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Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenrad für ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk für Luftfahrzeuge, insbesondere für Modellflugzeuge bzw. Drohnen (unbemannte militärische Flugkörper).
Ein Turbinenrad hat in einem Strahltriebwerk die Aufgabe, einen Teil der Leistung des aus der Brennkammer und durch den Stator kommenden Frischgases in eine Drehbewegung/Wellenleistung umzusetzen. Ein axiales Turbinenrad besteht üblicherweise aus einer Scheibe, die von einem Schaufelkranz, der aus gekrümmten Turbinenschaufeln besteht, umgeben ist.
Die Scheibe kann einfach oder mehrfach durchbohrt sein, um eine Verbindung mit der Welle des Triebwerks herstellen zu können. Das Turbinenrad ist ein höchstbeanspruchter Bauteil, es muss in obgenannten Triebwerken Drehzahlen von über 100. 000 U/min bei Schaufeltemperaturen von bis zu 700 C dauerhaft standhalten können. Die Fliehkraftbelastungen auf Schaufelfuss und Scheibe sind daher sehr hoch.
Diesen Belastungen bei hohen Temperaturen können nur hochwarmfeste Stähle wie z. B. Chromnickel-oder Chromnickelkobaltstähle standhalten. Auch muss der Konstrukteur die richtige Dimensionierung und Formgebung von Scheibe und Schaufel wählen, um einerseits einen hohen Wirkungsgrad des Turbinenrades zu erreichen, andererseits aber die hohen Spannungen im Material, die durch die hohen Zentrifugalkräfte auftreten, auf einem annehmbaren Wert zu halten.
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Durch die Gegebenheit, hochwarmfeste Stähle verwenden zu müssen, die sich schlecht mechanisch bearbeiten lassen, gestaltet sich die Herstellung der Turbinenräder überaus schwierig.
Bisher wurden Turbinenräder für obgenannte Triebwerke oft aus hochwarmfestem Blech gesägt, wobei dann die Formgebung der Schaufeln durch Verbiegen/Verdrehen und Beschleifen händisch erreicht wurde (Schreckling, Kurt : Strahlturbine, Baden-Baden, 1994, Kamps, Thomas : Modellstrahltriebwerke, Baden-Baden 1995).
Der Wirkungsgrad dieser Turbinenräder ist mässig, da es meist an Genauigkeit der Formgebung der Schaufeln und ausreichender Schaufelumlenkung des Luftstromes, vor allem im Schaufelfuss, fehlt.
Eine ander Möglichkeit der Fertigung besteht, diese Turbinenräder im Wachsausschmelzverfahren aus hochwarmfestem Stahl zu giessen. Dabei lässt sich eine günstige Schaufelform mit hoher Umlenkung erreichen, also ein Turbinenrad mit hohem Wirkungsgrad herstellen. Problematisch sind aber Einschlüsse im Material, die beim Giessen, oder Risse, die beim Erstarren und Abkühlen dieser kleinen Turbinenräder mit dünnen Schaufeln auftreten können. Diese Herstellung ist daher mit sehr aufwendigen Endkontrollen (zerstörungsfreie Materialuntersuchung auf Einschlüsse und Risse) verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben angegebenen Nachteile zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, fizz Turbinenräder für Luftfahrzeuge, insbesondere für Triebwerke von Modellflugzeugen bzw. Drohnen in einem Stück aus hochwarmfesten Stahl spanabhbend gefertigt werden. Hiefür ist eine
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computergesteuerte Fräse erforderlich, die dem letzten Stand der Technik entspricht, da so kleine Abstände zwischen den Turbinenschaufeln dünne Hartmetallfräser, die mit 10-20. 000 Umdrehungen pro Minute arbeiten, notwendig und hochwarmfeste Stähle (wie z. B. Nimonic 90) einen entsprechenden Schnittdruck und eine Kühlung des Werkstückes bei der Bearbeitung erforderlich machen.
Die Vorteile sind ein in Drehzahl und Temperatur hochbelastbares Turbinenrad, da es aus einem Stück besteht, das durch einen hohen Wirkungsgrad, durch entsprechende Schaufelformgebung, besticht und durch die Art der Herstellung aufwendige Endkontrollen, wie Materialuntersuchungen auf Einschlüsse und Risse) weitestgehend überflüssig macht.
Vorteilhaft ist die Scheibe von einem Schaufelkranz, bestehend aus 17 bis 40, vorzugsweise 24, gekrümmten Turbinenschaufeln umgeben. Dadurch wird grundsätzlich ermöglicht, durchströmendem Frischgas, Leistung zu entnehmen und in Drehbewegung/Wellenleistung umzusetzen.
Weiters nimmt in vorteilhafter Weise die Breite des Querschnittes der Scheibe mit zunehmenden Scheibenradius vom Zentrum der Scheibe bis zum Schufelkranz hin ab. Dadurch kann die Materialspannung in der Scheibe, die durch die Zentrifugalkraft vor allem zum Zentrum hin stark zunimmt, gut aufgenommen werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform kann der Schaufeleintritt jeweils abgerundet und der Schaufelaustritt jeweils zugespitzt sein. Dadurch werden die Stossverluste am Schaufeleintritt reduziert und der Schaufelaustritt strömungsgünstig.
Vorteilhaft ist jede Turbinenschaufel so ausgeführt, dass die Skelettlinie des Schaufeleintritts etwa parallel, die Skelettlinie des Schaufelaustritts in einem Winkel Alpha von etwa 53 Grad zur Drehachse des Turbinenrades steht. Dadurch wird eine besonders wirkungsvolle Umlenkung des Frischgasstromes erreicht.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Scheibe einfach oder mehrfach durchbohrt sein. Dadurch ist eine je nach Verwendung variierbare Festigkeit der Verbindung mit der Welle des Triebwerks ermöglicht.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt, die Fig. 1 zeigt das einstückige Turbinenrad mit Schaufelkranz und Scheibe in Seitenansicht, die Fig.
2 das Turbinenrad im Querschnitt und die Fig. 3 eine Turbinenschaufel mit ihrem Eintritt und Austritt in Seitenansicht.
Das Turbinenrad der vorliegenden Erfindung weist einen Schaufelkranz 1 und eine Scheibe 2 auf, wobei es in einem Stück aus hochwannfesten1Stahl gefertigt ist (s. die obigen Ausführungen). Dabei kann der Schaufelkranz aus 17 bis 40, vorzugsweise 24 gekrümmten Turbinenschaufeln la bestehen. Vorzugsweise nimmt die Breite des Querschnitts der Scheibe 2 mit zunehmenden) Scheibenradius vom Zentrum der Scheibe 2 bis zum Schaufelkranz 1 hin ab, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Zweckmässiger weise kann die Scheibe nicht nur mit einer Bohrung, sondern auch mit mehreren Bohrungen versehen sein, wodurch die Festigkeit der Verbindung mit der Welle des Triebwerkes variierbar ist.
Ausserdem kann der Turbinenschaufeleintritt (die Schaufelnase) jeweils abgerundet sein, wobei der Schaufelaustritt (Schaufelende) jeweils zugespitzt ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn jeder Schaufeleintritt in bzw. etwa in Richtung der Drehachse des Turbinenrades und jeder Schaufelaustritt in einem Winkel Alpha von 45 bis 60 Grad, vorzugsweise 53 Grad, zur Richtung der Drehachse des Turbinenrades hin verläuft, wie die Fig. 3 zeigt.
Dadurch sind ein besonders hoher Wirkungsgrad des Turbinenrades und eine einfachere sowie kostengünstigere Herstellung zu erzielen.
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The invention relates to a turbine wheel for a turbine air jet engine for aircraft, in particular for model aircraft or drones (unmanned military missiles).
In a jet engine, a turbine wheel has the task of converting part of the power of the fresh gas coming from the combustion chamber and through the stator into a rotary motion / shaft power. An axial turbine wheel usually consists of a disk which is surrounded by a blade ring which consists of curved turbine blades.
The disk can be drilled through once or several times in order to be able to establish a connection with the shaft of the engine. The turbine wheel is a highly stressed component, it must be able to withstand speeds of over 100,000 rpm at blade temperatures of up to 700 C in the above-mentioned engines. The centrifugal loads on the blade root and disc are therefore very high.
Only high-temperature steels such as B. withstand chrome nickel or chrome nickel cobalt steels. The designer must also choose the correct dimensioning and shaping of the disc and blade in order to achieve a high efficiency of the turbine wheel on the one hand, but on the other hand to keep the high stresses in the material that occur due to the high centrifugal forces at an acceptable value.
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The fact that it is necessary to use high-temperature steels that are difficult to machine mechanically makes the manufacture of the turbine wheels extremely difficult.
So far, turbine wheels for the above-mentioned engines have often been sawn from high-temperature-resistant sheet metal, the shape of the blades then being achieved manually by bending / twisting and grinding (Schreckling, Kurt: jet turbine, Baden-Baden, 1994, Kamps, Thomas: model jet engines, Baden-Baden 1995 ).
The efficiency of these turbine wheels is moderate, since there is usually a lack of accuracy in the shape of the blades and sufficient blade deflection of the air flow, especially in the blade root.
Another possibility of production is to cast these turbine wheels from high-temperature steel using the lost wax process. In this way, a favorable blade shape with high deflection can be achieved, that is, a turbine wheel can be produced with high efficiency. However, inclusions in the material, which occur during casting, or cracks, which can occur when the small turbine wheels solidify and cool down with thin blades, are problematic. This production is therefore associated with very complex final checks (non-destructive material examination for inclusions and cracks).
The object of the present invention is to avoid the disadvantages indicated above. This is achieved by fizz machining turbine wheels for aircraft, in particular for jet aircraft or drone engines, in one piece from high-temperature steel. For this is one
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computer-controlled milling cutter required, which corresponds to the latest state of the art, because such small distances between the turbine blades thin carbide milling cutter, with 10-20. 000 revolutions per minute, necessary and high-temperature steels (such as Nimonic 90) require a corresponding cutting pressure and cooling of the workpiece during machining.
The advantages are a turbine wheel that is highly resilient in terms of speed and temperature, since it consists of one piece that impresses with its high efficiency, appropriate blade shape, and largely eliminates the need for costly final checks (such as material tests for inclusions and cracks).
The disk is advantageously surrounded by a blade ring consisting of 17 to 40, preferably 24, curved turbine blades. This basically enables power to be drawn from fresh gas flowing through and converted into rotary motion / shaft power.
Furthermore, the width of the cross section of the disk advantageously decreases with increasing disk radius from the center of the disk to the shovel ring. As a result, the material tension in the disk, which increases sharply due to the centrifugal force, particularly towards the center, can be absorbed well.
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According to a further embodiment, the blade inlet can each be rounded and the blade outlet can be tapered. As a result, the impact losses at the blade inlet are reduced and the blade outlet is streamlined.
Each turbine blade is advantageously designed such that the skeleton line of the blade inlet is approximately parallel and the skeleton line of the blade outlet is at an angle alpha of approximately 53 degrees to the axis of rotation of the turbine wheel. This results in a particularly effective deflection of the fresh gas flow.
According to a further embodiment, the disk can be drilled through once or several times. This enables a variable strength of the connection with the shaft of the engine, depending on the use.
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In the drawing, an example embodiment of the subject matter of the invention is shown. FIG. 1 shows the one-piece turbine wheel with a blade ring and disk in a side view, and FIG.
2 the turbine wheel in cross section and FIG. 3 a turbine blade with its entry and exit in a side view.
The turbine wheel of the present invention has a blade ring 1 and a disk 2, wherein it is made in one piece from high-strength steel (see the above explanations). The blade ring can consist of 17 to 40, preferably 24 curved turbine blades 1 a. The width of the cross section of the disk 2 preferably decreases with increasing disk radius from the center of the disk 2 to the blade ring 1, as can be seen from FIG. 2.
Appropriately, the disc can be provided not only with one hole, but also with several holes, whereby the strength of the connection to the shaft of the engine can be varied.
In addition, the turbine blade inlet (the blade nose) can each be rounded, the blade outlet (blade end) in each case being tapered. It is advantageous if each blade inlet runs in or approximately in the direction of the axis of rotation of the turbine wheel and each blade outlet at an angle alpha of 45 to 60 degrees, preferably 53 degrees, to the direction of the axis of rotation of the turbine wheel, as shown in FIG. 3 shows.
As a result, a particularly high efficiency of the turbine wheel and a simpler and less expensive production can be achieved.