DE4209046A1 - Kleingasturbine, insbesondere zum antrieb von flugmodellen - Google Patents

Description

Eine Kleingasturbine speziell für den Antrieb von Flugmo­ dellen wird erstmals von der Firma JPX-ZI Nord, F-72 320 Vibraye gefertigt. Dieses Triebwerk arbeitet wie fast alle Kleingasturbinen mit einstufigem Verdichterrad mit radial endenden Schaufeln ohne Deckscheibe und radialer Turbinen­ stufe. Zum Flugbetrieb benötigt es verflüssigtes Propan als Kraftstoff aus einem Drucktank mit spezieller Regel­ vorrichtung.

Fundstelle: Zeitschrift FMT Flug- und Modelltechnik 12/91, Seite 51/52 sowie technisches Datenblatt der Hersteller­ firma.

Der Betrieb mit flüssigem Propangas für den Flugbetrieb er­ fordert erheblichen sicherheitstechnischen Aufwand.

Eine andere Entwicklung wurde vom Anmelder mehrfach vorge­ stellt. Nach dem letzten Stande der Veröffentlichungen ist die als "Strahlturbine FD3" bezeichnete Gasturbine durch fol­ gende technische Merkmale gekennzeichnet:

Als Kraftstoff für den Flugbetrieb wird Diesel oder ein Ge­ misch von Diesel mit Vergaserbenzin benötigt. Der Betrieb im Stand ist auch mit Propan oder Butan gasförmig oder flüssig dosiert, möglich. Die radial wirkende Verdichterstufe hat ein Laufrad mit rückwärts gekrümmten Schaufeln und Deckscheibe. Das Turbinenrad wirkt axial. Der Kraftstoff wird in einem wendelförmigen Rohr, das gleichzeitig als Kühlschlange für den Wellentunnel wirkt, verdampft.

Fundstellen:
FMT Flug- u. Modelltechnik 405-10/89 S. 20/21
408-1/90 S. 52/53
FMT Spezial Scale 89/90 S. 69/71
Scale Nr. 1 90 S. 34/37.

Alle Zeitschriften erscheinen im Verlag für Technik und Hand­ werk, Baden-Baden.

Dieser Stand der Technik enthält aber noch folgende Mängel:

• - Die Kühlwirkung der Verdampferwendel reichte nicht aus, um die über das Leitsystem und dem Turbinenrad eingeleitete Wärme abzuführen, so daß das turbinenseitige Lager bei höheren Dreh­ zahlen häufig versagte.
• - Infolge fehlender Kühlung ist die Drehzahlfestigkeit des Turbinenrades erheblich gemindert.
• - Die mechanische Verbindung des Turbinen-Leitschaufelsystems mit dem Wellentunnel führt infolge der unvermeidbaren Tem­ peraturdifferenzen zu bleibenden Deformationen der Leit­ schaufel und Dezentrierung des Wellentunnels. Zur Vermei­ dung des Anstreifens der Turbinenschaufeln mußte ein re­ lativ großer Spalt zwischen Gehäuse und Turbinenschaufeln in Kauf genommen werden. Das führt zwangsläufig zu einer unerwünschten Reduzierung des inneren Wirkungsgrades der Turbinenstufe und damit zu einer Begrenzung des Schub- Gewichtsverhältnisses.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegen folgende Pro­ bleme zugrunde:

• - Eine Gasturbine zu schaffen, die zum Antrieb von Flug­ modellen vorzugsweise mit Dieselkraftstoff betrieben wer­ den kann.
• - Die bei stationärem Betrieb wahlweise auch mit gasför­ migen Kraftstoffen, vorzugsweise Propan/Butangas betrie­ ben werden kann, bei Wechsel der Kraftstoffqualität aber keine Umstellungen oder Veränderungen an der Gasturbine erforderlich sind.
• - Als Richtwert für den maximalen Schub sollen etwa 30 N bei einem Schub-Gewichtsverhältnis von mindestens 3 er­ reicht werden.
• - Eine gewerbmäßige Fertigung soll möglich sein.

Diese Probleme werden erfindungsmäßig mit den Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst.

Fig. 1 zeigt ein Schnittbild der Kleingasturbine in ver­ einfachter Darstellung gemäß Anspruch 1. Durch die Anwen­ dung eines Verdichterrades mit Deckscheibe (1) und rück­ wärts gekrümmten Schaufeln (2) werden folgende Vorteile erzielt: Der innere Wirkungsgrad der Verdichterstufe ist sehr hoch bei minimalem Aufwand am Leitsystem. Das Axial­ spiel des gedeckten Verdichterrades ist relativ unkritisch. Das rückwärts gekrümmte Rad wirkt beim Anblasen mittels Druckluft bereits als Turbine, so daß bereits ein kleines Gebläse mit weniger als 20 W Antriebsleistung zum Anlassen der Kleingasturbine ausreicht. Die Wahl einer größeren Schaufelhöhe am Radeintritt ergibt auch bei hohem Luft­ durchsatz einen guten Stufenwirkungsgrad.

Bei den bekannten Kleingasturbinen mit halboffenen Ver­ dichterrädern muß dagegen ein hoher fertigungstechnischer Aufwand bei der konturgenauen Anpassung der Deckelinnen­ seite an die Laufschaufeln betrieben werden und gleich­ zeitig ist nur ein sehr geringes axiales Lagerspiel zu­ lässig.

Besonders problematisch ist die wärmetechnische und me­ chanische Entkopplung des turbinenseitigen Lagers (9), dies ist erfindungsmäß gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß zwischen den Leitschaufeln (4) und dem Strömungskör­ per (6) ein kleiner Spalt vorgesehen ist und eine direkte mechanische Verbindung des Ringes (7) mit den Wellentun­ nel (8) verhindert wird und in diesem Bereich Kühlluft um das Lager (9) geführt wird, die anschließend den zentralen Teil des Turbinenrades (5) kühlt.

Im Hinblick auf eine rationelle Fertigung wird die innere Begrenzung der Brennkammer der Kegelstumpf (16) gleichzei­ tig zur Kühlluftführung für die Teile (6), (7), (9) ge­ nutzt.

Besonders problematisch und bisher bei Kleingasturbinen in dieser Weise noch nicht gelöst ist die Verbrennung von Flüs­ sigen Kraftstoffen in einer verhältnismäßig kleinen Brenn­ kammer. Bei Kleingasturbinen vergleichbarer Größe z. B. für den Einsatz zum Anlassen von großen Turbo-Luftstrahltrieb­ werken werden vorzugsweise Reversions-Ringbrennkammern, oder auch scheibenförmige Brennkammern verwendet. Beide Baufor­ men würden aber die Masse und das Volumen einer Kleingas­ turbine insbesondere zum Antrieb von Flugmodellen ungünstig heraufsetzen. Das Problem ist erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß der Kegelstumpf (16) in Verbindung mit dem Außenteil (15) einen sich in Strömungsrichtung erweiternden Querschnitt bildet, das zu einer Stabilisierung der Flammenfront in der Brenn­ kammer auch bei schnellem Lastwechsel bei Änderung der Kraft­ stoffdisierung führt. Experimentell wurde gefunden, daß die Anordnung der Öffnungen (19), (20) und (21) gemäß Anspruch, eine stabile Flammenführung im Brennraum gewährleistet. Daneben ist eine gleichmäßige radialsymetrische Temperatur­ verteilung für die Beaufschlagung der Turbinenstufe für eine zuverlässige Arbeitsweise unerläßlich. Dieses Problem wurde erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß der ringförmige Ver­ teiler (23) für den Kraftstoff in die Ecke, gebildet aus dem Kegelstumpf (16) und dem Übergangsteil (17) plaziert wurde, wobei diese Ecke vorteilhaft etwa halbkreisförmig gerundet wird. Bei anderen Plazierungen des Verteilers im Brennraum kommt es infolge der Umströmung mit Heißgas und gleichzei­ tiger Abströmung von verdampften Kraftstoff durch die Boh­ rungen (24) zu einer asymmetrischen Temperaturverteilung des Verteilerringes und infolge dessen zu asymmetrischem Aus­ strömen von verdampften Kraftstoff, das wiederum zu un­ gleichmäßiger Temperaturverteilung an der Turbinenstufe führt.

Die Ausweitung mit drallerzeugenden Luftschlitzen nach An­ spruch 2 sowie die Deformation der Öffnungen (19) nach An­ spruch 7 zu drallerzeugenden Luftöffnungen begünstigt die Gleichverteilung und den Ausbrand des verdampften Kraft­ stoffes im Brennraum.

Die Verdampferwendel (22) und der Verteilerring (23) können kostengünstig aus einem einzigen Rohrstück aus warm­ festem Material gefertigt werden. Die Einschnürungen (26) ge­ mäß Anspruch 3 begünstigen den Wärmeübergang von der Ver­ dampferwendel auf den durchströmenden Kraftstoff. Durch die Einschnürungen wird die laminare Strömung innerhalb des Rohres zur Turbulenz gezwungen, was den Wärmeübergang auf den Kraftstoff begünstigt. Der gleiche Effekt wird durch das Einbringen einer metallischen Perlenkette gemäß An­ spruch 4 erreicht. Im letzten Fall erübrigt sich das Ein­ schnüren des Rohres.

Die Luftklappen (27) gemäß Anspruch 5 erlauben eine Fein­ einstellung des Temperaturgradienten in radialer Richtung an der Turbinenstufe.

Fig. 2 und 3 zeigt schematisch die Anordnung der Boh­ rungen (24) für den Kraftstoffdampf aus dem Verteilerring (23).

Fig. 4 und 5 verdeutlicht die Anordnung der Klappen (27) im Außenteil (15). Die Einstellung der Klappen erfolgt durch mehr oder minder starkes Aufbiegen, verzugsweise in Richtung Brennkammer-Innenraum.

Fig. 6 und 7 zeigt stark vergrößert eine einzelne zur Drallerzeugung deformierte Öffnung (19) im Kegelstumpf (16).

Fig. 8 zeigt annähernd maßstabgerecht die Schlitze (25) im Übergangsteil (17), Fig. 9 zeigt einen vergrößerten Schnitt im Bereich eines Schlitzes.

Fig. 10 zeigt annähernd maßstabgerecht einen Abschnitt der Verdampferwendel (22) mit Einschnürungen (26) gemäß Anspruch 3.

Claims (7)

1. Kleingasturbine, insbesondere zum Antrieb von Flugmo­ dellen mit folgenden Merkmalen:

• - Das Verdichterlaufrad ist mit Deckscheibe (1) und rück­ wärts gekrümmten Schaufeln 2 ausgerüstet, wobei die Schaufelhöhe am Eintritt mindestens um den Faktor 1,5 höher ist als am Austritt.
• - Das Gehäuse (3) ist flaschenförmig, bei dem im Über­ gangsteil zum engsten Durchmesser die Leitschaufeln (4) für die Turbinenstufe integriert sind und im engsten Teil ein Axialturbinenrad (5) zentriert ist.
• - Der wellenseitige Abschluß der Turbinenleitschaufeln wird durch einen dünnwandigen Strömungskörper (6), dessen Durchmesser um 0,1 bis 0,2 mm kleiner ist als der Fußkreisdurchmesser der Leitschaufeln gebildet. Der Strömungskörper trägt auf der Innenfläche einen konzentrisch gebohrten Ring (7), durch den das tur­ binenseitige Ende des Wellentunnels (8) mit dem Wälz- Lager (9) herausragt. Der Außendurchmesser des Wellen­ tunnels ist an dieser Stelle um 0,5 bis 1 mm geringer als die Bohrung des Ringes (7).
• - Der Wellentunnel (8) wird mindestens über drei radial­ symmetrische Streben (10) mit dem Gehäuse (3) verbun­ den, wobei diese Verbindungsstelle als Schraubverbin­ dung (11) gleichzeitig die Verbindung des verdichter­ seitigen Deckels (12) mit dem Gehäuse (3) wirkt.
• - Das verdichterseitige Ende des Wellentunnels (8) wirkt als Zentrierung des radialsymmetrischen Leitschaufel­ trägers (13), wobei die zentrale Stufenbohrung des Leitschaufelträgers als axiale Sicherung für das vor­ dere Lager wirkt und über die Schraubverbindung (14) mit den Streben (10) verbunden ist.
• - Der Brenn- und Mischraum wird gebildet aus einem zur Drehachse der Turbine rotationssymmetrischen zylindri­ schen Außenteil (15) sowie einem an beiden Kreisflä­ chen offenen dünnwandigen Kegelstumpf (16), dessen größerer Durchmesser vorzugsweise das 0,7-fache des Innendurchmessers des Außenteiles (15) beträgt, und an dieser Stelle mit dem Übergangsteil (17) den vor­ deren Abschluß des Brennraumes bildet, während der tur­ binenseitige Abschluß durch den sich verjüngenden Teil des Gehäuses (3) mit Hilfe der Kraft von mindestens zwei Federelementen (18) die axial auf das Übergangs­ teil (17) wirken, erzwungen wird.
• - Die Luftführung in den Brenn- und Mischraum führt über­ wiegend durch Öffnungen (19), (20), (21) durch die Man­ telfläche des Kegelstumpfes (16), während ein kleinerer Teil des Luftstromes durch den Ringspalt zwischen dem kleineren Durchmesser des Kegelstumpfes und dem Außen­ durchmesser des Wellentunnels geführt wird, der auf dem Spalt zwischen dem gebohrten Ring (7) und dem Wellentun­ nel gerichtet ist, wobei die Querschnitte dieser Spalte so bemessen sind, daß der Hauptteil dieses Luftstromes in Richtung Brennraum strömt.
• - Die Vorrichtung zur Aufbereitung des Kraftstoffes besteht aus der aus einem Rohr geformten Verdampferwendel (22), die allseitig umströmt ist, deren kaltes Ende durch das Übergangsteil (17) hindurchgeführt ist und dessen heißes Ende zu einem ringförmigen Verteiler (23) geformt ist und der in der Ecke, gebildet aus dem Kegelstumpf (16) und Übergangsteil (17), plaziert ist und der Vertei­ ler (23) mit Bohrungen (24) ausgerüstet ist.

2. Kleingasturbine nach Anspruch 1, bei der der Übergangs­ teil (17) des Brennraumes mit drallerzeugenden Luft­ schlitzen (25) ausgerüstet ist.

3. Kleingasturbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Quer­ schnitt der Verdampferwendel (22) in Abständen von 1 bis 2 cm durch Einschnürungen (26) vielfach geändert wird.

4. Kleingasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der in die Verdampferwendel (22) eine metallische Per­ lenkette eingeführt ist, deren Perlendurchmesser etwas geringer ist als der Innendurchmesser der Verdampferwendel.

5. Kleingasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Außenteil (15) des Brennraumes mit einstell­ baren Luftklappen (27) ausgerüstet ist.

6. Kleingasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Hinterkante des Außenteiles (15) mit Luftschlit­ zen (28) ausgerüstet ist.

7. Kleingasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Öffnungen (19) im vorderen Teil des Kegelstumpfes (16) so deformiert werden, daß die durchströmende Luft im Brennraum einen Drall erfährt.