirkungsgrad, die zugeführte 
Energieleistung. 
Dazu unpassend ist aber Schub Kraft und keine Leistung! Somit muß 
auch der Nutzen, der Schub, als Energieleistung gefaßt sein. 
Schubkraft entsteht aus der Beschleunigung einer Masse. Bei einer 
Rakete ist es der verbrannte Brennstoff mit dem zugeführten 
Sauerstoff(träger). Bei Düsen- oder Propellerantrieben ist es 
die Luftmasse pro Zeiteinheit mL(t), die während der Vorwärtsbewegung 
ergriffen und aus ihrer Ruhelage beschleunigt nach hinten abgestoßen 
wird. 
Dieser Vorgang erfordert Leistung, die sich dann in der 
beschleunigten Luft wiederfinden muß. 
Die aufgebrachte Energieleistung aus dem Brennstoff findet sich in der 
Luft als kinetische Energie wieder. 
Würde die gesamte zugeführte Energie in dem abgegrenzten Querschnitt 
Propellerdurchmesser bzw. Düsenaustrittsdurchmesser zu einem 
gleichgerichteten und homogenem Luftstrom einfließen, so erhielte 
dieser Luftstrom mit dem Massefluß mL(t) die Geschwindigkeit vL 
aus nachfolgender Beziehung: 
                         S = mL(t)  *  vL 
S ist der durch die Beschleunigung der Luftmasse erzeugte Schub als 
Rückstoßkraft 
mL(t) ist die je Sekunde beschleunigte Luftmasse 
vL ist die nach dieser Formel zugehörige Geschwindigkeit der 
beschleunigten Luftmasse 
Würde die gesamte Brennstoffenergie P in Pkin = mL(t)/2 * vL2 
umgesetzt werden, so ergibt sich die theoretische Schubkraft zu: 
                   S theo  =  2 * P/vL 
S theo ist der aus der zugeführten Leistung P (mB(t) * H) maximal 
erreichbare Schub bei Wirkungsgrad Eins. 
Hier zeigt sich schon, daß es günstiger ist, eine große Luftmasse 
auf eine kleinere Geschwindigkeit zu beschleunigen als eine kleinere 
auf eine entsprechend höhere Geschwindigkeit. 
Die Luft erhält durch Düse oder Propeller eine Geschwindigkeit 
gegenüber ihrer relativ zum Flugzeug gesehenen RUHELAGE. 
Zur Erklärung: z. B. muß der Propeller Luft aus IHRER Ruhelage 
WäHREND seiner Vorwärtsbewegung mit dem Flugzeug auf eine gegenüber 
der Luft gesehene Geschwindigkeit nach hinten beschleunigen. 
Deswegen rechnet sich hier abweichend zu sonstigen Luftströmungen 
die kinetische Energie der Luft NICHT mit (vL22 minus 
vL1(Fahrtwind)2), sondern NUR mit vLabsolut2, 
also vom bewegten Flugzeug aus gesehen nur mit (Delta v) zum Quadrat. 
Zweite Begründung: da der Fahrtwind für das Fluggeschehen in der 
Geschehnisebene `Luftmasse´ nur eine fiktive Geschwindigkeit ist, 
kann diese auch keine reale Bedeutung besitzen. 
Die Größe des tatsächlich gemessenen Schubs S gegen den theoretisch 
maximal erreichbaren Schub S theo ergibt den inneren Wirkungsgrad 
an einem Flugzeug. 
Er ist gleichbedeutend mit dem Wirkungsgrad des Antriebsaggregates, 
bei Propellerantrieben einschließlich des Propellers. 
Die Formel für den inneren Wirkungsgrad, gleichbedeutend mit dem 
Antriebswirkungsgrad, ergibt sich damit physikalisch zu: 
              Eta iF  = 1/2  *  S * vL / mB(t) * H 
S ist der gemessene Schub 
vL ist die der Luft absolut erteilte Geschwindigkeit. Im 
flugzeugfesten Koordinatensystem ist es die Differenzgeschwindigkeit 
zwischen Fahrtwind und erhöhtem `Fahrtwind´ hinter dem Propeller. 
mB(t)*H ist die zugeführte Leistung. 
Der äußere Wirkungsgrad eines Flugzeuges 
Er bestimmt sich zunächst aus dem Bisherigen, nämlich: 
               Eta aF  =  Eta Flugzeug  /  Eta iF 
Es ergibt sich: 
                    Eta aF  =  2  *  vF / vL 
Eta aF: äußerer Wirkungsgrad eines Flugzeuges 
vF: Geschwindigkeit des Flugzeuges 
vL: Geschwindigkeit der vom Antriebsaggregat ausgestoßenen Gase bzw. 
vom Propeller zurück beschleunigten Luftmassen gegenüber der Luft 
neben dem Flugzeug. (Absolute Luftgeschwindigkeit) 
Wie sich zeigt, liegt diesem Wirkungsgrad kein Energievergleich 
zugrunde. 
Eine andere logische überlegung für die Definition des äußeren 
Wirkungsgrades sieht so aus: 
der äußere Wirkungsgrad bestimmt sich aus der Betrachtung, wieviel 
Schub (S = m*v) als Verlust noch in dem vom Antriebsaggregat nach 
hinten beschleunigten Gasmassen enthalten ist. Diese hinter dem 
Flugzeug zurückbleibende Strömung geht durch Verwirbelungen mit der 
Luft in Wärme über. 
Die Krux: dieser noch enthaltene Schub, also der physikalische Verlust, 
ist der, der das Flugzeug vorwärts treibt! Der äußere Wirkungsgrad 
kann also nie zu Eins werden, da in diesem Fall kein Schub mehr 
vorhanden wäre. 
Das bestmögliche ist, die Luftgeschwindigkeiten durch Erfassung 
größerer Luftmassen insgesamt klein zu halten! Das geschieht durch 
Verwendung größerer Propeller, bei Düsenantrieben durch größere 
Bypassmengen. 
Diese Betrachtung ist eine relative, das heißt, sie entsteht aus 
dem Beobachtungspunkt Flugzeug. 
Der Formelansatz für diese Betrachtung ist die Schubkraft der Luft 
mit einer relativen Geschwindigkeit von vF minus der Geschwindigkeit 
vLabsolut hinter dem Flugzeug gegenüber der Schubkraft aus einer 
Luftgeschwindigkeit in Höhe der Flugzeuggeschwindigkeit vF. 
            Eta aF = (mL*vLrel - (mL*vLrel - mL*vF)) / mL*vLrel 
Hat die vom Antriebsaggregat zurückgestoßene Luft die Geschwindigkeit 
des Flugzeuges selbst, so wäre der äußere Wirkungsgrad gleich Eins. 
Diese zweite Betrachtung des äußeren Wirkungsgrades Logik ergibt 
abschließend als Vorgabe auch für die anderen Wirkungsgrade: 
                      Eta aF  =  vF / vLrel 
Ist vLrel gleich der Flugzeuggeschwindigekit, also dem Fahrtwind, so 
wird von Propeller wie Düse kein Schub erzeugt, die der Luft erteilte 
absolute Geschwindigkeit der Luft ist also Null. (Der Propeller 
schraubt sich `leer´ durch die Luft.) 
Diese Formel ist bis auf den Faktor 2 die gleiche, die bei der 
`Rück´rechnung aus Gesamtwirkungsgrad durch inneren Wirkungsgrad 
entstand. 
Die physikalische Bedeutung dieses Faktors ist für den äußeren 
Wirkungsgrad unklar, für den inneren Wirkungsgrad ist der Faktor ½ 
dagegen klar. Da Wirkungsgraddefinitionen in Grenzen frei sind, läßt 
sich zu Gunsten einer konkreten Vorstellung für den äußeren 
Wirkungsgrad folgendes machen: 
Der Faktor 2 im äußeren Wirkungsgrad wird mit dem Faktor ½ im 
inneren `verrechnet´. Dabei verschwinden beide bzw. werden zu 1. 
Das Ergebnis ist: Der äußere Wirkungsgrad ist wie vor beschrieben. 
Der innere Wirkungsgrad wird damit, und hier endgültig, zu: 
                 Eta iF  =  S * vL / mB(t) * H 
Diese Formel entspricht im Aufbau auch der des Gesamtwirkungsgrades, 
bietet somit einen direkten Vergleich. im übrigen zeigt sich noch 
einmal, daß die Verwendung vom Schub S statt der Gesamtwiderstände WF 
in der Gesamtwirkungsgradformel falsch wäre. 
 
Im inneren Wirkungsgrad sind z. B. Verluste aus Energieinhalten 
durch höhere Temperaturen der Abgase bei Düsenantrieben enthalten. 
Es wäre unklug, diese dem äußeren Wirkungsrad zuordnen zu wollen, 
da dabei das klare Bild der Wirkungsgrade zerstört würde, das heißt 
insbesondere damit ihre Verwendungsfähigkeit(!). 
Beide Formel genügen dem Gesamtwirkungsgrad 
          Eta Flugzeug  = WF  *  vF  /  mB(t) * H 
Ein übergenauer Physiker könnte nun sagen, das sei getürkt! 
Dem ist nicht so, denn: 
Wirkungsgrade sind Betrachtungen! Im wahrsten Sinn des Wortes. 
Sie beinhalten physikalische Beziehungen, sind aber keine, sondern 
eine Bewertung dieser. 
Sie sollen aufzeigen, wie effektiv ein Vorgang abläuft und 
tendenziell Richtungen aufzeigen, in denen Veränderungen, vornehmlich 
Verbesserungen, möglich sind! 
Das setzt auch eine gewisse direkte Verständlichkeit der mathematisch 
gefaßten Wirkungsgradformel voraus. 
In den meisten Fällen ist der physikalische Zusammenhang eines 
Vorganges auch direkt verständlich. Das heißt, eine wie zuvor 
gemachte Faktor-Verschiebung ist gar nicht erforderlich oder 
möglich, da das sowieso nur bei `Unter-Wirkungsgraden´ geht. 
Würde z. B. in diesem Fall der äußere Wirkungsgrad als Vergleich der 
kinetischen Energien erfolgen, so würde ein gemischt quadratisches 
Verhältnis für die Luftgeschwindigkeiten entstehen. 
Die Anpassung des inneren Wirkungsgrades an diesen äußeren Wirkungsrad 
würde ein nicht mehr direkt interpretierbares mathematisches Gebilde 
ergeben. Das wäre in äußerstem Maße unklug. 
Der analytische Wert einer Wirkungsgrad-Darstellung wäre nicht mehr 
gegeben. Gerade dieser aber ist auch Sinn einer Wirkungsgraddefinition. 
Eigenständige Definitionen für inneren und/oder äußeren Wirkungsgrad 
ohne Rücksicht auf ihr Zusammenspiel zum Gesamtwirkungsgrad sind 
möglich, aber sicherlich unangebracht und stiften nur Verwirrung. 
         
               
Beweis: 
Würde der äußere Wirkungsgrad so definiert werden, daß die 
beschleunigte Luftmasse mit der kinetischen Energie aus ihrer 
absoluten Geschwindigkeit, das ist die Strahlgeschwindigkeit minus der 
Fluggeschwindigkeit, ein Nutzen wäre, so käme ein möglicher 
Wirkungsgrad von Eins zustande. 
Damit würde dann der innere Wirkungsgrad gleich dem 
Flugzeugwirkungsgrad werden, der dessen Höhe aber nicht im entfertesten 
erreichen kann, weil gerade der äußere Wirkungsgrad der Verursacher 
des doch sehr schlechten Betriebswirkungsgrades eines Flugzeuges ist. 
Diese letztgenannte Wirkungsgradbetrachtung ist für ein ortsfestes 
Gebläse, auch ortsfester Propeller, jedoch zutreffend. Es wird Luft 
beschleunigt auf eine, nun den tatsächlichen Nutzen darstellende 
Geschwindigkeit, von der keine Eigenbewegungsgeschwindigkeit abgezogen 
werden muß. 
Für ein Gebläse gilt als Wert des äußeren erreichbaren Wirkungsgrades 
durchaus eine Eins. 
Dabei wird vorausgesetzt, daß der sogenannte `Ansaugverlust´ kein 
Verlust, sondern Nutzen ist. Wenn dem Gebläse nur ruhende Luft zur 
Verfügung gestellt wird, so ist es auch Aufgabe von ihm, diese zu 
beschleunigen! Zumal dieser scheinbare Verlust (die Energie ist 
noch nicht unwiderruflich weg!) am Austritt durch einen Diffusor 
wieder zurückgewonnen werden kann, wenn auch nicht ganz. 
Nicht immer bringen rein physikalisch erstellte Wirkungsgrade einen 
Wissens- oder Brauchbarkeitsgewinn. So erstellte Formeln, wenn 
mathematisch undurchsichtig, haben keine Verwendungsfähigkeit. 
In diesen Fällen werden Wirkungsgrad-mit-bestimmende Teilabschnitte 
eines Gerätes als sogenannten Kennziffern oder ähnlichem erfaßt. 
Der Nachteil ist jedoch deren Begrenztheit auf nur einen Teil der 
Gerätefunktionen, was u. U. zu Fehlschlüssen für das Ganze führen kann.