DE9203776U1 - Kleingasturbine, insbesondere zum Antrieb von Flugmodellen - Google Patents

Kleingasturbine, insbesondere zum Antrieb von Flugmodellen

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Description

Beschreibung
Kleingasturbine,insbesondere zum Antrieb von Flugmodellen
Eine Kleingasturbine speziell für den Antrieb von Flugmodellen wird erstmals von der Firma JPX-ZI Nord, F-72320
Vibraye gefertigt. Dieses Triebwerk arbeitet wie fast alle Kleingasturbinen mit einstufigem Verdichterrad mit radial
endenden Schaufeln ohne Deckscheibe und radialer Turbinenstufe. Zum Flugbetrieb benötigt es verflüssigtes Propan
als Kraftstoff aus einem Drucktank mit spezieller Regelvorrichtung .
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 erfordert erheblichen sicherheitstechnischen Aufwand.
Eine andere Entwicklung wurde vom Anmelder mehrfach vorgestellt. Nach dem letzten Stande der Veröffentlichungen ist die als"Strahlturbine FD3" bezeichnete Gasturbine durch folgende technische Merkmale gekennzeichnet:
Als Kraftstoff für den Flugbetrieb wird Diesel oder ein Gemisch 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
wendeiförmigen 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 Handwerk, 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 türbinenseitige Lager bei höheren Drehzahlen 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 Temperaturdifferenzen zu bleibenden Deformationen der Leitschaufel und Dezentrierung des Wellentunnels. Zur Vermeidung des Anstreifens der Turbinenschaufeln mußte ein relativ 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 angegeben Erfindung liegen folgende Probleme zugrunde:
- Eine Gasturbine zu schaffen, die zum Antrieb von Flugmodellen vorzugsweise mit Dieselkraftstoff betrieben werden kann.
- Die bei stationärem Betrieb wahlweise auch mit gasförmigen Kraftstoffen, vorzugsweise Propan/Butangas betrieben 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 erreicht werden.
- Eine gewerbmäßige Fertigung soll möglich sein. 75
Diese Probleme werden erfindungsmäßig mit den Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst.
Figur 1 zeigt ein Schnittbild der Kleingasturbine in vereinfachter Darstellung gemäß Anspruch 1. Durch die Anwendung eines Verdichterrades mit Deckscheibe (I) und rückwärts gekrümmten Schaufeln (2) werden folgende Vorteile erzielt: Der innere Wirkungsgrad der Verdichterstufe ist sehr hoch bei minimalem Aufwand am Leitsystem. Das Axialspiel 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 Luftdurchsatz einen guten Stufenwirkungsgrad.
Bei den bekannten Kleingasturbinen mit halboffenen Verdichterrädern muß dagegen ein hoher fertigungstechnischer Aufwand bei der konturgenauen Anpassung der Deckelinnenseite an die Laufschaufeln betrieben werden und gleichzeitig ist nur ein sehr geringes axiales Lagerspiel zulässig .
Besonders problematisch ist die wärmetechnische und mechanische Entkopplung des türbinenseitigen Lagers (9), dies ist erfindungsmäß gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß zwischen den Leitschaufeln (4) und dem Strömungskörper (6) ein kleiner Spalt vorgesehen ist und eine direkte mechanische Verbindung des Ringes (7) mit den Wellentunnel (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) gleichzeitig zur Kühlluftführung für die Teile (6), (7), (9) genutzt.
Besonders problematisch und bisher bei Kleingasturbinen in dieser Weise noch nicht gelöst ist die Verbrennung von flüssigen Kraftstoffen in einer verhältnismäßig kleinen Brennkammer. Bei Kleingasturbinen vergleichbarer Größe z.B. für den Einsatz zum Anlassen von großen Türbo-LuftsOahltriebwerken werden vorzugsweise Reversions-Ringbrennkammern,oder auch scheibenförmige Brennkammern verwendet.. Beide Bauformen würden aber die Masse und das Volumen einer Kleingasturbine 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 Brennkammer auch bei schnellem Lastwechsel bei Änderung der Kraftstoff disierung 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 Temperaturverteilung für die Beaufschlagung der Turbinenstufe für eine zuverlässige Arbeitsweise unerläßlich. Dieses Problem wurde erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß der ringförmige Verteiler (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 gleichzeitiger Abströmung von verdampften Kraftstoff durch die Bohrungen (24) zu einer asymmetrischen Temperaturverteilung des Verteilerringes und infolge dessen zu asymmetrischem Ausströmen von verdampften Kraftstoff, das wiederum zu un-
gleichmäßiger Temperaturverteilung an der Turbinenstufe
führt.
Die Ausweitung mit drallerzeugenden Luftschlitzen nach Anspruch 2 sowie die Deformation der Öffnungen (19) nach Anspruch 7 zu drallerzeugenden Luftöffnungen begünstigt die Gleichverteilung und den Ausbrand des verdampften Kraftstoffes im Brennraum.
Die Verdampferwendel (22) und der Verteilerring (23)
können kostengünstig aus einem einzigen Rohrstück aus warmfestem Material gefertigt werden. Die Einschnürungen (26) gemäß Anspruch 3 begünstigen den Wärmeübergang von der Verdampferwendel 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 Anspruch 4 erreicht. Im letzten Fall erübrigt sich das Einschnüren des Rohres.
Die Luftklappen (27) gemäß Anspruch 5 erlauben eine Feineinstellung des Temperaturgradienten in radialer Richtung an der Turbinenstufe.
Figur 2 und 3 zeigt schematisch die Anordnung der Bohrungen (24) für den Kraftstoffdampf aus dem Verteilerring (23).
Figur 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.
Figur 6 und 7 zeigt stark vergrößert eine einzelne zur
Drallerzeugung deformierte Öffnung (19) im Kegelstumpf (16).
Figur 8 zeigt annähernd maßstabgerecht die Schlitze (25) im Übergangsteil (17), Figur 9 zeigt einen vergrößerten Schnitt im Bereich eines Schlitzes.
Figur 10 zeigt annähernd maßstabgerecht einen Abschnitt der Verdampferwendel (22) mit Einschnürungen (26) gemäß Anspruch 3.

Claims (7)

Schutzansprüche
1. Kleingasturbine, insbesondere zum Antrieb von Flugmodellen mit folgenden Merkmalen:
- Das Verdichterlauf rad ist mit Deckscheibe (1) und rückwärts 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 Übergangsteil 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 turbinenseitige Ende des Wellentunnels (8) mit dem Wälz-Lager (9) herausragt. Der Außendurchmesser des Wellentunnels ist an dieser Stelle um 0,5 bis 1 mm geringer als die Bohrung des Ringes (7).
- Der Wellentunnel (8) wird mindestens über drei radialsymmetrische Streben (10) mit dem Gehäuse (3) verbunden, wobei diese Verbindungsstelle als Schraubverbindung (11) gleichzeitig die Verbindung des verdichterseitigen Deckels (12) mit dem Gehäuse (3) wirkt.
- Das verdichterseitige Ende des Wellentunnels (8) wirkt als Zentrierung des radialsymmetrischen Leitschaufelträgers (13), wobei die zentrale Stufenbohrung des Leitschaufelträgers als axiale Sicherung für das vordere 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 zylindrisehen Außenteil (15) sowie einem an beiden Kreisflächen 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 vorderen Abschluß des Brennraumes bildet, während der turbinenseitige Abschluß durch den sich verjüngenden Teil des Gehäuses (3) mit Hilfe der Kraft von mindestens zwei Federelementen{18) die axial auf das Übergangsteil (17) wirken, erzwungen wird.
- Die Luftführung in den Brenn- und Mischraum führt überwiegend durch Öffnungen (19), (20),(21) durch die Mantelfläche des Kegelstumpfes (16), während ein kleinerer Teil des Luftstromes durch den Ringspalt zwischen dem kleineren Durchmesser des Kegelstumpfes und dem Außendurchmesser des Wellentunnels geführt wird, der auf dem Spalt zwischen dem gebohrten Ring (7) und dem Wellentunnel 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 Verteiler (23) mit Bohrungen (24) ausgerüstet ist.
2. Kleingasturbine nach Anspruch 1, bei der der Übergangsteil (17) des Brennraumes mit drallerzeugenden Luftschlitzen (25) ausgerüstet ist.
3. Kleingasturbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Querschnitt der Verdampferwendel (22) in Abständen von 1 bis 2 cm durch Einschnürungen (26) vielfach geändert wird.
A. Kleingasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der in die Verdampferwendel (22) eine metallische Perlenkette 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 einstellbaren Luftklappen (27) ausgerüstet ist.
6. Kleingasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Hinterkante des Außenteiles (15) mit Luftschlitzen (28) ausgerüstet ist.
7. Kleingasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Öffnungen (19) im vorderen Teil des Kegalstumpf es (16) so deformiert werden, daß die durchströmende Luft im Brennraum einen Drall erfährt.
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