Modelarski Silnik Turbo- Odrzutowy

5/10/2018 Modelarski Silnik Turbo- Odrzutowy

1/86


2/86


3/86

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung .

2. Physikalische und technologischeGnmdlagen der Strahlturbinefiir Flugmodelle .

2.1 Funktionsprinzip einer einfachenStrahl turbine .

2.2 Der Weg zum Bau einesGasturbinen-Laufers mitAmateurmitteln .

2.3 Das Verbrennungssystcm .2.3.1 Kraftstoffe .2.3.2 Brennkammer und Verdampfer .2.4 Tcmperaturprobleme .2.5 Kiihlung .

3. Antrieb und Flugmodell .Die wesentlichen Untcrschiedezwischen Strahlturbinen- undPropellerantrieb .

3.2 Betrachtung der Krafte am Rug-model! bei typischen Flugphasen ...

3.1

3.2.1 Bodenstart .3.2.2 Steigleistung und

Hochstgeschwindigkeit .3.2.3 Der Looping als typische Kraftfigur3.3 Flugerfahrung mit

Turbostrahlmodel!en .3.3.1 Vorstellung einiger Mode lle .3.3.2 Besondere Eigenschaften von

Turbostrahlmodellen .3.4 Verhalten der Strahlturbine im Rug3.5 Geriiusch .3.6 Empfehlungen zur Auswahl

eines Modells .

4

6

10

10

111616171820

21

21

2222

2323252527282929

4. Berechnungsmethoden zur Aus-legung einer Modell-Strahlturbine

4.1 Geschwindigkeitsdreieck undGeschw in digke itsplan .Auslegung der Turbinenstufe .Auslegung der VerdichterstufeStriimungstechnische Auslegungdes Verdichterrades .Auslegung des Leitsystems .Festigkeit des Verdichterrades .

4.24.34.3.1

4.3.24.3.34.44.4.1

KraftstoffverbrauchBerechnung des Kraftstoff-verbrauchs der FD 3 /64 .Festlcgung der Berriebsparameterzur Optimierung desKraftstoffverbrauchs .

4.4.2

5. Mellgeriite, Melltechnik undAuswertung von Mellergebnissen

5.15.25.35.45.55.65.7

Drehzahlmessung .Druckmessung .Schubmessung .TemperaturmessungenMessungen des Kraftstoffverbrauchs .Drallmessung am Dusenaustritt ....Auswer tung von Mefsergebnissen

6. Sonstiges Zubehiir .6.16.26.36.4

Zundanlagen .Kraftstoffdosiersystem .Tanks .An lafsvorrichtun g en .

6.4.1 Geblase und Druckluft .6.4.2 Elektro-Anlasser .

30

303037

37404142

42

43

444444444 545454 6

48484850505050


4/86

7. Bauanleitung fur die Strahl turbine"FD3/64" .7.1 Aligemeines7.2 Baubeschreibung der Komponentcn7.2.1 Das Rotorsyste rn .7.2.1.1 Die Welle .7.2.1.2 Das Verdichterrad7.2.1.3 Das Turbinenrad .7.2.2 Hilfsvorrichtungen .7.2.3 Innenstruktur .7.2.4 Gehause .7.2.5 Leitschaufelsysteru Turbinenseitemit Turbinengehause .7.2.6 Verbindung des Leitschaufelsysterns

mit dem Gehause .7.2.7 Zentrierung der Innenstruktur7.2.8 Herstellung des Vorderteiles .7.2.9 Brennkammer .7.2.10 Verdampfer .7.2.11 Einbau des Verdampfers in die

Brennkammer 657.2.12 Ringduse 657.3 Endmontage. . . . . . . . . . . . . . . . 657.4 Stuckliste zur Bauanleitung . . . . . . . 677.5 Zeichnungen .

52

525252525357596061616262626364

68

8. Technische Daten derStrahlturbine j.Ff) 3/64" 82

9. Betriebsverhaltenund Bedienungsanleitung 839.1 Folgen bei unkcntrollierter

Krafistoffdosierung .Einflull von Luftdruck und TemperaturAnlassen und Betrieb mitPropaniButan-Gas fur die erstenVersuche .Anlassen und Betrieb mitDiesellBenzin-Gemisch .Wartung .

8687

9.29.3

8384

859.49.5

10. Literaturbinweise . 88

1 1 . Bezugsquellen .. 88

5


5/86

1. EinIeitung

Strahlturbinenantrieb fur Flugmodelle, was ist dasuberhaupt , eine Strahlturbine? "Was hast du da fureinen Motor eingebaut?" Diese Frage hat dcr Verfas-ser mehr als einrnal von erfahrenen Modell-Motor-fliegern gehort. Erwas mehr Kcnntnis druckte im-merhin die Fragc aus: "Wieviel Laufrader sind da inder Trubinc drin?" Sehr selten kam die Fragc naehdem Druckverhaltnis. In diesem Fall war sieher, manhatte einen Profi vor sich. Aile Fragesteller hatten ei-nes gemeinsam, sie wollten wissen, wie denn nun ge-nau dieses Gerat Strahlturbine funktionicrt.Eine Strahlturbine, aueh Turbo-Luftstrahltriebwerkgenannt, erzeugt den Sehubstrahl mit Hilfc einerGasturbine. Gasturbine heillt sic deshalb, weil dasArbeitsmedium Luft gasformig ist. Mit der Moglich-keit, auch gasformigen Kraftstoff zu verwenden, hatdas gar nichts zu tun. In der einfachsten Bauform istdiese Warrnekraftrnaschine bereits ein hochleistungs-fiihiger Flugantrieb. Die Gasturbine wird zur Strahl-turbine, indem man die Nutzenqrgie irn Abgas derTurbine konzentriert, z. B. mit H'ilfe einer Diise. ImPrinzip ist dies aber nieht notwendig.Das erste mit'eine!" Strahlturbine angetriebene Flug-zeug flog erstrnals am 22.8.1939. Es war die He 178.Sie wurde in den Heinkel-Werken gebaut, und vomPiloten Erich Warsitz geflogen. Das revolutionareTricbwerk war die Schiipfung von Dr. Papst vonOhain. Dieses erste Flugzeug mit Turbostrahlantrieberreichte bereits bei seinem Erstflug eine Geschwin-digkeit von 600 kmIh, schneller als aile anderen Pro-pellerflugzeuge der damaligen Zeit, die serienmaJliggebaut wurden. Das Triebwerk war im wahrstenSinnc des Wortes einfach und genial. Ein einzigesVerdichterrad saugt die Luft an, driickt sie in dieBrennkammer, durch Verbrennung von Kraftstoffwird Wiinneenergie zugefuhrt, und durch die Tur-bine als Schubstrahl ins Freie geleitet. Vorher abernimrnt die Turbine gerade sovicl Energic aus demheiBen Gas auf, wie zum Antrieb des Verdichtersnorwcndig. Bei allen modernen Turbojets, Turbo-props, Turbofans und teilweise auch bei Hubschrau-bern ist der eigentliche Antriebsmotor eine nach demhochsten Sta;d der Teehnik enrwickelte Gasturbine,Das einfache Grundprinzip des ersten Triebwerkesvon Dr. Papst von Ohain ist bei den modcrnen Ma-schinen kaurn noch zu erkennen.

6

Der Wunsch nach einer echten Strahlturbine fiirFlugrnodel le ist selbstverstandlich auch bei den vielenvorbildahnlichen Flugrnodcllcn vcrstandlich. DieVerwirklichung cines solchen Triebwcrkes fur diePraxis der Modellfliegerei schien lange Zeit unrnog-lieh z u se in , Ocr mabstabgerechre Nachbau cines mo-derncn Turbostrahltriebwerkes fuhrt mit Sicherheitnicht zu einer funktionsfahigen Modell-Strahltur-bine. Dagegen stehen neben dem extrem hohen Fer-tigungsaufwand vor allem physikalische Gesetzrna-lligkeiten. Die grollen Vorbilder von Turbostrahl-triebwerken sind noch weniger zum funktionsfahigenModellnachbau geeignet als etwa ein groller Doppel-stcrn-Kolbenrnotor. Es ist bekannt, dall kleine Kol-benmotoren in ihrer Leistungsfiihigkeit bezogen aufden Bauaufwand sehr schnell nachlassen, oder erstgar nicht zum Laufen zu bringen sind, wenn man sieimmer weiter verkleinert oder den Hubraum auf vielesehr kleine Zylinder aufteilt. Sie sind durchaus fein-mechanische Schmuckstucke, aber nur fur die Vi-trine. Es gibt bereits einige Modell-Strahlturbinen,die grollen Triebwerken nachempfunden wurden. Siehaben leider nur den Nachteil, daB sie nicht funktio-nieren. Ebenso ist bekannt, dall ein maBstabgerechtverkleinertes Hochleistungs-Flugzeug urn so schlech-ter fliegt, je kleiner der MaBstab gewahlt wird, Trotz-dem gibt es sehr kleine gut fliegende Segler, kleineHochleistungs-Motoren und auch ganz, ganz wenigesehr k1eine Strahlturbinen, die fliegen. Das alles istzugleich auch mit verhaltnisrnaflig wenig technischemAufwand machbar, wenn man die physikalischen Re-geln richtig befolgt. Nur die Regel: maBstabgerechtverkJeinern, dann mull es doch funktionieren, ist lei-der falsch.Leider gibt es bisher keinc Literatur, die besondersauf die Technik und Theorie von Modell-Strahlturbi-nen eingeht. Dieser Mangel, die Erfolge des Verfas-sers sowie die vielen Anfragen gaben den AnlaB zudiesem Berater. Er soli dem am Selbstbau einer Mo-dell-Strahl turbine interessierten Leser die wichtigstentechnologischen und physikalischen Grundlagen ver-mitteln.Bei der Darstellung ist berucksichtigt, daB die Mehr-zahl der Modellbauer weder Ingenieure noch Physi-ker sind. Es erscheint aber notwendig, ein Mindest-mall an physikalisch-technischem Verstandnis fur


6/86

Dieses dutch \\'anneenergie betriebene Turbinenradstand Pate bei det Entwicklung der Modell-Strahlturbine.

dicse i m Mod el lb au revolutionare A ntriebsart zu ver-mitte ln , bevor man e in e Bauan le itung m it den dazu-gehorigen te ch nisc he n Z eich nu ng en praseruiert. 1mKapite l 2 w ird ve rsucht, das Verstandn is ohn e be la-stendes Form elnw erk und ohn e M athem atik zu wek-ken . D em tcchnisch-wissenschaftlich vorbclastetenLese r w ird im Kapite l4 e in e den praktischen Bedurf-n issen de r M ode ll-S trahlturbin e en tsprcchendcTheorie geboten. Dabei w urd e au f w isse nsch aftli-ch en Pcrfe ktion ism us ve rz ichte t. D ie in de r B auan le i-t ung be sch ri cb e n e Strahlturbine ist das Ergebnis eige-ncr En tw icklung , flug e rp robt und ausschlie lllich m itden M itte ln e in e r gu t e in g crichte ten W erkstatt cin e sAm ateurs en tstanden . Trotz alle r denkbaren Vere in -fachun g en ist e in n icht zu unterschatzcnder teehni -scher Aufwand Voraussetzung. Dazu gehort fol-gcnde Ausrustung:I. D rehbank , m indestens 65 mm Spitzcnhohc ,

3 00 mm S pitz en br eite2 . S chw eilsg e ra t fu r S ch utz g assc hw e ib un g en3 . H ar tlo tg e ra t m it S au er sto ffu nte rstu tz un g4 . Prazise Standerbohrmaschine fur Bohrung en zw i-

schen 10 mm 0 bis herab zu 0,5 mm 05. A ile fur d ie M ctallbearbe itung g iin g ig en W erk-

zeuge Yom Boh re r, Feile , Sag e , Ham mer, Zang enebst Mdlwerkzeug

6. M eGgcrate zum Betrieb der Strahlturbine wieDrehzahlmesser, Ternperatur- und Druckrnebge-r at u n d S chubme ls vo rr ic htu n g

D ie B aum ate rialie n sin d dageg en weit w en ig er kost-spie lig . Be i de r Auswahl wurde bewul3t auf d ie allg e -m ein e V erfiig barkcit W ert g e leg t. D ie Stuckliste de r

Bauan le itun g sow ic dcr Bezug sque llcn n achwe is las-sen das klar e rken nen . D ie w ichtig ste V oraussctzun gfur den erfolgreichen Nachbau ist aber die Gcschick-liehke it des H an dw erke rs, Fur bcson de rs expcrirn en -tie rfreudig e Le se r se i drin g end empfohlen , e rst e in -mal allcs zu le sen , bevor sie ihr ersres e igens tandigesExperim en t starten . B ei B cachtun g dcr Bauanle i tungdag eg en ist e s n ieht zw ingcnd e rfordcrlieh , d ie g e -sarn te Theorie vollstandig ve rstanden zu haben . Abe rauch d em g cre ifte n Praktike r w ird em pfohlen , d ieTheorie durchzulesen.D ie e rste B ildcrscrie d okurn en tie rt d ie E ntw icklu ng s-stad ien vorn e rsten Versuchsstad ium bis zur viclfachflu ge rp ro bte n S trah l tu rb in e "FD316-l". E rfr eu lic h ist.daB 311Chande re M ode llbaue r den M ut ge funden ha-ben , ahn lichc Projekte zu srarten . E in e r de r Erfo lg -rcichen ist R e in e r B in czyk . Hohcpunkt war bishe rder g le ie hze ilig e R ug des Strahlturbincn-Modclls vonRe ine r Binczyk und ..Ruion ius" am 24 .8. 1991 bei ci-n em Schauflicg en in Holsterbro/Dancmark.

Der erste Versuchsaufbau zum Nachweis derFunkticnsfahigkeit einer Strahlturbine mit "einfochenMirteln" entstand im April 1989 und lief bereits auseingener Kraft mit Benzin,

Ansicht der Turbinenseite des Versuchsaufbaus. DieWeUe is t aullen gelagert, Das Lager wurde mit 01 undeiner Rohrschlange gekiihlt, Diese Losung hat sich niehtbewahrt, (Foto Reiner Binczyk),

7


7/86

Ansicht des Leitsystems nach Ausbau des Turbinenrades.(Folo Reiner Binczyk).

Die Yerdichterseite nach Offnung des Deckels undausgebaulem Verdichlerrad. Das Gehiiuse hal vierD ilfu so r-A bg iin g e o hn e L e itsc ha ufe ln , D e r Wirlnmgsgraddieses Systems is! gut, Fiir die Anwendung in einerModelJslrahllurbine is! es aber zu sperrig. (Foto ReinerBinczyk)

Blick auf die Turblnenseite der "FD2". Bei laufendem ~Turbinenrad sieht man die I\Ut1e der Turbinenscheibe unddie Schaufeln des Leitsysterns. (Foto Dr, Gerhard Rubin)8

Der Sprung zur Ougriihigen Modell-Slrahllurbine gelangmit der "FDI~' (links) noch nicht, S ic w ar zwarselbstlauffahig, aber bei viel zu hoher Betriebstemperarur.Die Neukonstruktion des Verdichlers mil griilleremCehausedurcbmesser fuhrte zur "FD2".

Die ,,FD2" inder Urversion zerlegt. Die bier gezeigleBrennkamrner und die Welle entsprechen noeh nicht derOugtiiebtigen Ausfiihrung,


8/86

Experirnente mit verschiedenen Turbinenriidem fiihrten zu dem iiberraschenden Ergebnis, daJI die einfache Form iihnlichdem ersten Foto fiir die Belange der Modell-Strahlturbine viillig befriedigend ist,

1 . , 1 " . , . . , . . , . . , , , . . . . . . . , , " " ' . . . . . . . , - ~ ~ , _ . . . . . . . - . - c -. " . . . = .c -'0".,.

Der jiingste Stand der Entwicklung der "FD3164". Das Verdichterrad unterscheidel sich von der erst en ExperimentaIfonnnur durch die Armierung mit KFK, das Turbinenrad ist in der Materialstiirke dicker gewiihlt. Durch Modilikation derRingdiise kann der Standschub optimiert werden.9


9/86

2. Physikalische und technologischeGrundlagen der Strahlturbine fiir F1ugmodeUe

2.1. Das Funktionsprinzip einereinfachen Strahlturbine

Das Herz einer Strahlturbine, die Gasturbine, gehiirtzur Gruppe der luftatmenden Warmekraftrnaschi-ncn, genau wie der Kolbenmotor, das Pulsor-Strahl-triebwerk oder das Staustrahltriebwerk. Sic wandelneinen Teil der Verbrcnnungsenergie des Kraftstoffesin Nutzenergie urn, Die Nutzenergie der StrahJtur-bine steckt voll in der Bewegungsenergie des mit ho-her Geschwindigkcit ausgestofsenen Abgasstrahles,Die Geschwindigkeit, multipliziert mit dem Masse-strom, ergibt den Schub, Die Energieumwandlung inden gcnannten Maschinen ist nur dann moglich,wenn das Arbeitsmedium, hier die Luft, zunachst aufhoheren Druck als der Umgebungsdruck gebrachtwird. Die gcnauc physikalische Erklarung des Pro-zesses ist leider nur durch cinen Ausflug in die Theo-rie der Thermodynamik moglich, der den Rahmendieses Beraters sprengen wiirde. Zur Veranschauli-chung der wciteren Diskussion dient das Schema ei-ner Strahlturbine.Man kann aber ein anschauliches Beispiel nennen,daf es ohne Verdichtung d. h. ohne Kompressionnicht geht, denkt man z. B. an eine defekte Zylinder-kopfdichtung oder an eine rnangelhaft einge-schraubte Gliihkerze eines ModeUmotors. Bei einemKolbenmotor arbeiter der Kolben abwechselnd alsenergieverbrauchender Verdichter und dann wiederals Kraftspender wahrend des Arbeitstaktes. DerMotor lauft aber nur dann selbsttatig weiter, wenn dieEnergieabgabe wahrend des Arbeitstaktes hoher is!als der Energiebedarf zur Verdiehtung und die zu-satzlich verrichtete Arbeit an der Welle mitsamtReibungsverlusten. Vergleichsweise kann die Gas-turbine nur dann selbsttatig weiterlaufcn, wcnn dieWellenarbeit der Turbine g1eich oder grober is! alsdie im gleichen Zeitabschnitt verrichtete Wellenar-beit des Verdichters. Die je Zeiteinheit verrichteteArbcit ist physikalisch die Leistung. Bei einer Ma-schine, die stetig Arbeit verriehtet, kann man deshalbmit gleichem Recht eine Leistungsbetrachtung durch-fuhren,Bei einem Kolbenmotor kennt man irn allgemeinen

10

die Wellenleistung. Aus dieser wird mit Hilfe des Pro-pellers erst Schub produziert. Bei der Strahl turbinespricht man dagegen vom Schub. Ein direkter Ver-gleich vom Schub der Strahlturbine mit der Wellen-leistung eines Kolbenmotors ist so einfach nieht rnog -lich und bedarf noch der Klarung. Dieses Problem istausfuhrlich im Kapitel3 behandelt.wii- wollen zunachst das Verstandnis fur die Wir-kungsweise der Strahlturbine vertiefen. Vcrdichtungund Erzeugung von Wellenleistung erfolgen in derStrahlturbine stetig. Da energiezehrende Verdich-tung und arbeitsleistende Entspannung des Arbeits-mediums Luft nicht gleichzeitig an ein und demselbenOrt vonstatten gehen konnen, sind dazu einzelne Ag-gregate, narnlich die Verdichter- und Turbinenstufeerforderlich. Diese Stufen bestehen jeweils aus einemfeststehenden Leitschaufelsystem, manchmal aueh.Leitrad" gcnannt, sowie den mit einer Welle gekop-pelten Verdichter- und Turbinenrader, Die Bau-gruppe, bestehend aus Welle, Verdichter und Turbi-nenrad, bezeichnet man als Laufer oder Rotor. DieZufuhr der Wiirmeenergie erfolgt in der Brennkam-mer. Sie wird vom gesamten Luftstrom durchstrorntund liegt zwischen Verdichter und Turbinenstufe.Die Brennkammer sclbst ist kein besonders kompli-ziertes Bauteil. Der Gasturbine ist es aueh vollig egal,mit welchem Treibstoff sic gefiittert wird. Die Be-herrschung einer intcnsiven Verbrennung auf klein-stem Raum, wie fur eine praktisch verwendbare Mo-dell-Strahlturbine erforderlich, verursacht aber er-heblichen Versuchsaufwand.Eine gefahrliche Eigenart aller Gasturbinen mullganz besonders beachtet werden. Sie sind niimlich un-ersattliche Futterverwerter. Je mehr sie bekommen,desto hoher steigen Schub, Temperatur und Dreh-zahJ an. Dabei steigt ebenso der Wirkungsgrad derEnergieumsetzung und darnit die Beschleunigung derDrehzahlerhohung. Wird die Kraftstoffzufuhr niehtbegrenzt, so steigt die Drehzahl rasend schnell an, bisirgendein rotierendes Bauteil der Fliehkraftbelastungnicht rnehr standhiilt. Das gilt aueh bei der Anwen-dung der besten Materialien. Das Ergebnis ist dannunweigerlich Turboschrott. Doch auch dieses Pro-blem ist losbar und wird ausfuhrlich behandelt. DieGasturbine mull grundsiitzlich gegen .Durchgehen",


10/86

Schema elner Strahlturbine

J VerdampferK BrennerduseE instr om dus e E Kugel lager L Zent r olkor perAB Rod ia lve rd i ch te rrad F Abgasduse M L eitsch aufe l T urb ineC Welle G Str d rnun gsbe ruh ige r N Le i ts ch aute l Verdichter

0 Turbinenrad H Brennkammer 0 Gehiiuse

wie man das in der Fachsprache nennt, geschiitzt wer-den.Dcr Kleine Unterschied zwischen einer einfachenGasturbine und einer Strahlturbine zeigt sieh amHeck. Jede Gasturbine, die einen geriehteten Abgas-strahl erzeugt, ist bereits cine Strahlturbinc. Zur Vcr-srarkung der Strahlleistung und des Schubcs wird hin-tcr die Turbinenstufc eine Diise gesehaltet. Bei derAnwendung als Rugmodellantrieb braucht in diesemPunkt kein besonders hoher Aufwand getrieben wer-den.Zum Schluf der allgemeinen Betrachtung nochcinige Worte zum Anlassen der Gasturbine. Genauwic cin Kolbcnmotor kann sic nicht aus eigcner Kraftvon Drchzahl 0 aufirgendeine Arbeitsdrehzahl hoch-Iahrcn. Dazu braucht sic ebenfalls die Hilfscnergie ei-nes Anlassers. Sic kann allerdings bereits beim An-Iasscn durchgehen, wenn sie z. B. mit Kraftstoff "ab-~esoffcn" ist. Es ist dcshalb dringend notwcndig, dasKapitel Betriebsanleitung vor den ersten eigenenYcrsuchen griindlieh zu lesen.Auch fiir die Ziindung ist Hilfsenergie erforderlich.D .. die Verbrennung im Gegensatz zum Kolbenrno-tor slctig ablauft, braucht die Ziindung bei der Gas-turt>ine nur einmalig eingeleitet werden. Dies ist das~erinptc aller Gasturbinen-Probleme.

2.2. Der Weg zorn Bau einesGasturbinen-Laufers mitAmateunnitteln

Der Laufer einer jeden Gasturbine ist zweifellos dertechnisch aufwendigsie Tell der gesamten Maschine.Wenn man einen Laufer bauen kann , wird man mitdem Rest der technischen Problerne zweifellos auchfertig. Es ist naheliegend, auf fertige Laufer in Formvon PKW-Turboladem zuruckzugreifen und denRest drumherum zu konstruieren. Diese Laufer be-stehen aus einem halboffenen Verdichterrad mit ra-dialendenden Schaufeln und einem im Prinzip ahn-lieh geforrnren Turbinenrad. Dieser Weg zur Ent-wicklung einer Modell-Strahlturbine funktioniertzweifelIos, sprengt aber mit Sicherheit den Rahmender Moglichkeiten eincr Amateurwerkstatt mit der inder Einleitung aufgelisteten Ausriistung. Die Schwie-rigkeiten liegen vor allem bei der Ausfiihrung einesprazisen Gehauses. Die Konfiguration Gehause -Laufer mil radial wirkendem Verdichter- und Turbi-nenrad ist hochst ernpfindlich in den Toleranzcn inAxialrichtung.

II


11/86

Der Aufwand zur Herstellung cines Gehauses samtL ag crun g zu dern eben ge nan nten Laufer is t mit eini-ger Wahrscheinlichkeit hoher als der irn folgendenbeschriebene Weg. Man mui3 zunachst aile bekann-ten Vorbildcr an Modellstrahlturbinen vergessen,denn es gibt keine , die mit den angegebenen Ama-tcurmitteln gebaut wurde. Folgende praxisorien-tierte, theorctisch gestutzte Versuche und Uberle-gungen haben dann zum Ertolg gefuhrt:1. Die p hy si ka li sc he n Gc se tzma fi ig k ei te n , die bei!;Tol.kn Gasturbincn zur Geltung komrnen , sindgrundsilIzlich auch auf kleine Aggregate anwendbar.Schwier igkei ten machen dabe i n ur die Unsicherhei-ten und die Unbcrechenbarkeit der Verluste oderdessogenannten inneren Wirkungsgrades. Man kannaber rechnerisch zeigen, wie hoch diese Verluste seindurfen, damit cine Gasturbine funktionstiichtig ist.2. Vcrglciche von ahnlichen Aggregaten wie z. B.Modcllflugpropeller und Propeller fur manntragendeFlugzeuge zeigen folgendes Bild: Die besten Wir-kungsgrade der groi3en Propeller liegen bei 85 bis89 %. Eigene Versuche mit Elektroflugmodellen er-gaben Wirkungsgrade fur Modellpropeller von erwa75 %. Aus diescm Zahlenvergleich karin man schlie-i3en, daB der alles entscheidende Wirkungsgrad die"ser Stromungsmaschine trotz des starken Verkleine-rungsmaBstabes gar nicht so drarnatisch abfallt. BeimVergleich der Strornungsvcrhaltnisse an Propellernund Verdichterradern kann man durchaus noch Ahn-lichkeiten erkennen. In beiden Fallen wird die Luft-strornung erst beschleunigt und dann wieder verzo-gert. Beim Verdichterrad mit radial endenden Schau-feln z. B. wird die Luft angesaugt, bei Durchstro-mung durch das Rad infolge der Drehbewegung aufdie Umfangsgeschwindigkeit von rnehr als 200 rnlsbeschleunigt. Dazu wird natiirlich Antriebsleistunggefordert. Ein Teil der Druckerhohung bewirkt dieFliehkraft. Der andere Teil wird dutch Verzogerungder Strornung im Stator des Verdichtersysterns inDruckenergie umgeformt. Es istleider so, dal3 dabeiVerluste von rund 20 % hinzunehmen sind. Hinzukornmen noch die Reibungs- und Spaltverlustc beider Durchstromung des Rades. Es ist prinzipiell un-rnoglich, cine Radial-Verdichtersrufe zu bauen, dieohne diese Verzogerung arbeitet.Es gibt aber Bauformen von radialwirkenden Ver-dichterradern, bei denen dieser mit besonders star-ken Verlusten behaftete Anteil, narnlich durchver-zogerung der Strornung, wenigcr stark in Erschei-nung tritt und die Spaltverluste praktisch vermiedenwerden konnen. Dieses sind Radialriider mit ruck-warts gekrummten Schaufeln und Deckscheibe. Sol"che Rader werden in Luft- und Gasforderanlagen derIndusrrie in allen moglichen Grofsen eingesetzt. Da-bei werden Wirkungsgrade von mehr als 80 % er-reicht, Eine bekannte Anwendung in kleinerer Aus-fuhrung ist z. B. das Saugrad eines Staubsaugcrs.Aber bine jetzt keinen Staubsauger schlachten, urn

12

daraus Turboverdichter bauen zu wollen! Einige Ver-offent l ichungcn des Verfassers wurden so interpre-tie rt, o bw ohl darin nur auf die zufall ige Ahnlichkeitder ersten gelungcnen Strahlturbine FD 2 mit einemStaubsaugcrmotor hingewiesen wurde. Der Verfas-ser versichert an dieser Stelle noch einmal, daB er nie-mals ein Staubsaugerbauteil fur seine Strahlrurbinenverwendet hat.Falls sich bei der Verkleinerung der bei Industrieanla-gen verwendeten Rader auf die MaBe eines fur cineStrahlturbine notwendigen Laufers ebenfalls ahnlichwie bei den Propellem ein nur geringer Verlust anWirkungsgrad zeigt, hat man schon gewonnen. DieseFrane konnte durch Versuche beanrwortet werdcn.D";u wurde eine Modell- Verdichtersrufe gebaut. AlsAntrieb diente ein Hochleistungs-Elektromotor. Ausdem Wirkungsgrad des Motors, seiner Leistungsauf-nahme und Druckrnessung an kalibrierten Dusenhinter der Verdichterstufe lilJ3t sich sowohl derenWirkungsgrad als auch die Kennlinie mit ausreichen-der Genauigkeit ermitteln. Die Ergebnisse sind er-rnutigend. Der beste Wirkungsgrad dieser kleinenVerdichterrader liegt bei 75 %, d. h. nur 25 % derWel1enleistung geht verloren. Die Berechnungs-grundlagen, wie sie in der Fachliteraturz. B. bei Bohl(1) recht ausfiihrlich beschrieben sind, lassen sichsehr gut auch fur kJeine Verdichterrader anwenden,Die Kennlinie des Verdichters ist wie bei den grollenVerdichtern vorteilhaft unkritiseh. Das bedeutet, diebeim Lasrwechsel im praktischen Betrieb auftreten-den Strornungsanderungen der gesamten Gasturbinewirken sich nicht nachteilig auf das Betricbsverhaltenaus. Darnit ist ein sehr stabiles Betriebsverhalten zuerwarten. Die Anpassung vom Leitsystern an dasLaufrad ist bei ruckwartsgekrummten Radern eben-falls recht unkritisch.Der Vollstandigkeit halber mull gesagt werden, daBder Antriebsmotor bei den Versuchen nur Drehzah-len bis ca. 20000 U/min gestattete. Das ist so etwa dieLeerlaufdrehzahl der Strahlturbine, Nach den Re-geln der Strornungslehre ist aber zu erwarten, dal3 derAnteil der Stromungsverluste im VerhiiJtnis zur Nutz-arbeit mit steigender Drehzahl und Luftdurchsatz ge-ringer wird. Ahnliche Effekte kennt man Z. B. auchbeim Rug von Modellen bei hoheren und niederenGeschwindigkeiten. Die Ursache liegt darin, dal3 beihoheren Geschwindigkeiten die sogcnannten Rey-noldszahlen steigen. Darnit fiiUt allgemein der Rei-bungsanteil am gesamten Luftwiderstand.Das Verdichterrad mit Deckscheibe hat einen fur un-sere Praxis sehr wichtigen konstruktiven VOI1eil.Man braucht es nicht mit eng toleriertem Axialspielim Gehause zu fuhren, wie es bei den halboffenenVerdichterradern aus Turboladern zwingend not-wendig ist. Bei dem letztgenannten wiirden sonst dieSpaltverluste den Wirkungsgrad sehr stark ver-schlechtern. Damit ware eine funktionsfahigc Mo-dellstrahlturbine nieht mehr realisierbar.

j


12/86

D er cin zig e Nachteil durch die Ruckwartskrurnrnungliegt darin, dal.l das Rad einen grofieren Durchmesserhaben mul.l als ein solches mit radial endenden Schau-fcln. Das bedeutet: FUr die gleiche Verdichterarbeitbei gegebcnem Durchflul.l und Drehzahl mull dasruckwartsgckrurnmte Rad auf hohere Drehzahlfe-stigkeit ausgelegt se in . Die p ra ktisc he E ntw ick lu nghat gezeigt, dall durch Armierung mit Kohlefaser undGrundwerkstoff Sperrholz ein fur die Belange derModellstrahlturbine notwendiges Mal.l an Drehzahl-festigkeit erreicht werdcn kann . Das Herstellungs-verfahren ist in der Bauanleitung ausfuhrlich be-schrieben. Diese Technik fuhrt zu sehr leiehten Ra-dern. Das erleiehtert erheblieh die Abstimmung derWelle und der Lager ebenso, wie das fur einen ruhi-gen Lauf der Gasturbinc unerlalllichc Auswuchtcn,Bleibt noch die Frage zu beantworten: Warum wirdkein Axialverdichtcr verwendct? Eine Antwort ist furdie eehten Praktiker sehr schnell zu geben: Versu-chen Sic es mal! Eine e tw as ausfuhr liche re A ntw ortohne gleieh mit grollem Forrnclzauber loszulegen, istfolgende: Die selben physikalischen und rnathernati-schen Rege ln , die so gut mit der Praxis des kleinenVerdichterrades mit ruckwarts gekrurnrnten Schau-feln zusarnmenpassen, fiihrt zu dem Ergebnis, dal.lein von der Leistung vergleichbarer Axialverdichtermindestens 4stufig ausgefuhrt werden mul.l. Das be-deutet den Bau von 4 Laufradem und 4 Leitsyste-men. Ein besserer Wirkungsgrad gegeniiber dem Ra-dialverdichter wie bei Groi3verdichtem erwicsen, istwegen der k1einen Reynoldszahlen an den Schaufelnnicht zu erwarten. Es gibt auch bei professionell ge-fertigten Kleinst-Gasturbinen, die in etwa unsererStrahl turbine vergleichbar sind, keine einzige mitAxialverdichtersrufe. Messungen des Verfassers ancinem k1einen Axialverdichter zeigten eindeutigschlechtere Wirkungsgrade als beim Radialverdich-ter.Betrachten wir jetzt die Probleme an dem im wahr-sten Sinne des Wortes heillen Ende des Laufers, derTurbinenseite. Die Wahl eines Turbinenrades mitaxialer Durchstrornung vermeidet von vorne hereineinige Probleme hinsichtlich der Gehausekonstruk-tion. Es muG narnlich nur gut zentriert im Gehauselaufen mit einem unvermeidlichen Spalt zur Gehau-sewand. Das Axialspicl ist hier vollig unerheblich.Auch der Abstand zwischen dem Leitsystem unddem Turbinenrad hat keinen nennenswerten Einflul.lauf den Wirkungsgrad der Turbinenstufe. Die Auf-gabe des Turbinenrades ist es, einen Teil des durchWarrnezufuhr erhohten Arbeitsvermogens der ver-dichteten Luft in Arbeitsleitung fur das Verdiehter-rad umzuformen. Der Rest soli moglichst unge-schwacht als Strahlenergie zur Erzeugung des Abgas-strahles durchgelassen werden. Letzteres macht ei-gentlich jede luftbetriebene Gasturbine fast von al-leine richtig. Fiir den Modellbedarf braucht man dakaum nachzuhelfen,

Das Hauptproblern beim Turbinenrad liegt in derFliehkraftbelastung bei gleichzeitig hoher Betriebs-tcmperatur. Es ist einleuchtend , dal.l mit steigendcrDrehzahl auch die Leistung sehr stark ansteigt, sogarsteiler als die Drehzahl selbst. Aber irgendwannkommt das Turbinenrad derart in Strei3, dall es imwahrsten Sinne des Wortes auJ3cr Facon gerat. Pro-fcssioncll gefertigte Kleingasrurbinenrader werdcndeshalb aus hochwarmfesten Legierungen im Prazi-sionsgul3verfahren hergestellt. Weder das Materialnoch das Fertigungsverfahren sind Amateurmittel,ebensowenig wie Funkenerodieren oder Frasen mitCNC-Maschinen,Trotzdem ist die Saehe nieht hoffnungslos, wenn manauf die vorhin g enann ten M itte l ve rz ichten muJ3.Wichtig ist vor allern , dall man die AufgabenstellungModellstrahlturbine nicht aus den Augen verliert.Ein Ergebnis aus Kapitel 4 , I sei hier vorwcggenom-men, Die notwcndige Betriebstemperatur an denSehaufeln mufs langst nicht so hoch se in , w ie man dasvon professionellen Strahlturbinen her kennt. Bei un-serer Turbine komrnt man mit Temperaturen an denSchaufeln von etwa 600 C gut zurecht. Dureh ge-schickte Kiihlluftfiihrung Bil.lt sich die Ternperaturder Turbinenscheibe und an den hochbelastetenUbergangcn zu den Schaufeln noch erheblich niedri-ger halten. Fur Material ien wie Holz , Aluminiumund ahnlichern ist das natiirlieh irnrner noch viel zuhciu. Auch normaler sowie niedrig legierter Baustahlverliert bei Temperaturen oberhalb 400 C bereits so-viel an Festigkeit , daB er bei den n otw e nd ig h oh enDrehzahlen den F1iehkraftbelastungen nicht mehrgewachsen ist. Ein besseres Mai3 fur die Fliehkraftbe-lastung is t die Umfangsgeschwindigkeit des rotieren-den Korpers, Geometrisch ahnliche, aber unter-schiedlich groi3e Korper haben dann die gleicheFliehkraftbelastung, wenn deren Umfangsgeschwin-digkeiten gleich grol.l sind.Als brauchbarer Werkstoff fur das Turbinenrad istz, B, Chrom-Nickelstahl auch unter dem NamenV 2A, V 4A oder Rernanit bckannt. Noch etwas bes-ser sind Chrorn-Nickelstahle mit einem Zusatz vonMolybdan. Diese Werkstoffe werden in Schlosse-reien und besonders in Werkstatten, die mit Feue-rungsbau zu tun haben, in verschiedcnen Starken ver-wendel. Die Beschaffung von Abfallstiicken, wahr-scheinlich aucb bei Schrotthandlem, durfte kein Pro-blem sein. Damit ware das groi3te Beschaffungspro-blem fur die Materialien der Modell-Strahlturbine ge-lost.Wenden wir uns der Formgebung zu, Die letztge-nann ten Materialien lassen sich mit handelsublichcnHSS-Werkzeugen gut spanabhebend bearbeiten,also bohren, sagen, feilen, drehen und schleifen so-wie ebensogut biegen. Weiterhin lassen sie sich gutschutzgasschweil.len und hartloten,Bevor man sich auf eine aufwendige Werkelei ein-lal.lt, ist es wichtig zu wissen, ob uberhaupt Aussicht

13


13/86

auf Erfolg besteht. Hier ist es die Frage nach der Fer-tigung cines brauchbaren Turbinenradcs, ohne ersteine vollstandige Gasturbine bauen zu rnussen. Zudiesern Zweck wurden Versuche gemacht, mit demZiel herauszufindcn, inwieweit man ein Turbinenradfcrtiaunastcchnisch vercinfachen kann und es den-noch ei~cn genugend guten Wirkungsgrad fur cineStrahl turbine behalt. Nach den vorausgegangenenVersuchcn mit dem Miniatur-Verdiehterrad und dendarauf basierenden Bercchnungen war der Wir-kungsgrad der Turbincnstufe der letzte Unsicher-heitsfaktor, den man nicht anders als eben durch Ver-suche zu e in cr v er la fslic he n Rcehengri:ifle wandclnkonnte.Eine weitere allgemeine Erkenntnis der Strornungs-lehrc war hier sehr forderlich. Bei praktisch allenBauartcn von Gasturbinen wird die verdichterc Luftsowohl im L eitsy stem als auch im T urbin en rad cn t-spannt und damit beschleunigt. Es liegt sogenanntcDuscnstrornung vor. In gut geformten Dusen karinman die Verluste auf nur 3 % beschrankcn , man hatalso einen Wirkungsgrad bei Umwandlung derDruckeoergie in Strornungsenergie von 97 %. Es gibtnur leider keine Literatur, die erwas daruber aussagt,wie gut die Dusenstromung zwischen Turbinenschau-feln noeh se in k an n , wenn man wie in unserem Fallezwangsliiufig mit sehr kleinen Reynolds-Zahlen lebcnmuG. Auflerdern sind die Duscnquerschnitte desLeitsystems und zwischen den Flugeln des Turbincn-rades eckig und die Dusenkanale zudem noch ge-kriimmt. Ohne diese Kriimmung gibt es leider keineUrnlenkung der Stri:imung und ohne diese Umlen-kung keine Umfangskraft am Turbinenrad. OhneUmfangskraft kein Drehmoment am Turbinenradund ohne dieses Drehmoment wird keine Wellen lei-stung fur den Verdichtererzeugt. Weiterhin kommennoch unvermeidliche Spaltvcrluste zwischen denSchaufelenden und dem Gehause zum Tragen. Da-mit ist man von der idealen Duscnstrornung mit dengeringen Verlustcn doch etwas entfernt.Also zuruck zu den Versuchen. Als Vorbild fur dasTurbinenrad wurde ein Windrad gewahlt , so ahnlichwie bei Mallorcinischen Windrnuhlen oder wie zumAntrieb von Pumpanlagen in Westemfilmen. DieseRader sind durchaus als Turbinen anzusehen, da sicdie Stri:imungsenergie des Windes in mechanischeEnergie umzuwandeln vermogen, Der Hauptgrundfur diese Wahl lag aber in der leichten Herstellbarkeitim Modellmaflstab. Als Material diente 0,5 mm star-kes Edelstahlblech, Das Original aus diesen Versu-chen ist noeh erhalten. Dieses Turbinenrad wurde inein Rohr von 6S mm Innendurchmesser mit ca. 0,5mm Spalt gelagert. In dieses Rohr vor dern Turbinen-rad befand sich das ebenfalls aus Edelstahlblech ge-formte Leitsystern. Dieses ist nichts anderes als einKranz von gek ri.imm ten Dusen. Die Kriimmung ist sogewahlt, dafl die Stri:imung am Austritt des Leitsy-stems eincn kraftigen Drall in Drehrichtung des Tur-

14

bincnradcs crfiihrt. Fur die in Drehung bcfindliehenTurbinensehaufeln sieht es dann so aus, als kame dieStromung genau von vorn, wenn ihre Drehgeschwin-digkeit mit dem Drall ubereinstirnrnt. Die Wi:ilbungdcr Sehaufeln des Turbinenradcs ist so gewahlt , dafldie Gasstrornung cntgegen dem Drehsinn abgelcnktwird. Auf diese Weise entsteht das Drehmoment anden Turbinenschaufcln. Durch die Verwendung desDrallsystems wird das Drehmoment am Turbinenradgegenube r der A rbe itsw eise e ines W in drades e rheb-lich vcrstarkt. Die genaue Ausrichtung de r Winkelund Wi:ilbung an den Schaufeln vern Leitsystem undTurbinenrad ist nicht so kritisch. So wird z. B. auchdas Windrad be i e tw as schrag er Anstri:imung trotz-dem in Drehung versetzt. Die genauc Erklarung derStromungsvorgange durch das Leitsystern und Turbi-neurad kann man leider nur mit Hilfe der Marhema-t ik bcs ch re i be n . Ein Ergebn is de r Bereehnung ist es,daLl das hinter dem Turbincnrad absr rorncnde Gas imIdcalfall ohne Drall ausstri:imt, also nur noch in dergewunschten Axialriehtung. Man kann sich das sovorstellen, dafl dcr durch das Leitsystem aufgebauteDrall durch das Turbinenrad wieder vollstandig abge-baut wird, Die Theorie sagt femer aus, dafl bei gle i -eher, aber entgcgengesetzter Ablenkung der Gas-s t rornung am Lcitsystern und Turbinenrad, die Stro-mungsver lus te am geringsten sind.Weiter in der Besehreibung des Versuchsaufbaus:Der vordere Teil des Rohres bildete eine gasbeheizteBrennkammer. Als Ersatz fur den Verdiehter wurdezur Erzeugung der Druekluft ein Staubsaugergebliiseverwendet. Zur Belastung des Turbinenrades dienteein kleiner Propeller, dcr auf dem freien Wellenendeder Turbinenwellc auflerhalb des Rohres montiertwar. Das Drehzahl-Leistungsdiagramrn des Propel-lers wurde vorher mit Hilfe cines Elektromotors mitbekanntem Wirkungsgrad ermittelt. Daraus konntedie Wellenleistung der Turbine durch Drehzahlrnes-sung des Propellers und direktem Vergleich mil denWerten des Elektromotorantriebes bestimmt wer-den. Aus den Meflwerten von Druck, Ternperarur so-wie Durchtlull der Luft durch die Brennkarnmer liifltsieh wiederum das Leistungsangebot vor der Turbinebestimmen. Das Verhaltnis von Wellenleistung zudicsern Leistungsangebot ist genau die kritiseheGrofle, nach der gefahndet wurde, narnlich der Wir-kungsgrad der Turbinenstufe. Nach diesen Messun-gen karn ein Wert von 75 % hem us. Durch die Behei-zung der Brennkammer konnte der Wirkungsgradauch in Abhangigkeit von der Temperatur ermitreltwerden. 1m Rahmen der Mebzenauinkeit war keinUnterschied feststellbar. - -Urn den Leser nieht zu verwirren, sci betont, dafszumNachbau einer Strahlturbine der hier geschilderteAufwand fur Versuche natiirlich nicht erforderlichist.Die Resultate dieser Messungcn waren so verbluf-fend, dafl man Zweifel haben konnte. Ais nachstes

{I1,~


14/86

wurde deshalb ein Turbinenrad gebaut , dessenSchaufclforrn und Wolbung einem groi3en Gasturbi-nenrad eher emsprachen. Die Mei3ergebnisse warenallcrdings trotz des enormen Aufwandes fur die Ferti-gung dicses Rades nicht deutlich besser als bei den er-sten Versuchen. Mil diesern Rad gelang dann auchder erste selbstandige Lauf des Versuchsaufbaus ei-ncr vollsran dig en G asturbin e. D as mit viel Aufwandgefertigte Rad war wie erwartet wenig drehzahlfestund diente ja auch nur reincn Grundlagenversuchen.Kurz gesagt , fur die Belange der ModellstrahlturbineiSI cin Kompromii3 bei der Radform zugunsten derFertigungstechnik durchaus zulassig. Ideal gestalteteRader sind zw an g sla ufi g m as siv er . Damit wird insbe-sondere bei den kleinen Abmessungen de r Modell-Strahlturbine das Problem der Warmebelastungdurch Warmeubertragung auf die Welle und Lagersehr schwierig. Verwcndet man z. B. das massive Ra-dialturbinenrad eines Turboladers, so wird man dasKuhlproblern nur durch ein a ufw e n di ge s O lsc hr nie r-system in den Griff bekommen. Dieses iSI beim Ein-satz in einem PKW-Motor ja bereits vorhanden. Fureine Modell-Strahlturbine miillte es erst entwickeltwerden.Wie die Abbildungen und Fotos demonstrieren, istdas zum Nachbau in der FD3164 beschriebene Turbi-nenrad sehr ahn lich z u dem aus den ersten Versu-chen. Die notwendigen Tricks und Kniffe sind aus-fuhrlich in der Bauanleitung beschrieben. Bevor sieaber dorthin springen, wird dringend empfohlen, erstden Rest de r Theorie zu lesen. Essei denn, Sie wollenohne frcmde Hille unbedingt Ihre eigene Strahltur-bine erfinden.Noeh einige Hinweise zur Geometrie des Turbinen-rades , die ebenfal ls durch Versuche g esich ert ist. DieSchaufelhohe betragt etwa Y. des AuBendurchmes-sers. Eine Verkleinerung der Schaufelhohe bringtkeine nachweisbare Verminderungdes Wirkungsgra-des. Es wird dann allerdings bei gegebenem Rad-durchmesser und gleicher Drehzahl weniger Luftdurchgesetzt, und darnit auch weniger Schub erzeugt.Bei Erhohunz der Schaufelhohe wird die Schaufel imVerhaltnis ~m tragenden Teil der Scheibe immerschwerer. Die Belastbarkeit bei hoheren Drehzahlenist nicht mehr gesichert und es besteht zudem die Ge-fahr von Schwingungsbriichen an den Schaufeln. Einganz wichtiger Punkt bezuglich der Festigkeit des Ra-des sei hier ohne mathematisch-physikalische Be-weisfuhrung erwahnt. Das ist die Verbindung des Ra-des mit der Welle. Man darf zu diesem Zweck dasRad auf keinen Fall durchbohren. Eine durchbohrteScheibe hat nur die Halfte der Drehzahlfestigkeit ge-geniiber einer unbeschadigten Scheibe. Bei groi3enTurbinenradern, die in der Mille gebohrt sind, wirddieser Bereich als dicke Nabe ausgebildet.Die optimale Teilung, d. h. die Amah] der Schau-feln, liegt nach allen bisherigen Versuchen bei 17.Hohere Schaufelzahlen sind eindeutig ungiinstiger

und machen zudern mehr Arbeit. Geringerc Schau-feizahlen auch, da die Blattform nicht rnehr stabilbleibt und damit letztendlich die Fertigung einesncucn Rades erforderlich wird.Eine Profilierung der Schaufeln is t nur so weit erfor-derlich, wie es der Festigkeitssteigcrung dient. Diebei grotien Turbinenradern iibliehe Profilierung derSchaufeln soli bei unvermeidlicher Fehlanpassungwahrend eines Lastwechsels die Stofiverluste in derStromung vermindern. Profilicrte Flachen sind nachden Regeln der Strornungslehre erst dann wirksarn,wenn die Reynoldszahl geniigend hoch ist. Bei unse-ren geringen Abmessungen der Schaufeln lind gleich-zcitig hoher Temperatur sind die Reynoldszahlcnwei t niedriger als bei einem leichten Freiflugmodell.Der Tempcratureinflufs der Drehzahl ist so: Bei550C und sonst gleichen Bedingungen fjllt del' Wertauf rund \1, gegeniiber Raumtemperaturen von 20Cabo Der unvermeidliche Spalt zwischen Turbinen-schaufeln und Gehause darf bis zu 5 % der Schaufel-hohe betragen, ohne dai3 der Wirkungsgrad dcutlichgemindert wird. Damit wird die Zentrierung im Ge-hause und der erforderliche mechanische Aufwandrelativ gering.Zur Vervollstandigung des Rotors gehort die Welle.Sie ubertragt das Drehmoment vorn Turbinenrad aufdas Verdichterrad. AJlein fu r diese A ufg abe ausg e-legt, konnte sie sehr dunn sein, denn das Drehrno-m erit ist vergleichsweise gering, allerdings bei sehrhoher Drehzahl. Bekanntlich ist die ubertrageneWellenleistung proportional dem Produkt aus D re h-moment und Drehzahl. Bei dem Kraftangriff desTurbinenrades auf die Welle werden im Gcgensatzzum Kolbenmotor keine Biegekrafte erzeugt. Trotz-dem mull die Turbinenwel le auf hohe Steifigkeit aus-gclcgt werden. Die Ursache dafur liegt in der Gefahrvon Resonanzschwingungen bei hoher Drehzahl.Man mull also das gesamte Rotorsystcm so anpassen,daJl es z u keinen gefahrlichen Resonanzschwingun-gen kommt. Wird dieser Grundsatz mii3achtet undtritt bei Drehzahlen von rund 60.000 U/min einc Bie-geschwingung der Welle auf, so wirkt sich das verhee-rend auf den Rotor aus.Die Anregung zur Resonanzschwingung kann manauch durch sehr gutes Auswuchten des Rotors nichtvermeiden. Die wenn auch rninimale, aber physik a-tisch unvermeidbare Durchbiegung infolge derSchwerkraft reicht aus, urn im Resonanzfalle dieSchwingung anzufachen. Eine Verbesserung der Stei-figkeit durch Verwendung von hochvergutetern odergehiirtetem Stahl bringt praktisch keine Verbesse-rung der Schwingungsfestigkeit. 1m Resonanzfallewird an Stelle einer Verbicgung ganz schlicht ein Wel-lenbruch auftreten. Der sicherste Weg zur Vermei-dung der Resonanzschwingung ist der, den Laufer sozu dimensionieren, da13seine Resonanzfrequenz min-des tens 20 % hoher liegt als die maximaJe Betriebs-drehzahl. Berechnungsverfahren zur Bestimmung

15


15/86

der Resonanzfrequenz sind ebenfalls bei (I) angegc-ben. Die nach dieser Methode berechnete Resonanz-frequenz der zur Zeit vcrwenderen Welle liegt beiuber 100.000 U/min. Wahrend der Entwicklungs-phase der "FD2" wurde eine wesentlich dunnereWelle verwendet, die bei einer Drehzahl von etwa65.000 U/min vcrsagre. Diesc Welle von 8 mmDurchrnesser und 120 mm Lange war urn 2 mm ver-bogen. Eine Nachrechnung fuhrte tatsachlich zu demErgebnis, daLl bei der oben genannten Drehzahl dieerste Biege-Resananzschwingung zu erwarten war.Naturlich ist die Unwuch t des Rotors und de r Welleselbst wegen der damit verbundenen Lagerbelastungso gering wie mbglich gehalten. Hat man Z. B. cineWelle mit e in e r E xz cn tr iz ir at von nur 0,01 mm. sobringt das bei der maximalen Drehzahl bereits eineperiodische Kraft von mehr als 10 N auf die Lager.Diese Wechsellast regt die gesamte Strahlturbinezum Schwingen an und ist als kraftiges Pfeifen wahr-zunehrnen. Damit ist ein ungeniigendes Auswuchtendes Rotors die Hauptschallquelle der Modell-Strahl-turbine.Ocr relativ grQi3e Ouerschnitt der Welle sorgt auchgleichzeitig fur eine Ableitung der vorn heiLlen Turbi-nenrad her einstrornenden Warrne. Urn diesen Effektzu verstarken, wurde erfolgreich eine Wellenkon-struktion entwickelt, deren Mittelstiick aus AJulegie-rung bcsteht. Sie ist etwas dicker als eine gleich steifeStahlwelle, und hat dadurch eine gr6Llere Oberflachezur Ableitung der oben angegebenen Warrne und istim iibrigen auch noch etwas leichter als eine anson-sten gleichwertige Stahlwelle. Natiirlich miissen dieWellenendcn zur Aufnahrne der Lager und der Ra-der aus S tahl gefertigt sein.Wenn man sich erstmals mit Problemen der Gastur-bine im Modellmal3stab befaLlt und an die Lagerungdes Rotors bei den notwendig hohen Drehzahlendenkt, wird man Ieicht unsicher, Doch hier befindetman sich nicht mehr auf technischem Neuland, dennes gibt durchaus andere Anwendungen fur schnellau-fcnde Lager und damit bercits Vorbilder fur Pro-blemlosungen .Eine Losungsmoglichkeit ist die Anwendung vonGleitJagem mit Oldruckschmierung, wie sic z. B. beiTurbaladern und sehr hohen Drehzahlen angewen-det wird, Die Welle "schwimmt" auf einem Olfilm inden Lagerschalen und hat keine metallische Beruh-rung mit ihnen. Damit ist diese Losung verscWeillarmund problemlos, Voraussetzung dazu ist aIlerdingsein Olkreislauf rn i t Olpumpe und verhaltnismafsig ho-her Olrnenge. Bei eioem PKW-Mator steht beideszur Verfugung. Eigcne Versuche in dieser Richtungkommen zu dem Resultat, daLl diese Lagerung beihohen Drehzahlen und vergleichsweise geringemDrehrnornent doch einen betrachtlichen Anteil derWellenleistung des Turbinenrades verzehrt. DieseVerlustwarme wird zwangslaufig das 01 aufheizenund bei zu geringer Olmenge kann das so weir gehen,

16

daLl es verdarnpft und verbrennt. Diese Unsicherhcitist fur den Betrieb einer flugfahigen Modell-Strahl-turbine nicht tragbar.Die einfachere Losung des Lagerproblems ist dieVerwendung von Kugellagern und Schmicrung mitOlnebe!. Da die Tragkrafte bei der kleincn Masse desRotors nur gering sind, kbnnen kleine leichte Lagereingcsetzt werden. Die in Frage kommenden Grofiensind nach Herstellerangaben bei Olnebelschrnierungbis zu Drehzahlen von 9 0.00 0 U /m in v erw en dbar.Die Auslegungsdrehzahl von der Strahlturbine, diessei hier vorweggenommcn, betragt dagegen nur75.000 U/min. Das Olnebelschmiersystem arbcitetvollautornatisch ahne i ruendwelche VerschlciLlteile.Zur Forderung des Ols \\ird die physikalisch bedingtcDruckdifferenz zwischen V erd ichre r un d W elle ntun -nel ausgenutzt. Als 01 hat sich Feinmaschincnol wices fur Nahma schin e n, F ah rr ad er und sonstiges ver-wendel wird, bestens bewiihrt. Dcr Olverbrauch istdabei erfreulich gering, Das Gcsarruschema und einFOIO veranschaulichen die Wirkungsweise diesesSchmiersysterns.

2.3 Das Verbrennungssystem2.3.1 Kraftstoft'eDie einfachste Methode zur Erhitzung der verdichte-ten Luft vor der Turbinenstufe ist die durch Verbren-nung von Kraftstoffen im Luftstrom an dieser Stelle.Im Hinblick auf den Flugbetrieb eignen sich solcheKraftstoffe am besten, die eine moglichst hohe Ver-brennungswarme je kg Brennstoff Iiefern, also einehohe spezifische Verbrennungswarme haben. Dazugehoren z. B. Benzin, Dieselol, Heizol, Petroleum,Kerosin, aber auch noch Propan- und Butangas. DieVerbrennungswarrne dieser Kraftstoffe ist anna-hemd gleich hoch und liegt zwischen 40.000 bis45.000 kJlkg. Leicht handhabbare Kraftstoffe mit ho-herer Energiedichte braucht man nicht we iter zu su-chen, es gibt sic nicht. Methanol und Ethanol (Brenn-spiritus) sind in der Energiedichte wcsentlich ungun-stiger und deshalb weniger gut geeignet. Dieselol,dern Kerosin sehr ahnlich, hat von allen genanntenKraftstoffen die hochste Dichte, ist an jeder Tank-stelle verfugbar, und liegt damit in der Energiedichtebezogen auf das Tankvolumen weit Yom. Nach die-sen Kriterien ist Dieselol der bestgecignete Kraftstofffur unsere Modell-Strahlturbine. Soweit dem Verfas-ser bekannt, hat es bis zur Strahl turbine FD2 nochkein vergleichbares Triebwerk gegeben, das mit Die-selkraftstoff funktianiene.Alle Kraftstoffe konnen erst verbrennen, wenn sieerst gasformig m it Luft gemischt ziindfahig werden.Dabei ist es genau wie bcim Kolbenrnotor von ent-scheidcnder Bedeutung, welches Mischungsverhalt-nis vor!iegt und wie gut die Durchrnischung ist. Zu


16/86

rnager oder zu fettes Gernisch zundet und brcnntschlecht bis gar nicht. Die Gemischaufbereitungfunktionicrt bei Verwendung von Propan- und Bu-tangas naturgernaf am leichtesten, da sie bei Raum-tcmperatur und Norrnaldruck bcreits gasfOrmig sind.Die Verwendung insbesondere yon Propan vcrein-Iacht wesentlich das Kraftstoffaufbereitungssystern indcr Strahlturbine. Auf dieser Basis ist die erste funk-tionsfahige Strahlturbine eines britischen Teams be-reits vor 10 Jahrcn gcflogen. Dieser Vorteil von Pro-pan wird aber fur den Flugbetrieb im wahrsten Sinnedes Wortes mit einem grol3en und schwergewichtigenNachteil erkauft. Man braucht namlich einen druck-festen Tank, dessen Volumen wegen der geringcnDichte des verflussigten Propan von nur 0,4 kg/m3rund doppelt so gro13sein rnufs wie bei der gleichenMasse von Dieselkraftstoff. Man spart zwar bei Pro-pan wegen des hohen Dampfdruckes im Tank eineForderpurnpe , dieser Darnpfdruck ist aber wie bei al-Ien FlUssigkeiten sehr stark von der Ternperatur ab-hangig. Zur sicheren Dosierung muf daher erst einspezielles fernsteuerbares Regelsystem geschaffenworden .Diese technologischen Nachteile bewogen den Ver-fasscr von Anfang an, seine Strahlturbine fur denFlugbetrieb mit Dieselol auszulegen. Eine fur diesenKraftstoff ausgelegte Gasturbine kommt meistensauch mil Prop an oder Propan-Butan gut zurecht.Umgekehrt allerdings nicht. FUrdie EntwickJung undfur Standversuche ist dagegen die Verwendung vonProp an oder Propan-Butan sehr bequem.Bci der Betrachtung der Brennstoffe kornrnt man na-turlich auf den Gedanken, Vergaserbenzin zu ver-wenden, da es ja offensichtlich Ieichter verdampft alsDiesel. Deshalb betrachten wir einmal die Eigen-schaften von Benzin und Diesel. Wie gesagt, Benzinist zwar Ieichter verdampfbar, aber Benzindarnpf-Luftgemische zunden erst bei einer Ternperatur vonuber 600 "C, Dieseldampf-Luftgemische dagegen be-reits bei ungefahr 300 "C. Die geringere Zundtempe-ratur ist von Vorteil fur die Siabilitat der Flammen-haltung in der Brennkamrner. Die Abstimmung derLuftfuhrung in ihr wird dadurch weniger kritisch. DiePraxis hat gezeigt, da13es zwar etwas kritischer ist, dieStrahlturbine mit reinem Dieselkraftstoff zu starten,aber einmal im Betrieb neigt sie nicht mehr zum Aus-blasen z. B. bei hoheren Fluggeschwindigkeiten.Weiterhin nimmt die Strahiturbine im hoheren Dreh-zahlbereich wesentlich williger Dieselkraftstoff an.Bei Betrieb mit Benzin dagegen bestcht die Neigung,daf die Flarnrne teilweise auJ3crhaib dcr Brennkarn-mer oder sogar hinter der Turbine brennt. Beim ver-stark ten Gasgeben steigt der Schub praktisch nichtmehr und es wird dagegen nur eine mehr oder weni-ger spektakulare Flamme am Ausgang der Turbinesichtbar. Das ganze hat zu dem Kornpromif gefuhrt,Diesclkraftstoff mit einem geringcn Anteil, erwa 5 %Vergaserbcnzin, als Kraftstoff zu verwenden,

2.3.2 Brennkammcr und VerdampferWic bereits gesagt, mu13dcr f1UssigeKraftstoff erst indcr Brennkammer verdampft werden. Die Losungdicses Problems kostete den grofsten Zeitanteil imge-samten Versuchsprogramm. obwohl es im Prinzipganz einfach ist. In der Brennkarnrner mul3gerade so-viel Kraftstoff verbrannt werden, daJ3die verdichteteLuft vor der Turbine auf eine vertragliche Tempera-tur von rund 600C aufgeheizt wird, Da die Tempera-tur in der Verbrennungszone aber sehr viel hoher ist,ca. 1700 'C, wird nur ein kJeinerer Anteil dcr Luft indie eigentlichc Verbrennungszonc geleitet. Mit demgroBen Rest werden zunachst die Wandungen derBrennkamrner gekiihlt und anschlie13end wird diesevorgewarmte Kuhlluft mit dem sehr heHlen Gas ausder Verbrcnnungszone in der Brennkammer ge-mischt. Am Ausgang der Brennkammer hat mandann die gewimschtc mittelhohe Temperatur. DiesesVerfahren ist so alt wie die Gasturbinen selbst. Es giltnur folgcnde Schwierigkeiten auch im Modellmal3-stab zu uberwinden:1. Die Flamme muJ3im gesamten Lastbereich stabil inder Brennkammer bleiben, auch bei Lastwechsel, un-abhangig davon ob im Stand oder im Fluge.2. Die gewi.inschte mittelhohe Ternperatur soUim ge-sarnten Querschnitt am Ausgang der Brennkammerrnoglichst gleichmill3ig hoch sein. Ideal ware sogareine Temperaturverteilung, die am auBcren Randeund im Bereich der SchaufeIwurzel am Leitsystemund Turbinenrad etwas abfallt. Ungleichmatsigkeitender Temperaturverteilung erzeugen unweigerlichmehr oder weniger ausgepragte "Hot Spots" im Be-reich der Turbinenstufe. Das sind SteUen mit weitiiberhohter Temperatur, die sich durch mehr odermindcr starkes Gluhen deutlich zeigen. Durch dieseUngleichmill3igkeit der Temperatur, insbesondereder Au13enwand, kommt cs zu Verspannungcn undVerformungen des Gehauses. ZuIetzt streift die Tur-bine an der AuJlenwand an. Dieses Problem erwiessich als sehr hartnackig und kostete besonders viel anVersuchszeit.3. Der dosierte Kraftstoff solI miiglichst vollstandigverbrannt werden.Die Aufteilung der Brennkammer in die sogenanntePrirnarzone, das ist dort, wo die Verbrennung ab-lauft, sowie in die Sekundarzone, in der die Mischungmit der unverbrannten KiihlIuft erfoIgt, wird durchdie Lage und GroBe der LOcher in den Brennkam-merwanden eingesteUt. Leider kann man nicht ir-gendeine grebe Brennkammer als Vorbild nehmenund maJ3stabgerecht verkleinern. Je grofler dieBrennkammer bei gegebenem Luftdurchsatz und jehoher der Druck und damit die Gasdichte in ihr ist,desto Ieichter scheint die Einstellung zu gelingen. DieBrennkammerform ais Ringbrennkammer ist sowohlbezuglich der konstruktiven Gestaltung als auch derRaumausnutzung die bestrnogliche Wahl. Bei profes-

17


17/86

sionell gefertigien Kleingasturbinen wird diese Bau-form fast ausschlicfilich angewandt. Die Grofe dieserBrennkarnrncrn ist aber immer noeh erheblich zugrof fur die Anwendung in einer Modell-Strahltur-bine. Die erste Strahlturbine der Welt, eintwiekeltvon Dr. Papst von Ohain, hatte ebenfalls diese Bau-form.Mit wachsender Brennkarnmergrofle wachst natur-lich aueh ihr G cw icht un d z usatz lich das Gewich t dessic u rn sch lie be nd cn G eha use s. Will man ein gutesSchub-G cw ichrsve rhaltn is be i kle in ern B auvolurn ender gcsarnten Strahlturbine erreichen , blcibt nichtsanderes ubr ig, als d as B re n nkamme rv olu rn e n durchzahllose Versuche zu rninirnieren.Genau so wichtig wie die Brennkarnrner ist das Kraft-stoff-Aufbereitungssystern. Auch hier dienten die er-sten Konstruktionen von Dr. von Ohain und von SirWhittle als Vorbild, bei denen das Verdampfcrprin-zip angewendet wurde. Die andere Moglichkcit, denKraftstoff mittels Zerstauberdusen wie in den rnei-sten grotlcn Gasturbinen verbrennungsfahig zu rna-chen, ersehcint bei den Abmessungen der Modell-Strahlturbine ziemlieh aussichtslos. Zum Betrieb derZcrstauberdusen braucht man relativ hohen Druck,Druck von etwa 10 bar. Rcgelbare Zerstiiuberdiisenkleinster Abmessung rniissen aber erst noch erfundenwerden.Der Verdampfer ist nichts anderes a1s ein System vonWarmetauscherrohren innerhalb der Brennkarnmer.Der Kraftstoff wird mit Hilfe der Dosierpumpe durchdie Rohre gepumpt. Durch die Aufheizungirn heillenGasstrom verdampft der Kraftstoff und tritt gasfor-mig dureh mehrere Offnungen in die Brennzone ein.Die geeigneten Abmessungen des Verdampfers kannman auch nur durch systematische Versuche ermit-tcln. Bei zu geringer Verdampferleistung tritt derBrennstoff teilweise flilssig in den Brennraum ein.Das fuhrt zu vollig unregelmafsigen Flammenbildernund zum Spucken dcr Turbine. Bei wesentlich zu hei-Gem Verdampfer kann der Brennstoff bereits inner-halb der Verdampferrohre gecrackt werden, d. h. dieKohlenwasserstoffe spalten teilweise Kohlenstoff ab,das zum Verstopfen des gesamten Systems fiihrt. Da-mit eine ausreichend gute Durehmisehung von Luftund Kraftstoffdampf in der Primarzone gewahrleistetist, rnuf die Ausstrorngeschwindigkeit aus den Dilsendes Verdampfers genugend hoch sein.Zum Anlassen der Strahl turbine ist der Verdampfcrerst einmal auf Betriebstemperatur zu bringen. Dazuwird an Stelle von Diesel Hilfsgas in die Brennkam-mer geleitet. Propan oder Propan-Butangas ist dazugut geeignet. Das Aufheizen dauert nureinige Sekun-den. Der Hilfsgasbehiilter gehort nicht zum fliegen-den Inventar. Die genaue Prozedur des Anlassens istin der Betriebsanleitung ausfuhrlich beschrieben.AJs Baurnaterial fiir die Brennkammer und den Ver-dampfer hat sich Edelstahl als ausreichend bewahrt,Die in der Bauanleitung vorgestellte Losung ist nur

18

eine von vielen Moglichkcitcn. In Anbetracht der vie-len hier nicht aufzahlbaren Fehlversuche wahrendder Enrwicklungszeit wird dem expcrirnenticrfreudi-gen Leser dringend g craten , n icht ausgercehnet mitAnderungen an der Brennkammergeometrie zu be-ginnen.

2.4 TemperaturprobIemeWie bci allen Verbrennungskraftmaschinen mullman sich mit dem Einfluf der unvermeidlich hahenTernperaturen, auf praktisch jedcs einzelne Bauteil,griindlich befassen. Die Ternperatur wirkt dabci inzweifacher Weise. Zum einen dehnen sich die mci-stcn Kerper bei Erwarrnung in unterschiedlichernMaJ3e aus. Zum anderen wird deren Festigkeit mitsteigcnder Tcmperatur immer starker gemindert.Die Warrneausdchnung eines Bauteils ist berechcn-

'. bar, werm man die Wiirmeausdehnungszahl des Ma-terials und die Ternperaturanderung kennt. Eine ge-naue Vorausbereehnung der Temperaturen fur jedenBetriebszustand ist aber kaurn moglich. Erschwerendkommt hinzu, daf die Temperaturanderung inner-halb miteinander verbundener Bauteile nieht zeit-gJeieh ablauft, weil die Ubertragung von Warme in-nerhalb cines Bauteils durch dessen Warmeleitungund Wiirmcablcitung sehr unterschiedlich sein kann.Dies kann im ungunstigen Fall zu starken Spann un-gen innerhalb eines Bauteils fuhren, d a B es sogar zuBriichen oder bleibenden Verforrnungen kornmt.Man kann immerhin einige Extrembedingungenrechnerisch abschatzen. Naheres dazu ist in der Aus-legungsrechnung beschrieben (KapiteI4.2). Die Zu-verlassigkcit dieser Bercchnung zeigt sieh letztcndlichbeim praktischen Betrieb der Strahlturbine. Grund-satzlich mull man die Konstruktion so auslegen, dafBauteile, die unvermeidlich starken Temperatur-schwankungen ausgesetzt sind, ihre Warrnedehnungfrei ausleben konnen. Die in der Bauanleitung be-schriebene Strahlturbine FD 3/64 is! das Ergebnis vonTheorie und Praxis aueh in dieser Hinsieht. Abwei-chungen von der Konstruktion und bei der Material-auswahl ohne Beriicksichtigung der Ternperaturpro-bleme sind deshalb riskant.Zur Verdeutliehung sei das Problem am Beispiel desTurbinenrades diskutiert. Das Rad muG injedem Be-'triebszustand frei laufen konnen. Ein Anstreifen derSchaufeln an die Gehausewand ist gleichzusetzen ei-nern Kolbenfesser bei einem Vcrbrennungsmotor.Wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit derSchaufeln kann man sich eine olgcschmicrte Glcitrei-bung wie beirn Kolben im Zylinder nicht leisten.Dazu laBt man zwischen Schaufeln und Aullenrandeincn Spall. Dieser darf natiirlich nieht so groll sein,dall die Gasverluste , die natiirlich bevorzugt durehden Spalt stromen, so groBwerden, dafs zu wenig rum


18/86

Antricb des Turbincnradcs ubrig bleibt. Bei Erwar-mung des Turbincnrades auf Bctriebsrcrnperaturdchnt cs sieh natiirlich aus und damit wird der Spaltvcrklcin crt. M an mag e inwenden , daf das Gehausechonfalls erwarmt wTrd und sich im gleichen Sinncau-dchm . D arn it bliebe der Spalt ja erhalten. DieseL'hcrtcgung ist zwar grundsatzlich r ichtig, hat aber ei-nc n Hakon. Bci den betriebsmafsig bedingten Tern-per.nurandcrungen z. B. Anfahren odcr Lastwechselh ciz cn sic h die T eile n ich t mit der gleiehcn Gcschwin-dickcit auf. Die Turbinensehaufeln und ebenso dieSc-haufeln des Lcitsvsterns sind wegen der beiderseiti-~cn Umstri:imung mit Sieherheit viel schneller in derTcrnpcraturanpassung als das Gehause. Auflerdemwir d das Gehause auBen von der kalten Umgebungs-lufl urn strom t un d crrcicht dadureh auch im Tempe-r;'!llrth:ichgewicht nicht dieselbe Tcrnpcratur wie dieSch.iufcln. Darnit wird der Spalt zwangslaufig engcr.Bci zu knapp bcrncssenern Spalt kommt es dann un-lIeicerlich und schlacartiz zum Blockieren der Tur-hlll~ un d darn it zu deren Zerstiirung. Schafft man es,zurnindes t die Turbinenscheibe zu kuhlen , wird na-turlich die Durchmcsseranderung weniger drama-tisch ausfallcn. Geht man bei der Spaltweite aufNurnrner sicher und macht diesen zu grofs, so fuhrtdas ebenso zu Uberhitzung und damit zur Funktions-unfahigkeit des Systems, wegcn der zu hohen Spalt-vcrluste.Wie bereits gesagt, ist die gesarnte Konstruktion denTcrnperaturanderungen in unterschiedlichem Maf3eausgesetzt und man schafft es leider nicht, dal.l dieToile zurnindest ideal rotationssymmetrisch aufge-hcizt worden. Dies fuhrt unverrneidlich zu zeitweili-gen Vcrspannungcn, die sieh letztendlich auf die Zen-tr icrun g de r Turbine im Gehause iibertragen. Darn i twird die Spaltbreite einseitig verkleinert. Hauptursa-che fur diesen Effekt ist die Sehwierigkeit, eine voll-"'mdig radialsymrnetrische Verbrennung in derllrcnnkammer zu erreichen.DJS Problcm der optirnalen Spaltbreite konnte eben-tJII, nur dureh eine Vielzahl von Versuehen mit hin-relc'hender Sicherheit gelost werden, Danach kannman .cincn Richtwert fur die Spaltbreite zwischenTumlnenOiigel und Aullenmantel von 06% des1url->inenraddurchmessers anaeben. Bei ei~em Tur-I>tncndUI'chmesser von 64 m;n sind das abgerundetIIAmm.[hcmo wic die Turbinenschaufeln erfahren auch dieLc"""h:mfcln betracbuicbe Langenanderungen ge-rnu""r dcm Aullenmantel. Auch hier kann man das'Hlbkllt durch konstruktive Gestaltuna eines SpaltesTv.1",hco den Schaufeln und dern inner~ Zeruralkor-t:r k,,:,o. Oa di.ese Teile nieht rotieren, karin mand die Spaltbrelte auf etwa 0 2 % des Turbinenrad-..,rl"hmes.se~ he bE' .., era setzen. me gennge Verspan-nunc dcr Leit h feln i ".Ir. c h . . I S< : au e n mfolge Uberhitzung beein-Ik: .'I~t d,c Funktionsfahigkeit der Turbine nieht.

.r.Chlen wir nun ebenfalls am Turbinenrad das

. , - .1-h'j-illr-19e-.mei -al-.-0-

Ies :~!: \O f .d e rrei-. e n -a n de i n .t r c b!]lIII

Problem dcr Festigkeitsminderung bei hohercn Tern-peraturcn. Zweifellos wird dieses Bauteil infolge dcrhohcn Drehzahl neben dem Verdichtcrrad am stark-stcn durch die Fliehkraft belastet. Beirn Verdichter-rad kijllncn wir das Temperalur-Problem vernachlas-sigcn, da die Temperaturerhi:ihung infolge der Kom-prcssionswarrne bie unseren geringen Druckverhalt-nisscn nur etwa 30 betragr. Die Schaufeln der Turbi-ncnstufc dagegen werdcn allseitig Yom heiflen Ar-bcitsgas urnstrorm und nehrncn prakrisch desscnTcmpcrutur an. die bis uber 600 'C betragen karin.Einc lnnenkuhlung der Schaufeln, wie sie bei rnoder-nell Hllchkistungsgasturbinen angewandt wird, istmit uuscrcn Mirteln nicht machbar. Ebensowenig iSIes l1liil'iieit. hochtemperaturfeste Speziallegierungenmit unscrcn Mitte!n zu bearbeiren. Von deren Be-scliaffburkcit sei einmal ganz abgesehen.Bci allen Metallen und Legierungen fallt die Festig-keii m i: stcigcnder Temperatur rn ehr odcr wen ig erstcil ub. Besinnt man sich auf die notwendige Be-tricbstcl1lperatur e in e r Mode ll -S tr ah lt ur b in e von nur600 'c.dann sieht die Sachc gar nicht so hoffnungslosaus. Wic irn Kapitel4 gezeigt, kann man bei Betr iebs-tempcraturen an der Turbinenstufe von 600 'C mehrals ausrcichende Schubleistungcn der Modell-Strahl-turbine erwarten. Normaler Baustahl und ebensowe-nig Werkzeugstahl reicht da nicht mchr ganz aus. MitChrom-Nickelstahl dagegen is t diese Ternperatur von600 'C an der Turbinenschaufel noeh zu verkraften.Die Festigkeit dieses Materials ist bei dieser Tempe-ratur e tw a dreimal hoher als die von Stahl. Die Turbi-nenschcibe selbst kann man dagegen verhiiltnismiilligwirksam kiihlen und damit deren Festigkeit erheblichsteigern, So wird z. B. die Zeitstandsfestigkeit bei ei-ner Absenkung der Temperatur von 600'C 3uf500'Cfast vcrdoppelt.Aueh bei den Lagerbuchsen fur die Kugellager mus-sen die unverrneidliehen Grblleniinderungen durchTempcraturwechsel konstruktiv berilcksichtigt wer-den. Diese sind wegen der kleineren Durchmesserund der geringen Ternperaturwechsel absolut gese-hen rccht klein, doeh sind hier die Toleranzen in denPassungen aueh wesentlich enger. Wichtig ist vor al-lern, daB sich keine Wiirrnespannungen durch rela-tive Langenanderungen zwischen Wellentunnel undWelle ausbildcn kiinnen. Falls die KugcUagcr starkeraxial verspannt werden, fiihrt das unweigerlich zuVbcrhi!zung und Zersti:irung der Lager und darnit zuTurboschrott. Die einfaehste Abhilfe dagegen ist dieAuslcgung der turbincnscitigen Kugellagerbuchse alsleichtgiingiger Sehiebesitz.Die Kugcllager selbst haben aber ebenfalls Grenzender Tempcraturbelastbarkeit. Kugeln und Lagerbah-nen bcstehen aus gehartetern Stahl. Bei Temperatu-ren oberhalb 260 C verliert er deutlieh an Qualitat.Mal3nahmen zur Verrninderung der Warrnestromunglind gleichzeitig Kuhlung der Lager sind deshalbzwingcnd erforderlieh. Das Prinzip ist in der verein-

19


19/86

fachten Schnittdarsiellung der Strahlturbine dcutlichgemachl.Die groGte relative Langenanderung innerhalb derStrahl turbine ist zwischen der Langenausdehnungder Brennkammer und dern Gehause zu erwarten.Die Langenanderung kann e twa 1mm betragen. Diesist solangc kcin Problem, wie man die Brennkammernieht daran hindert, eine ihrer Ternperatur gem aGeForm anzunehmen. Die Konstruktionselemente zurPositionierung der Brennkammer rnussen dam genii-gend nachgiebig als Fedcrelcrnente ausgelegt wer-den. Die Ausbildung als zueinander vcrschiebbarcSegmente wie bei Brennkammern grollcr Gasturbi-nen ist nicht notwendig.

2.5 KiihlungAls Kuhlrnittcl steht uns die Luft des Verdiehters zurVerfugung, Das Bauteil mit dern groBten Kuhlmittel-bedarf is! zwcifellos die Brennkammer. Sie wird vonrund 3 / , des Gesamtluftstromes umstromt , bevor die-ser Kuhlluftstrom innerhalb der Brennkamrner mitden sehr heiJ3en Gasen aus der Verbrennungszonegemischt wird. Fur die Funktion der Turbine machtes keincn Unterschicd, ob das Arbeitsgas schon beimUmstrornen der Brennkammcr oder erst nach Mi-schung m it dem HeiJ3gas auf die Betriebsternperaturgebracht wird. Dies gilt, solange keine Luft verloren-geht und kein hoher Strornungswiderstand zu uber-winden ist. Darnit hat die Kuhlung der Brennkammer

20

keinen groBen EinfluJ3 auf den Wirkungsgrad des ge-sam ten Laufers. Man muJ3 etwa 5 %Druckverlust in-folge des unvermeidlichen Strornungswiderstandesbeim Ubergang in die Brennkammer in Rechnungstcllcn. Wic welter obcn diskutiert , rnussen aueh dieLager gekiihlt werden . D azu sind etwa 3 bis 4 % desgesamten Luftstroms erforderlich. Dieser Luftstrombcsorgt gleichzeitig den Olnebeltransport durch dieLager. Der Druckverlusr auf dem Weg in die Brenn-kammer sowie der Verlust an Kuhlluft fur die Lagerwirkt sich so aus, als arbeite die Verdichterstufe mitetwas geringerem Wirkungsgrad als auf dem Pruf-stand gemesscn, Die richtige Dimensionierung derKiihlluftfiihrung kann natiirlich nur experimentell er-mittelt werden. Wenn das einmal geschafft ist, gibt esaber kein Versagen des Kuhlsysterns.Haufig wird auch die Frage gestellt, wie heiJ3 wirddenn die Strahlturbine an den Aufsenflachen? Dieheifleste Zone ist dabei das Gehause im Bereich derLeitschaufeln, Turbincnrad und Duse. Die Tempera-tur an der Aufsenflache betragt hier rund 450 bis500 0 c . Eine zusatzliche Kuhlung zur Verbesserungdes Betriebsverhaltens ist hier nicht erforderlich.Man kann aber diesen Bereich ohne groJ3en Aufwandund ganz ohne Schubverlust kuhlen, indem man ihnmit einem .Kuhlinjektor" umgibt. Das Prinzip istebenfalls im Schema verdeutlicht.Die iibrigen Gehauseteile haben Betriebstemperatu-ren von weniger als 100C. Den vorderen Bereich desGehauses kann man wah rend des Betriebes ohneVerbrennungsgefahr anfassen.


20/86

3. Antrieb und FIugmodell

3.1 Die wesentlichen Unterschiedezwischen StrahIturbinen- undPropeUerantrieb

Es gibl noch keinen groJ3en Erfahrungsschatz rnit tur-bostrahlgetriebenen Rugmodcllcn. Trotzdern iSIman nicht auf blindes Probieren angewiescn. Ein we-nig angewandte Physik hilft rccht zuverlassig, dieMoglichkeitcn und Grenzen dieses verhaltnismaliigjungen Flugantriebes zu beurteilen. Die Wirksamkeiteines Turbostrahlantriebes in den einzelnen Flugpha-sen Hillt sich fur ein vorgegebenes Modell rechnerischbesser abschatzen als die eines Propeller- oder Impel-ler-Triebwerkes. Das hal folgenden Grund: BeimTurbostrahlantrieb kann man mit gutem Gewissenden Schub gemessen im Stand bis z u sehr hohen M o-dellflug-Geschwindigkeiten als konstant annehmen.Beim Propeller und Impeller hang! der Schub dage-gen in sehr komplizierter Weise von der Flugge-schwindigkeit abo Es macht daher wenig Sinn, Stand-schubmessungen dieser vollig verschiedenartigenAntriebe als Qualitatsrnabstab fur die Leistung desAntriebes insgesamt zu nutzen. Dies gilt auch fur denVergleich VOn Propellerantrieben untereinander.Der Propeller rnacht erst aus der Wellenleistung desMotors den Schuh. Dabei gilt die folgende Grenzbe-dingung immer: Das Produkt aus Schub mal Ge-schwindigkeit kann niemals gr6J3er sein als die mo-mentane Wellenleistung des Motors. Geschwindig-keit ist gleich Weg dividiert durch Zeit. Schub istKraft in Bewegungsrichtung. Kraft mal Weg ist Ar-beit und Arbeit durch Zeit ist Leistung. Zusammen-gefallt heillt das: Schub mal Geschwindigkeit ist dieFlugleistung des Antriebes. Wegen der unvermeidli-chen Verluste der Luftschraube mull diese Fluglei-stung immer kleiner sein als die Wellenleistung desMotors. Der Schub im Fluge ist schliel3lich Fluglei-stung dividiert durch Geschwindigkeit.Man kann mit ein und demselben Motor, gleichgultigob Kolben oder Elektro, durch Anwendung verschie-dener Luftschrauben sowie mit Getriebeunterset-zung praktisch jeden beliebigen Standschub produ-zieren, wohlbemerkt bei ein und derselben Wellenlei-

stung des Motors. Was daraus im Fluge wird, also inAbhang ig kcii von der Geschwindigkeit, hangt ganzwescntlich von den Eigenschaften der Luftschraubeund des Motors abo Zur Berechnung der Schub-Ge-schwindigkeitskcnnlinic, also der Leistungskennliniecines Propellerantriebes, rnuf man die Kcnnlinic des1\I01ors und die der Luftschraube kombinieren. Furden norrnalen Modellflugbetrieb ist dieser Aufwandnaturlich nicht erfordcrlich. Die Feinabstimmungz wische n M oto r, Modell un d Luftschraube kann ma~getrost nach Gefuhl, Gehor und optischen Eindruckvornehmen, solange man sich nieht allzu weit VOndenHerstellerempfehlungen entfernt.Naturlich ist auch die Strahl turbine kein PerpetuumMobile. Sie kann keine Energie oder Leistung ausdem Nichts schaffcn. Die physikalische Erklarung furdie praktische Konstanz ihres Schubes ist dennoeheinleuchtend. Die eingesetzte Primarleistung in Formder Warmeenergie des Kraftstoffes ist enorm hoch.Sie betragt bei derFD 3/64 bei Vollast 80 kW. Mitsteigender Geschwindigkeit wird die Energieumsct-zung, also der Wirkungsgrad, stetig besser, DieseGrundeigensehaft hat sie mit den groJ3en Turbo-strahl- Triebwerken gemeinsam. Das Diagramm zeigtdie typischen Sehubgesehwindigkeits- sowie Lei-stungsgeschwindigkeitskurven fur einen Modellpro-pellerantrieb und die Strahlturbine FD 3/64. Als Pro-pellerantrieb wird ein IO-cem-Motor mit 1000 W Wel-lenleistung bei 12000 U/min angenommen. Ein pas-sender Propeller fur diesen Motor ist hier eine Luft-sehraube mit 28 cm Durchmesser und 1 8 e rn Steigungbercehnet. Diese hat bei einem Fortschrittsgrad VOn0,7 ihren besten Wirkungsgrad von 75 %. Fur denStandschub des Motors gilt nahcrungsweise die For-mel:

F ~ = Srandschub in ND = Luftschraubcn-O in mP = Wcllcnleistung i n Wp = Luftdichte ~ 1,2 kg/m'

Das Ergebnis sind 33 N Standschub.

21


21/86

,- ,j-J '---'--i----Strahltu'bine imVergleich zu Propeller

Verlau f VO!l_!;(~_I:>_!Inlllu__glel0u[191~ _Abhdng ke rt v on der flU9ges ch -w in dig ke it - --

- -_~-+-:-Prop_2mO;!:I9tl>,r 1_Q->~!, ,-=::- = - _'" Strahlturbine"FD3/64'~ ~ 1 5 0 0~"'--~---- --_--_-'~\~=.r.,

20~ F~'~"~o,~,,,~,,~,,~.~~~~.-~~~~_z; ; : :-'""-5--V)

30

10

Man e rke nn t d eutlich an dem Diagramm, beim Startund Steigflug bei langsamer Bahngeschwindigkeitlie-fert der Propeller die hohere Flugleistung, Oberhalbeiner Geschwindigkeit von 40 m/s liefert die Strahl-turbine ganz klar hoherc Flugleistungen. Man kannnarurlich durch Wahl eines anderen Propellers aufdemselben Motor die Kurve verschieben, d. h. diemaxirnale Leistung bei hohcrer Geschwindigkeit er-reichen. Darin wird allerdings der Standschub gerin-ger, Der grundsiitzliche Verlauf blcibt aber erhalten.Es gibt noch einige andere wesentliche Unterschicdedieser bciden Antriebsarten, die sich unschwer erkla-re n lassen, 1m Sturz- oder Stechtlug karin der Propel-lcr bedingt durch die Charakteristik des Motors niehtbeliebig hoch drehen. Der Propellcrantrieb wirddann zur Propellcrbremse, vorausgesetzt der Motorvertragt die uberhohte Drehzahl, Das bedeutet in derPraxis, das Propellermodell erreicht nur eine be-grenzte Stechfluggeschwindigkeit. Beim Turbostrahl-antrieb gibt es dagegen diese Bremswirkung nicht.Aueh bei der sogenanruen Leerlaufeinstellung derStrahlturbine liefert diese noch Schub im angedriick-ten Zustand. Das hat Konsequenzen fur die Modell-auswahl, doch davon sparer.Als letztes sei noch auf das Drehmoment des Propel-leraruriebes hingewiesen. Eine Strahlturbine eben sowie ein Impellerantrieb zeigt dieses Drehmomentnicht, da in beiden Hillen der Drall des Antriebstrah-les durch Zusarnmenwirkcn von Rotor und Statorpraktisch kompcnsiert wird.

3.2 Betrachtung der Krafte amFlugmodeU bei typischenFlugphasen

Die Grundfrage bci allen Antriebsartcn ist immer dieg lc ic he . n ar nlic h: W e lc he W i dc rsta nd sk ra ftc muG derAntrieb bei d en e in ze ln cn Flugphasen uberwindcn?Z. B _wie hoch ist der Rollwiderstand beim Boden-start, wie steigt der Luftwidcrstand mil de r Ge-schwindiukeit oder wie hoch is! dcr Widersland bei ei-nem sch;rfcn Kurvenflug oder Looping? Von derAntriebsseire her ist es die Frage, welchen Schub muGdas Tricbwerk dabei produzicren.3.2.1 BodenslarlH ie rz u bra uc ht man den Rollwiders tand des Model ls .Dicser ist direkt abhangig vorn Modellgcwicht , derBeschaffcnhei t dcr Pistc und n atu rlich e be nso vonder Oualitat des Fahrwerks, Es i st k lar , daB eine Ra-senpiste einen hohercn Rollwiderstand bedeutet alscine Hartpiste. Nach Messungcn des Verfassers muGman bei Rasenpis ten und mitrelgrofsen Modellenetwa 20 % des M od ellg ew ichts als Mindest-Rollwi-derstand annehmen. Bei Hartpistcn sind es dagegennur 5 %. Nehmen wir als Startrnasse des Modellsz . B. 4 kg an, so wird ein Rollwiderstand von

0,2' 4 9,81 N =8 Nnotwendig.Bei einem Turbostrahlantr ieb mit 20 N Schub hleibenzur Beschleunigung auf die Abhcbcgeschwindigkci-ten dann noch 12 N ubrig. Wenn das Modell ohneAn ste llw in ke l r ollt, kar in man den Luftwiderstand biszum Abheben naheruncswcisc vernachlassigen. Die, 12 N Schub beschleunig~n das Modell mit IV4 mis '

b= 3 mis',\Vie hoch ist aber die Abnebeueschwindiakcit \'7Dazu r nuf der Tragflacheninhalt ~owie der v~m Pro-fil her mogliche maximale Auftriebsbeiwert c, be-kannt sein. Der Zusarnrnenhang von Auftrieb, Ge-schwindigkei t und Tragflacheninhal t berechnct sich

p ,F, = c, .A, 2 : v".Nchmen wir ein schnelles Profil an, 50 karin man mitc, von maximal 0,6 n och sieher fliegen. Die Tragfla-ehe A unseres Modells sei mit 0,5 m2 angenornrncn.Die Luftdichte betrag; 1,2 kg/rrr'. Be; dieser Tragfla-che haben wir eine Flachenbclastung von 80 g/drn",oder genauer 80 N/m' . F, entspncht der Gcwichts-kraft des Modells = 9,81 4 N, Die Formel nach v auf-gelost ergibtr;rJ;= \ e,'A:p = J 2,981 4\j0.6.6,5, 1,2 = 14.8 m1 s


22/86

Die Zeit t bis zurn Errcichen der Abhcbcgcschwin-d ig kcit b etra gt

t = ~ = _!i& s=5 s.b 3Fur den Stanvorgang bleibt noch die notwendigeRollstrecke s zu berechnen. Wir nehmen konstanreBeschlcunicuna an, dann gilt:s;:' b 1 2 t2Nach diescr Formel wird s = 37,5 m.Die rneisten Modellflugplatze haben wei t liingere Pi-s ien . Man kann also durchaus behaupten, e in Schub/Gewichtsverhaltnis von 0,5 ist fur Bodensiart von Ra-senpisten ausre ichcn d, sofe rn die Flachenbelas tungn icht e xtre rn hoch wird.Bci der Auslcauna cines turbostrahlgetriebenen 1v10-dells kann ma~ di~ oben angcgebenen Daten muhe-los cinhaltcn. Bci vorbildahnlichcn Modellen moder-ncr Miliuirjets kornmt man da schon eher in Schwie-rigkeiten , insbesondere, wcnn man die allseits be-Ii~bte "Harzpanzerbauweise" anwendet. Bei Delta-modellcn gibt es bei gleicher Masse und Flachenin-halt wie oben angegebcn bezuglich der Rollstreckekeine Probleme.3,2.2 Sreiglctstung und HochstgeschwindlgkeitDie Hochstgeschwindigkcit Ymex im Horizontalflug is tdann erreicht, wenn der Luftwiderstand Ws" des Mo-dells genau so hoch ist wie der Sehub des Triebwer-kes. Es wird angenommen, daJ3 das Modell vorhernicht aus groBerer Hohe angeheizt wurde. Fiir Ws"konnen wir schreibenW'" =,;. 2 ( c , , 'F L . AFL+ CWR' AR + eWF' AF + CW~>fl' An..)Mir c, siJd die entsprechenden WiderstandszahlenVOn Tragflache, Leirwerk , Rurnpf und Fahrwerk be-zeichnet. A sind die jeweiligen Flachen. Bei Rumpfund Fahrwerk sind die senkrceht zur Flugrichtungprojizierten Flachen einzusetzen, Fur ein Modell un-serer GroBe sind die Werte in derTabelle zusammen-gefaBt.r'

Modellteil RA Widerst. ACwphm2 ZahlCwTragflache 0,5 0,006 0,0018Rumpf 0,011 0,1 0.(lOO66Fahrwerk 0,004 0,6 0,00144c., kann man bei hohen Geschwindigkeiten vemach-lassigen.Fur eine genaue Rechnung ware noch der Einfluf del'Reynolds-Zahl zu berucksichtigen. Sic nimmt bei tur-bulenter Strornung urn eine Plane mit

5~'\ Re2 aboBei Verdopplung der Geschwindigkeit entspricht daseincr Verrninderung urn den Faktor 0,87. Dieser Ein-

flul) gilt abcr nur nahcrungsweise fur Tragflachen undLcitwerk. 1m Sinne einer Abschatzung kann mandicse Feinheitcn vernachlassigen. FaBt man dieWerre zusarnrncn und setzt als Schub des Triebwcr-kes 20 N cin, so erhalt man:I?O

v m ax = ' V 0 0 0 3 9 m ls =71,6 m lsDie Horizontalgeschwindigkeit unseres Modells be-tragt also Vm'" = 71,6 rn/s oder 258 kmlh. Wer da nichtdas Gas zuruckn irn mt , rn uf recht g ute N erven undnoch bessere Aucen habcn. Selbst bei halbern Trieb-werkschub wijrd~ die Geschwindigkei t nur ur n denWert 1/,'2 geringer. Das warcn dann immer nochrund 180 kmlh.Kommen wi r nun zur Abschiitzung der Steigleistungbei kon sta nte r B ah n ge sc hw in d ig k ci t Vb' Man denkesieh dazu das Modell auf einer schiefcn Ebene auf-warts geschoben mit dem Steigungswinkel a. Entge-gen der Rugrichtung wirkt dann die Kraft mit dernBetrag G . sin a und ebenso der Luftwiderstand W.Die Gesch\\1ndigkeit ble ibt un ve ran dert so lan ge F =W + G . sin a gilt, d. h. Kraftegleichgewicht bcsteht.Die Steiggeschwindigkeit betriigt dann

. .. F-WVs1eig =Vb sin a rrut SIna = --cr-undG = m- g

\Vir konnen dafur auch schreibenF-W F-WVstcig=Vb" -G-- =vs: ~

Zur Berechnung des Luftwiderstandes konnen wirdie Daten aus der vorangegangenen Tabelle verwen-den. Der geschwindigkeitsabhangige EinfluB des in-duz ie rten W ide rstandes w ird dabei vernachlassigt.Dies gilt naherungsweise nur dann, wenn die Gc-schwindigkeit erhcblich hoher ist als die Abhebege-schwindigkeit. Der induzierte Widerstand sinkt be-kanntlich urngekehrt mit dem Quadrat der Bahnge-schwindigkeit. Da auch die Naherungsrechnung be-reits sehr umfangrcich ist, beschrankt sich der Verfas-ser hier auf eine graphische Darstellung des Ergebnis-ses. In diesern Diagramm sind die erreichbare Maxi-malgeschwindigkeit, die Mindestrollstrecke sowie diebeste Steiggeschwindigkeit in Abhangigkeit vomSchub fur das jiingste Modell .Ruronius" dargestellt.Bei 20 1 '1 Sehub erreicht das Modell bei einer Bahnge-schwindigkeit von 40 rn/s eine Stcigleistung von 13 m JS. Zusammenfassend kann man sagen: Ein Turbo-strahlrnodell, das von einer Rasenpiste sicher starter,ist in der Luft absolute Spitze. Dazu reich! ein Schub/Gewichtsverhaltnis von 0,5 voUkommen aus.3.2.3 Der Looping aIs typische KraftfigurSchaff! das Mode l l eincn groBen Looping? Der Auf-wand fur diese Kunstflugfigur laBt sieh fur den ungun-stigstcn Fan recht gut rechnerisch abschatzen, Zur

23


23/86

Geschwindigkeiten und Kraft.wahrend eines LOOPING

Verdeutlichung dient die nebenstehende Skizze.Behandeln wir die Energiebilanz, so kornmen wirschnell zur Klarung, Das Modell hat die Anflugge-schwindigkeit Vuund damit die gespcicherte EnergieEki" = ml2 . v}. mist die Masse des Flugmodells inkg. Auf dem Weg zum Gipfelpunkt der Flugfigurwird der Hohenunterschied 2r iiberwunden. Dazurnuf eine potentielle Energie ~, =m . g . 2r aufge-wendet werden, egal auf welchern Wege das Modelldiesen Punkt erreicht. Zusatzlich kommen noch dieWiderstandsverluste auf der Flugbahn von Pubis Podazu. Da die Geschwindigkeit bei diescm Stcigflug imallgerneinen abnirnmt, wird dieser Widerstand eben-falls mit der Gesehwindigkeit abnehmen. Fiir eine ge-naue Bercehnung der Energiebilanz ist das mit einemerheblichen mathematischen Aufwand verbunden.Zur Abschatzung konnen wir uns aber die Sache er-24

Iciehtem und annehrnen, daG der Luftwiderstands-einflul3 entsprechend der hochsten GeschwindigkeitVuauf der ganzen F1ugbahn wirkt. Wir wisscn, daG esin der Praxis dann eher etwas giinstiger ist als wie hierbeschrieben, vereinfacht berechnet. Auf dern glei-chen Wege aber genau entgegengerichtet wirkt de rSchub des Triebwcrkes F,. Dieser karin mit guter Na-herung als konstant angesehen werden. Die wirk-same Widerstandskraft en tlang der Flugbahn waredan F, - F, und die Energicbilanz E, = r . (F , - Fj).Im oberen Punkt des Loopings hatte das Modell imungunst igs ten Fall die kinetische Energie Eli"o =Eki""+ r . 7l (F, - F1) - 2 r . m . g.Falls bei der Ausrechnung dieses Ausdruckes einWert kleiner null herauskommt, heiGt das, daf dasModell diese gewahlte Flugkurve mit dcrn Radius rn ic ht flie g en kann. Bci Werten grofser als null kannman daraus die Geschwindigkcit 1'0 bercchnen nachder Formel

-~vs= \j ~-m--Soweit ist alles klar, bleibt nur noch die Berechnungdes Luftwiderstandes durchzufuhren. Dieser ist zuBeginn des Looping, also beim ersten Ziehen, amhochsten. Dabei passiert folgendes: das Modell er-fahrt dann e ine zum Gewicht zusatzliche Kraft scnk-recht zur F1ugbahn infolge der Kreisbeschleunigungy

bkreis=r

Die Tragflache mull dann die AuftriebskraftF, = rn- (g+b) erzeugen. Dazu gehort ein Auftriebs-beiwert

c=~a AvupMit c, laJJt sich der Beiwert fur den induzierten Wi-derstand berechnen

ca2Cv,i= --;tTrt = KreiszahlA = Strcckung dcr Tragflachc

Der zusatzl iche induzierte Widerstand berechnet sichnaeh der Formel

W =v 2 A . r- . _ E _I a ' " ' Y o 1 2Natiirlich erhoht sich auch der Profilwiderstand bei .den meisten Profilen mit steigendem Ca. Dieser Wertkann bei Kenntnis der Profildaten aus den entspre-chenden Kurven entnommen werden.Zur Veranschaulichung sei ein Rechenbeispiel gege-ben. Wir bleiben bei unserem bodenstartfahigen Mo-dell mit 4 kg Masse und 20 N Schub des Triebwerkes.Wir nehmen willkiirlich an, das Modell habe bei Be-ginn des Loopings die Geschwindigkeit Vuvon 50 mls.Dieser Wert ist nach dem vorangegangenen Kapitelsicher nieht zu hoch gegriffen. Der Radius r des Loo-pings soli 40 m betragen. Das Tragflachenprofil ist ein


24/86

NACA 009, also ein typisches sehnelles Profil. Diewiehtigsten Daten fassen wir der Ubersicht halbernoeh einmal kurz zusammen und rechnen aus:

m =4kgF, =20NA =0,5m'Vu =50mlsr =40m), =5

50' m ,bK = 407 = 62,5 m/s"F , = 4 ( 9,8 1 + 62,5) kg :n =289 kg :n = 289 Ns s

2289 =0,3850,52500 '1,20,385'3,145 = = 0,00945

w, =50' 0,50,009450,6 N = 7,1 NBei diesem c, steigt der Profilwiderstandsbeiwertetwa von 0,006 aufO,O!' Daraus resultiert ein Tragfla-chenwiderstand

W, = 0,01 . 2500 . 0,5 0,6 N = 7,5 NDie Teilwiderstande von Rumpfund Fahrwerk kon-nen als unverandert aus der Rechnung fur die Ge-schwindigkeit aus dem vorigen Kapitel i.ibemommenworden. Sie produzieren bei 50 rrJs einen Luftwider-stand von 5,3 N . Der Gesamtwiderstand ist demnach5,3 N + 7,5 N + 7,1 N = 19,9 N, also praktisch ge-nauso groB wie der Schub. Damit ware die Energiebi-lanz auf dem Weg zum oberen Punkt vollstandig:

E l s 2 01,15 TmJ

7 5 ( X X J6 7 f J J J,7 7

ElkeleDies war ein reines Zwcckmodell, wahrscheinlich daserste Turbostrahlrnodell, dessen Triebwerk mit flussi-gem Kraftstoff (Diesel) betrieben wurde. Bei einemSchub/Gewichtsverhaltnis von nur 0,32 schaffte es ei-nen einwandfreien Bodenstart von der Asphaltpiste,

25


25/86

Die "FD2" auf dem VersuchsmodeU "EJkete" nach dene rs te n e rf ol gr ei ch en F li ig e n mi t Bode n sta rts im Herhst1989. (Foto Dr. Gerhard Rubin)

Reiner Binczyk beim AnIassen seiner ersten nugfahigenStrnhlturbine. Einige kurze Flammenstiille beim erstenHochfahren sind normal,

Das erste Semiscale-Experimenl, eine Mirage 2000,urspriinglich von Reiner Binczyk fiir Druckpropeller-antrieb gebaul. Sie wurde dem Verfasserfreundlicherwelse zu Turboexpcrimenten iiberlassen.Hier kam erstmals cine Strahlturbine der "FD3"-Seriezum Einsatz,

26

"Turboschnurr~, eine reine Zweckkonstruktion furStrahlturbinenantrieb. Das Triebwerk bekommt seineLuft dureh die On-nung in. Bug.

lI1."Rutonius", eine Turbo-Zweckkonstruktion Iiir die"FD3/64". Aueh hier wird die Luft durch den Rumpfangesaugt. Das Rad unter dem Rumpf Ist lenkbar undeinziehbar, An den Enden der Leitwerkstriiger sind k1eineStiitzriider eingelassen. Diese Fahrwerkskonstruktion hatsieh bestens bewahrt, dagegen erwies sich das Leitwerk aI snieht nugtauglieh.

"RutoniusU nach dem Umbau des Leirwerkes, DieReparaturen sind Folge der vorhin angegebenenFehlkonstruktion des Leitwerkes, Die Luflklappen aufder Oberseile des Triebwerkes sind nicht unbedingterforderlieh.


26/86

nach Vcrbesserung des Triebwerkes ebcnso sichervon dcr Rascnpistc, Durch Auswertung von Video-aufnahmen in der Startphase konnte die Richtigkeitdcr Startstreckenbercchnung gemiil3 Kapitel 3. 2. Ibestiitigt werden. Hinsichtlich Geschwindigkcit wares wegen des aufgesetzten Tricbwcrkes mit verhalt-nismii!3ig gro(lem Durchrncsser nicht b e so n de rs a uf-fa ll ic . E rs ta un li ch war, da13 die hoch i.iber dcmSch~erpunkt liegende Schubachsc des TriebwerksLjberhaupt kcine Lastigkeitsandcrungen bei Schuban-derung w.ihrend des Flugcs bcwirktc. Wahrscheinlichwird bcim Gasgebcn der Sekundarstrahl von kalterLuft mit einem geringen Winkel am Leitwerk nachobcnhin abue lenkt , das wirkt wie Ziehen und korn-pensiert autornatisch das Drchmomcnt urn die Quer-achse. Ahnlich ist auch das erste Experimentalmodellvon Reiner Binczyk.

Mirage 2000Das war ein modifiziertes Semi-Scale-Modell. Mit ei-nern Schub/Gewichtsverhaltnis von weniger als 0,5un d e in er Fliichenbelastung von e tw as m ehr als SO g!dm2 kam es mit einer Startstreckc von rund 40 mLange aus, 1m Steig!lug und Gcschwindigkeit wirktecs sehr uberzeugend und konnte selbst bei gedrossel-tem Schub noch schnell ge!logen werden. Verbluf-fung losten die klcincn vorbildiihnlichen Lufteinla!3-offnungcn bei Impcller-Modellfliegcm aus.

Turbo-SchnurfDas war ebenfalls ein Delta, aber im Gegensatz zurnVorgiinger mit erheblich geringercr Startrnasse unddi.innerem Profil. Bei nur 13 N Standschub kam es si-cher vom Boden weg. Die I3 N Schub konnten in derLuft noch erheblich reduziert werden, ohne da13 das

Beim Anlassen des Triebwerkes werden die heillenAbgase sicherheitshalber durch einen Blechkanal unterdem lIohenleilwerk abgeleltct. Die Anlasserlufl wirddurch die Haup!ansaugiiffnung eingeblasen. Dabeis ch lie fle n d ie Z us atz klap pe n au tom ati sch . N achStabilisienmg auf Leerlaufdreluahl is ! der Abgaskanalnieht rnehr erforderlich.

Modelliahm wirkte. Mit dcrn schubstarkcrcn Tricb-werk FD 31 M wurdc der Maximalschub von 18 N nurzum Stan und fur steilen Steigflug sowie Loopingscingesetzt. Beim Geradeausflug mit Vollgas war esanerkannt das allerschnellste Modell am Platze.RutoniusDie Flachengeornetrie ist konventionell, bei einerProfildichte von 15 ' Y o . Dank des gutcn Schub/Ge-wichtsverhaltnisses von besscr als 0.5 sind die Fluglei-stu ng en u be rr ag e nd , Trotz des dicken Profils !liegt escxtrem schnell und kann die Geschwindigkeit gut inHohe urnsetzen. Es ist echt kunstflugfiihig. Durch diefchlcnde Brernswirkung beim Landeanflug. die beigcdrosseltern Propellcrantrieb so typisch ist .Ian de t essich wie ein hochwertiger Segler. sofern man dasTriebwerk nicht abst

Documents

Modelarski Silnik Turbo- Odrzutowy