Zugpropeller


Zugpropeller
Propeller einer Bristol Britannia

Ein Propeller (von lat. propellere = vorwärts treiben) ist ein Antrieb durch Flügel, die um eine Welle herum angeordnet sind, und zwar im Normalfall radial (sternförmig).

Inhaltsverzeichnis

Einordnung nach Maschinenart

Propeller sind gehäuselose Strömungsmaschinen, die mechanische Arbeit aufnehmen und diese in Form von Strömungsenergie an das sie umgebende Medium abgeben, man zählt sie deshalb zu den Arbeitsmaschinen. Als Erfinder des ersten funktionsfähigen Propellers für Bootsantrieb gilt der österreichische kaiserlich-königliche Marineforstintendant Joseph Ressel, der am 11. Februar 1827 in Österreich ein entsprechendes Patent erhielt.

Wirkprinzip und Anwendungen

Rechtsdrehender Schiffspropeller
Propeller, Ruder

Die Flügel sind so geformt und ausgerichtet, dass sie bei der Rotation der Welle vom umgebenden Medium, zum Beispiel Luft oder Wasser, schräg oder asymmetrisch umströmt werden. Dadurch entsteht ein Druckgefälle in oder entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung, das eine Strömung des Mediums erzeugt. Jeder einzelne Flügel erfährt dynamischen Auftrieb. Die schräg gerichteten dynamischen Auftriebskräfte der einzelnen Flügel überlagern ihre Axialkomponenten zu einer resultierenden Kraft zwischen Medium und Propeller, die als Schub bezeichnet wird und den Propeller mitsamt dem verbundenen Objekt antreibt.

Diese Wirkungen werden zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen, speziell bei Schiffen, Luftkissenbooten, Sumpfbooten, Motorflugzeugen und Hubschraubern, zur Erzeugung von Luftströmungen mittels Luftschrauben oder Ventilatoren genutzt. Als Propeller im engeren Sinne bezeichnet man dieses Gerät nur dann, wenn es Leistung an das umgebende Medium abgibt. Der umgekehrte Fall, wenn es vom umgebenden Medium Leistung aufnimmt, liegt zum Beispiel bei Turbinen oder Windrädern mit nachgeschaltetem Generator vor. Diese müssen nach Definition aber als Repeller bezeichnet werden.

Die Flügelbreite richtet sich nach dem Flügelprofil und der Drehgeschwindigkeit. Entscheidend sind Oberflächenreibung und der Zeitpunkt, zu dem Strömungsablösungen eintreten.

Propellerflügel haben in der Regel ein bestimmtes Profil. Die eine Seite ist gewölbt und zwingt dem umfließenden Medium einen längeren Weg auf als die Gegenseite. Dadurch umfließt das Medium diese Seite mit höherer Geschwindigkeit und erzeugt einen Sog.

Da bei einem rotierenden Flügel die Umlaufgeschwindigkeiten je nach Abstand von der Achse für jeden Punkt anders sind, ändert sich die Profilhöhe und der Anstellwinkel über die Länge des Flügels. Der Anstellwinkel ist im inneren Bereich größer und die Profilform im äußeren schnelleren Bereich flacher.

Druckpropeller

Farman MF.11 mit Druckpropeller
Modellstudie mit doppelten, gegenläufigen Zug- und Druckpropellern

Ist der Propeller so angebracht, dass er nicht „zieht“, sondern „schiebt“, wird er als Druckpropeller bezeichnet. Bei Flugzeugen ermöglicht es diese Propelleranordnung dem Piloten, in Flugrichtung vor dem Propeller zu sitzen. Diese Anordnung kam bei der französischen Farman M.F.11 im Jahre 1913 zum Einsatz und wurde dann auch unter anderem im Ersten Weltkrieg bei der britischen Airco D.H.1 und der einsitzigen Airco D.H.2 übernommen, um ein nach vorn gerichtetes Maschinengewehr abfeuern zu können, ohne den Propeller zu beschädigen. Es sind auch Kombinationen von Zug- und Druckpropeller möglich wie zum Beispiel bei der Dornier Do 335 oder der Cessna Skymaster. Eine interessantes Konzept aus einer Kombination von Strahltriebwerken und Druckpropellern wurde bei der Convair B-36 angewandt.

Druckpropeller werden häufig bei Ultraleichtflugzeugen verwendet.

Kennwerte

  • Die Fortschrittsziffer J = \frac{v_A}{n\, D} definiert das Verhältnis von axialer Strömungsgeschwindigkeit vA zur (gekürzten) Propellerumfangsgeschwindigkeit (n\, D). Sie ist die Abszisse im Freifahrt-Diagramm, über der die folgenden drei Funktionen aufgetragen werden.
  • Der dimensionslose Schubbeiwert K_T(J) = \frac{T}{\rho\, n^2 D^4}
  • Der dimensionslose Drehmomentenbeiwert K_Q(J) = \frac{Q}{\rho\, n^2 D^5}
  • Der Freifahrtwirkungsgrad \eta_O(J) = \frac{T\, v_A}{2 \pi\, n\, Q}=\frac{J}{2 \pi} \cdot \frac{K_T}{K_Q}

wobei T den Propellerschub, Q das Drehmoment, D den Propellerdurchmesser, n die Drehzahl und ρ die Dichte des Mediums bezeichnen. Der Freifahrtwirkungsgrad gilt streng genommen nur für „homogene Zuströmung“ (ohne die Anwesenheit eines Schiffes). Er weist als Funktion der Fortschrittsziffer ein Maximum auf, das für besonders energiesparenden Antrieb eingehalten werden sollte. Durch die Anordnung des Propellers am Schiff ergeben sich Wechselwirkungen, die als Sogziffer, Nachstromziffer und Gütegrad der Anordnung bezeichnet werden und die mit dem Freifahrtwirkungsgrad des Propellers zusammen den Gütegrad der Propulsion bestimmen.

Im Unterschied zu Flugzeugturbinen haben Flugzeugpropeller einen wesentlich höheren Wirkungsgrad von 80 bis 90 %, allerdings nur bei Geschwindigkeiten bis etwa 700 km/h. Auch Schiffspropeller können diese Werte erreichen, jedoch nur bei genügend tiefen Schubbeiwerten, die auf Grund der Beschränkung des Tiefgangs und der Propellergröße selten zutreffen.

Geometrische Kenngrößen

Durchmesser

Unter dem Durchmesser eines Propellers versteht man den Durchmesser des Kreises, den dessen Flügelspitzen bei der Umdrehung beschreiben.

Die Wahl des Durchmessers ist abhängig von der Drehzahl, mit der sich der Propeller drehen soll, der zur Verfügung stehenden Leistung und der angestrebten Geschwindigkeit. Bei gleicher Leistung ist der Durchmesser normalerweise bei langsameren Booten größer, bei schnelleren kleiner. Wenn alle anderen Variablen gleich bleiben, nimmt der Durchmesser mit steigender Leistung zu, genauso bei abnehmenden Drehzahlen (durch niedrigere Motordrehzahlen und/oder größere Übersetzung) oder bei Oberflächenpropellern.

Steigung

Die geometrische Steigung entspricht der Strecke, die ein Propeller während einer Umdrehung in einem festen Material zurücklegen würde, vergleichbar einer Schraube in Holz. Die entsprechende geometrische Form heißt Helix oder Schraube. Druckseitige Propeller-Flächen entsprechen tatsächlich – außer im Nabenbereich – weitgehend dieser Form.

Ein Propeller mit der Bezeichnung 13 3/4 x 21 hat einen Durchmesser von 13 3/4 Zoll (35 cm) und eine Steigung von 21 Zoll (53 cm). Theoretisch würde dieser Propeller bei einer Umdrehung eine Strecke von 53 cm zurücklegen.

Die Steigung wird an der Flügeloberfläche gemessen, meistens der druckseitigen.

Es gibt zwei Arten der Steigung, entweder konstant oder progressiv. Die konstante Steigung bleibt von der Vorder- bis zur Hinterkante gleich, entspricht also einem Profil ohne Wölbung der druckseitigen Fläche. Die progressive Steigung beginnt flach an der Vorderkante und nimmt bis zur Hinterkante langsam zu. Angegeben wird bei solchen Propellern der Durchschnittswert der Steigung. Die progressive Steigung bewirkt mehr Schub bei mittleren und hohen Leistungen.

Die Steigung übt einen starken Einfluss auf Drehzahl und Drehmoment aus und somit auf die Wahl von Motor und Getriebe. Kleine Steigungen eignen sich, um auch bei geringer Geschwindigkeit kräftigen Schub zu erzeugen, große Steigungen, um bei widerstandsarmen Fahrzeugen gute Wirkungsgrade zu erzielen. Ein guter Kompromiss wird oft mit einer Steigung erreicht, die dem Durchmesser entspricht.

Neigung

Betrachtet man einen Propeller entlang einer Schnittlinie, die durch die Nabenmitte führt, ergibt der Winkel zwischen dem Flügel und der Senkrechten zur Nabe die Neigung des Flügels.

Steht der Flügel senkrecht zur Propellerachse, so hat der Propeller 0° Neigung. Je stärker der Flügel nach hinten zeigt, desto stärker ist die Neigung. Bei Standardpropellern variiert die Neigung zwischen -5° und 20°. Serienpropeller von Außenbordern und Z-Antrieben haben üblicherweise etwa 15° Neigung. Hochleistungspropeller mit stärkerer Neigung haben oft eine progressive, über die Länge des Flügels zunehmende Neigung, die an der Flügelspitze 30° erreichen kann. Die Neigung ist entweder linear oder progressiv.

Eine stärkere Neigung verbessert das Verhalten des Propellers bei Kavitation sowie bei Ventilation, die auftritt, wenn ein Flügel die Wasseroberfläche durchstößt. Dabei bündeln die Flügel das Wasser, das sonst durch die Fliehkraft nach außen weggeschleudert würde, besser als solche mit geringerer Neigung; der Schub ist deshalb stärker als bei ähnlichen Propellern mit geringerer Neigung.

Drehrichtung

Es gibt rechts- und linksgängige Propeller. Ein rechtsgängiger Propeller dreht im Vorwärtsgang von hinten betrachtet im Uhrzeigersinn.

Flügelzahl

Ein einflügeliger Propeller wäre oft am effizientesten – wenn die Vibrationen nicht wären. Diese entstehen, wenn die einzelnen Flügel pro Umdrehung unterschiedlich angeströmt werden, bei stoßenden Propellern unvermeidlich. Mit zunehmender Flügelzahl nehmen die Vibrationen ab. Die meisten Boots-Propeller sind Dreiflügler; ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad, Vibrationen und Herstellungskosten.

Bei Oberflächen-Propellern, die also bei jeder Umdrehung zwischen Luft und Wasser wechseln, haben vier- und fünfflügelige Propeller an Beliebtheit gewonnen.

Schlupf

Schlupf ist der durch den Anstellwinkel bedingte Unterschied zwischen der theoretischen und der tatsächlichen Vorwärtsbewegung des Propellers. Wenn sich beispielsweise ein Propeller mit einer Steigung von 100 cm bei einer Umdrehung tatsächlich nur 85 cm vorwärts bewegt, beträgt der Schlupf also 15 %. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss der Schlupf klein sein (im Bereich von ein paar Prozent). Bei stillstehendem Fahrzeug – sogenannte Pfahlzug-Bedingung – ist der Schlupf hingegen groß und der Wirkungsgrad definitionsgemäß nahe Null.

Skew

Als Skew wird die Flügelrücklage bezeichnet. Sie ist als Winkel zwischen der auftriebserzeugenden Sehne und deren Nullpunkt auf Wellenmitte eines Propellerflügels definiert. D.h. auf der Propellerkreisfläche, steht die Flügelspitze um den Skew versetzt über der Nabe. Moderne Schiffspropeller haben in der Regel einen starken Skew. Starke Druckamplituden können so gemindert werden, da einzelne Flügelschnitte zu verschiedenen Drehwinkelkoordinaten Auftrieb leisten. Änderungen der Anströmungen treffen somit nicht den gesamten Flügel, sondern immer nur Bereiche. Skew ist daher auch ein Mittel um propellererregte Druckschwankungen (Schwingungen) zu mindern..

Leistungsbegrenzende physikalische Effekte

Kavitation

Wasser siedet bei normalem Luftdruck bei 100 °C. Wenn der Druck jedoch niedrig genug ist, kommt es bereits bei niedrigeren Temperaturen zur Dampfbildung. Schnelldrehende Schiffspropeller können den Wasserdruck an der Unterdruckseite des Propellers soweit absenken, dass Dampfblasen auftreten, die sehr schnell wieder kollabieren und dadurch mechanische Schäden (Kavitationsfraß) verursachen können. Dieses Phänomen kann durch Herabsetzen der Propellerdrehzahl und durch entsprechend geformte kavitationsarme Propeller gemindert werden. U-Boote können dieses Problem außerdem durch Erhöhung der Tauchtiefe umgehen, da dadurch der statische Druck ansteigt. Schäden durch Kavitation entstehen auch an ungünstig geformten Rudern.

Kavitation ist bei sehr hohen Drehzahlen jedoch unvermeidlich und somit gibt es bestimmte superkavitierende Propeller, deren Flügelform die vollständige Kavitation begünstigen, um zumindest die durch Teilkavitation entstehenden Schäden zu vermindern.

Wirbelbildung

Des Weiteren bilden sich sowohl in Luft als auch in Wasser Wirbel an den Flügelspitzen. Dies ist auf den Helmholtzschen Wirbelsatz zurückzuführen. Dynamischen Auftrieb kann der einzelne Flügel nämlich nur aufbringen, indem sich seiner Umströmung eine Wirbelbewegung überlagert, und ein Wirbel kann nach Helmholtz nicht an der Flügelspitze einfach aufhören. Die Wirbelfäden knicken an den Flügelspitzen nach hinten ab und sind schraubenförmig ineinander verdreht. Sie stellen einen Teil der Leistung dar, die der Propeller nutzlos im Medium hinterlässt. Generell verbessert sich der Wirkungsgrad eines Propellers, wenn im Wasser bzw. in der Luft weniger Drall verbleibt. Im Schiffbau gab und gibt es unterschiedliche Ansätze, die Strömung zu entdrallen: ein asymmetrisches Hinterschiff, das Grim’sche Leitrad (ein antriebsloser gegenläufiger Propeller) sowie in letzter Zeit Ruder mit verschieden angestellter oberer und unterer Hälfte („twisted spade rudder“).

Das Grimsche Leitrad, das hinter dem Propeller freirotierend angeordnet ist, wird für eine Drehzahl ausgelegt, die etwa 40 Prozent der Drehzahl des Propellers beträgt. Dadurch kann das Leitrad größer als der davor liegende Propeller ausgeführt werden. Der innere, im Propellerstrahl liegende Teil des Leitrades wird in seiner Profilausführung als Turbine ausgebildet. Dadurch erhält das Leitrad seine Drehung. Der äußere Teil außerhalb des Propellerstrahls erhält Profile, die propellerartig ausgebildet sind. Dadurch wird ein zusätzlicher Schub erzeugt. Die Kombination „Propeller plus Leitrad“ weist einen größeren effektiven Strahlquerschnitt aus als der Propeller allein. Durch die nachträgliche Anordnung eines Leitrades ergeben sich Wirkungsgradverbesserungen von 3 bis 15 Prozent. Allerdings sind die durch Seewassereintritt in das Dichtungssystem entstehenden Probleme, die in den Jahren nach 1983 zu zahlreichen Schäden führten, bis heute nicht gelöst.

Diese Probleme wurden von Schiffbau-Versuchsanstalten mit Modellversuchen und CFD-Berechnungen untersucht, aber nicht gelöst. Es gibt daher heute keine Schiffe mehr, die mit einem Leitrad fahren.

Ventilation

Ventilation tritt auf, wenn Luft von der Wasseroberfläche oder Abgase aus dem Auspuff in den Propeller gesaugt werden. Dadurch verringert sich die Last auf dem Propeller; der Motor überdreht und der Schub nimmt ab. Außenborder und Z-Antriebe haben über dem Propeller eine als Teil des Unterwassergehäuses ausgebildete Platte. Diese Platte wird meist fälschlicherweise als Kavitationsplatte bezeichnet. In Wirklichkeit soll sie verhindern, dass Luft von der Oberfläche in die Unterdruckseite des Propellers gelangt. Siehe hierzu auch: Oberflächenantrieb

Ausführung

2-flügeliger Festpropeller
Verstellpropeller

Die Anzahl der Blätter von Propellern ist variabel, sie kann aus nur einem Flügel bestehen und ist nach oben prinzipiell unbegrenzt. Bei Großcontainerschiffen z. B. ist die Anzahl produktionstechnisch zur Zeit auf sieben beschränkt. Ausschlaggebend für die Flügelzahl ist die Druckdifferenz des Medienstroms vor und nach dem Propeller. Bei besonders niedrigen Fortschrittsziffern wird die Differenz zu groß, und die Strömung reißt ab. Diesen Effekt vermindert man mit einer den Propeller umgebenden Düse. Schiffe, die sehr viel mehr Schub aufwenden müssen als für ihren eigenen Antrieb in offenem Wasser erforderlich wäre, tragen oft Düsenpropeller, insbesondere Schlepper und Eisbrecher.

Extremfälle von Propellern sind die archimedische Schraube und Turbinenräder.

Während Propellerflügel fast immer sternförmig (radial) um eine Welle angeordnet sind, hat sich als patentierte Speziallösung der Voith-Schneider-Propeller eine kleine Marktnische erhalten. Er verleiht Wasserfahrzeugen eine besondere Manövrierfähigkeit, da man seinen Schub in alle Richtungen drehen kann. Es handelt sich um eine rotierende Scheibe im Boden des Schiffes, aus der die Flügel spatenförmig nach unten herausragen. Eine Vorrichtung, die man mit der Taumelscheibe eines Hubschraubers vergleichen kann, verändert kontinuierlich den Anstellwinkel jedes Flügels abhängig von seiner momentanen Position.

Man unterscheidet sowohl bei Schiffen als auch bei Flugzeugen zwischen Festpropellern und Verstellpropellern. Verstellpropeller können die Steigung der Flügel verändern, um bei unterschiedlicher Belastung (Flugzeug im Steigflug, Schiff schleppt etwas) die energiesparendste Steigung neu einzuregeln. Flugzeuge wie beispielsweise die ATR 42 können damit am Boden auch rückwärts rangieren.

Als Sichelschraube oder Sichelpropeller bezeichnet man Ausführungen, die anstelle gerader Flügel sichelförmig gebogene benutzen. Diese können leiser (dank geringer Blattendengeschwindigkeit, wichtig für U-Boote), robuster, und leistungsfähiger als normale Propeller sein. Nachteilig sind höheres Gewicht und höherer Preis wegen der komplizierten Form. Beispiele für Sichelpropeller sind die A400M (Flugzeug) und die Akula-Klasse (U-Boot). Eine Übergangsform stellen die abgeknickten Propellerenden bei Hubschraubern (z. B. UH-60L) dar, die den Lärm reduzieren, da die Propeller an den Spitzen in den Bereich der Überschallgeschwindigkeit kommen.

Eine Besonderheit stellen Faltpropeller dar, die bei Segelyachten und Segelflugzeugen mit Hilfsantrieb eingesetzt werden. Bei Motorbetrieb entfalten sie sich durch die Zentrifugalkraft und wirken wie ein normaler Propeller. Bei Segelbetrieb falten sie sich zusammen und reduzieren den Widerstand.

Insbesondere im Passagierschiffbau setzen sich zunehmend elektrische Pod-Antriebe durch.

Propeller können aus vielen Materialien gefertigt sein. Bei Flugzeugpropellern wird häufig Holz, Metall oder Kunststoff verwendet. Schiffspropeller werden aus speziellen Legierungen gefertigt, zum Beispiel Bronze oder eine Kupfer-Nickel-Legierung. Bei Booten sind Bronze, Inox-Stahl, Aluminium sowie glas- oder kohlenfaser-verstärkte Kunststoffe üblich.

Die Wahl des Materials bestimmt auch die erreichbare Leistung. Hochfeste Materialien erlauben schlankere und dünnere Flügel und somit oft höhere Wirkungsgrade. Große Schiffspropeller wiegen bis zu 140 Tonnen und sind bis zu 25 Jahre im Einsatz. Sie kosten fast eine Million Euro.

Schiffspropellerflügel in Saarlouis

Bootspropellersteigung bestimmen

Die Steigung eines Propellers wird etwa in der Blattmitte gemessen. Bei den üblichen Propellern mit konstanter Steigung ist es egal, an welcher Stelle gemessen wird. Bei Propellern mit progressiver oder unregelmäßiger Steigung muss man die Messung an verschiedenen Stellen wiederholen und ein Mittel bilden.

Der Propeller wird zum Messen auf eine ebene Unterlage gelegt, auf die auch gezeichnet werden kann. Vorbereitend ist es sinnvoll, mit entsprechendem Radius einen Kreis zu zeichnen, auf den der Propeller konzentrisch platziert werden muss. Es werden dann auf dem Kreis, also in einem festgelegten Radius, jeweils die Abstände einer Blattvorderkante und der zugehörigen Blatthinterkante von der Unterlage gemessen, und die Lotfußpunkte angezeichnet. Der Propeller kann dann weggenommen und der Winkelabstand zwischen den Lotfußpunkten gemessen werden. Mit diesen Messwerten lässt sich per Dreisatz die Steigung bestimmen.

{Steigung}=({H\ddot ohe_\text{Hinterkante}-H\ddot ohe_\text{Vorderkante}})\cdot\frac{360^\circ}{Winkel}

Für eine andere Messmethode wird an der zu messenden Stelle sowohl der Anstellwinkel als auch der lokale Radius (Abstand vom Mittelpunkt der Achse) bestimmt. Der Tangens dieses Winkels multipliziert mit dem zugehörigen Umfang ergibt ebenfalls die Steigung. Da die Winkelmessung für diese Methode recht aufwändig ist und nur verhältnismäßig ungenau gemessen werden kann, wobei geringe Abweichungen des Winkels unter Umständen schon große Abweichungen der berechneten Steigung zur Folge haben, empfiehlt sich jedoch die erste Methode.

{Steigung}=\tan{Anstellwinkel}\cdot{2}\cdot{\pi}\cdot{Radius}_\text{lokal}

Siehe auch

Literatur

  • John S. Carlton: Marine propellers and propulsion. Butterworth-Heinemann, Oxford 1994, ISBN 0-7506-1143

Weblinks


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