Fantriebwerksthread zur Anregung und gemeinsamen Ideenfindung

Hallo Jetfreunde!
Ich mach jetzt (mal wieder) `nen Thread auf, weil ich mal alle aufrufen will, darüber nachzudenken, wie man ein Fantriebwerk auf die ´Beine´Stellen könnte, welches z.b. für eine x/F-35 realisierbar erscheinen lassen könnte.
Die arbeiten aus England und von Harald Schuster, denke ich, kennen die spezialisten bereits, sind aber noch mit einigen Problemen behaftet.
Bereits 2005 hatte ich mit Alfred (Kittelberger) das Thema in Greiz beim Eingenbauertrfeffen erörtert.
Hauptaufgabenmerk, soweit ich bisher weiß, möglichst die gesamte Wellenleistung in den Fan zu bekommen.
D.h. möglichst dirkete Anbindung, d.h. widerum ev.Probleme mit z.B.langen Wellen und damit biegekritischen Drehzahlen.
Im Turboprop werden meines Wissenens zwei Turbinenräder verdendet.
Also kein dirketer Antrieb, der natürlich, mit Verlusten behaftet ist, und der Bauraum der Turbine ist darüber hinaus schon recht groß.
Zur kompakteren Bauweise nun hätte ich zu Beginn zwei Anrgeungen:

1. Induktive Kopplung
Man stelle sich einen Generator vor dessen Antrieb an der Hauptwelle (Turbine) zwei magneten hat und der Abtrieb eine Spule.
Mit der Bestromung des Systems wäre eine mechanische Kraftübertragung möglich? (ev. gleichzeitig Stromgewinnung?)
2. Etwas weiter hergeholt : Wellenpumpe
Jetzt wird´s kompliziert :
Wir stellen uns die turbinenwelle vor. Sie wird innen bearbeitet und eine spindelförmige nut eingebracht.
Nun fertigen wir ( gedanklich) dazu passend eine welle an die saugen hineinpasst und aussen ebenfalls eine spindelnut besitzt.
Mit z.B. dem Medium Öl hätten wir eine pumpe gebaut, richtig? Gut dann sorgen wir noch über bohrungen für einen zu/Abfluss und könnten ggf. über den Druck die Kraftübertragung (entkoppelt) realsieren mit ensprechnender differezndrehzahl.-
Na gut die Vorschläge sind Grobe Anredgungen, kann sein das das ziemlicher Quatsch ist... aber würde mich freuen, wenn der Thread die Forscher unter uns herausfordert, eine Lösung, wenn auch langfristig,zu finden.
Hoffe habe jetz nicht zu viel geschrieben...

Gruss Thorsten und guten Rutsch

Das sind ziemlich interessante Überlegungen, die ich in ähnlicher Form auch schon angestellt habe. Die elektrische Variante dürfte sich mit relativ gutem Wirkungsgrad realisieren lassen, nur wiegt so eine Konstruktion ganz ordentlich. Als Nachteil sei noch zu nennen, dass einen ausreichend hohe Leistungsdichte eigentlich nur mit Selten-Erd-Magneten (NdFeB, SmCo) zu erwarten ist, was wiederum Synchronmaschinen erfordert. Dabei ist aber eine Auskupplung von Triebwerk und Welle nicht möglich, weil eben eine Energieübertragung nur bei Synchronbetrieb möglich ist.

Der Hydrostatische Antrieb ließe sich sicherlich sehr klein und leicht bauen, hat aber den Nachteil, dass man aufgrund der hohen Drehzahl sehr mit Kavitation und Abdichtproblemen zu kämpfen haben wird. Zudem wird der kombinierte Wirkungsgrad von Hydraulikpumpe und -motor ziemlich miserabel ausfallen.

Generell ist bei Auslegung als Einwellentriebwerk die mechanische Untersetzung wohl immer noch die beste Lösung, Wirkungsgrade um 90% bei geringem Gewicht sind erreichbar. Ich habe eine 5kW-Wellenleistungsturbine entwickelt, zu der ich leider noch keine Bilder veröffentlichen darf (da Auftragsarbeit). Sie ist von der gesamten Konstruktion her sehr an kleine APUs aus der bemannten Luftfahrt angelehnt, und setzt sowohl für Verdichter als auch für Turbine Radialräder ein. Als Untersetzung kommt ein Planetengetriebe zum Einsatz, das vor dem Verdichtereinlauf, also auf der kalten Seite des Triebwerks, montiert ist. Der gesamte Turbinenrotor ist fliegend gelagert ohne Lager im heißen Bereich. Die Brennkammer wird noch etwas Arbeit erfordern, aber bereits jetzt zeichnet ein sehr gutes Laufverhalten ab. Die Abgastemperatur ohne Last liegt bei rund 330°C, so dass genug Spielraum vorhanden ist, um ordentlich Leistung abzunehmen.

Dennoch haben mechanische Getriebe immer ein Problem mit extrem hohen Drehzahlen. Oft ist es bei einwelligen Triebwerken so, dass die Systemdrehzahl aus Rücksicht auf das Getriebe niedriger gewählt werden muss, als es für einen guten Wirkungsgrad wünschenswert wäre. Dieses Problem kann man eben mit der Freifahrturbine umgehen, da der Leistungsumsatz nun auf zwei Turbinenstufen aufgeteilt wird, wobei nun jede auf ihrer optimalen Drehzahl laufen kann. Dass ein "Kerntriebwerk" (bzw. Gasgenerator), der mit höherem Druckverhältnis und höherer Drehzahl läuft, eine größere Leistung bringt als ein Einwellentriebwerk, das mit "gebremstem Schaum" gefahren werden muss, versteht sich von selbst. Es ist aber nicht so, wie es oftmals geglaubt wird, dass ein einwelliges WL-Treibwerk prinzipiell weniger Leistung oder einen schlechteren Wirkungsgrad haben muss als ein vergleichbares Triebwerk mit Freifahrturbine. Letzeres hat jedoch unbestreitbar den Vorteil, dass es besser an eine Last anzupassen ist, die eine variable Drehzahl erfordert (Fixed-Pitch-Propeller), und die Strömungsdynamische Entkopplung des Gasgenerators vom Lastkreis ermöglicht ein Anlassen mit stehender Abtriebswelle und erübrigt so z.B. im Heli die Fliehkraftkupplung.

Auf der anderen Seite ist die einwellige Variante viel besser für Anwendungen geeignet, die eine feste Drehzahl erfordern, die präzise nachgeregelt werden muss, während das Drehmoment variabel ist. Eine genaue Drehzahlregelung einer Freifahrturbine ist sehr viel schwieriger und auch nicht mit der Präzision möglich, wie es die einwelligen Triebwerke erlauben. Letztere sind daher prädestiniert für Anwendungen in Hubschraubern und Generatoren.

Bei einem Fan bin ich mir nicht wirklich sicher, welche Variante besser geeignet wäre. Klar ist, dass eine Freifahrturbine, die einen (relativ) großen Fan direkt treiben soll, selber recht groß gebaut werden muss, um bei niedrigerer Drehzahl das erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Die getriebeuntersetzte Einwellenturbine könnte daher besser geeignet sein, hat aber z.T. das Problem, dass bei Teillast die Leistung zum Antrieb bzw. zur Beschleunigung des Fans zu gering sein könnte, was entweder verstellbare Leitschaufeln hinter dem Gebläserad oder ganz und gar verstellbare Laufschaufeln (technologisch sehr schwierig) erforderlich machen würde. Hat man diese Verstellmöglichkeit jedoch, so ist mit diesem Antrieb eine sehr schnelle Modulation des Schubs möglich, was für ein VTOL-Fluggerät natürlich extrem vorteilhaft wäre.

So, genug erzählt...

Ich wünsche Euch allen noch einen guten Rutsch, und Glück, Gesundheit und Erfolg für 2007!

Thomas

Hi Thorsten


Ich halte mal noch einige Vorteile fest, die mich und vielleicht andere auch antreiben, diese Antriebsvariante weiterzuverfolgen


+wesentlich besserer spezifischer Verbrauch
+besserer Antriebswirkungsgrad
+geringere Lärmentwicklung
+optisch ansprechender
+Vielfalt an Antriebsmöglichkeiten (Senkrechtstarter, Airlinertriebwerk)
+Einfachere Kühlung im Modellrumpf da Kaltmantelstrom

Nachteile nenne ich nur unlösbare Probleme...

-grössere Verletzungsgefahr wegen grossem Ansaugradius
-grössere bewegte (lange Schaufeln, Durchlaggefahr) und stationäre (lange Wellen, grosses Gehäuse) Massen
-aufwändige Herstellung


Zur Ergänzung freigegeben... Aber bitte nichts destruktives


Hoffe hier finden sich ein paar Leute.


Gruß
Johannes

Um mal den gaul von hinten aufzuspinnen:
Die Hauptanwendungen sind bei uns Jets mit sehr geringem vorhandenen innenraum. Dazu kommt die effiziens-rechnung unserer Triebwerke, die mit verlaub sehr sehr mager aussieht. Wir verbauen also auf engstem raum ein "kerosin-loch".
Durch eine Fan-anwendung verbessert man zwar den GESAMTwirkungsgrad, umgeht aber dabei die eigentlichen Probleme des Triebwerks, und kauft sich damit Platzprobleme ein, die sich nur durch den nachbau von Airlinern kompensieren lassen....

Das Hauptproblem bei unseren Brennern ist und bleibt das magere Druckverhältniss von maximal 3,5:1, meist deutlich drunter. Einen guten Wirkungsgrad bekommt man aber erst bei deutlich mehr. Ergo: mehr verdichterstufen. Umlenkungen der Luft sind mit verlusten behaftet....also sollte man dies tunlichst auch vermeiden. Wir basteln uns also ein achsiales Verdichternetz.
Die interessante entwicklung wäre also eher ein achsialtriebwerk mit mehreren verdichterstufen. Der wirkungsgrad geht rauf, der triebwerksdurchmesser drastisch runter, und die hochlaufzeiten sollten explosionsartig sein.
Mal abgesehen davon ist hier dann eine fan-einbindung wesentlich einfacher zu realisieren, wie uns die evolutionsgeschichte der großen brüder lehrt.

Und jetzt dürft ihr beruhigt mit den argumenten des fertigungsaufwandes auf mich einprügeln :-).
Ideenfindungen sind immer eine tolle sache, aber ich finde den weg zum Fan einen vorschnellen schuss, wenn die problematik des kerntriebwerks bestehen bleibt....nichts deso trotz ein interessantes unterfangen.

Noch einen guten rutsch an alle
Gruß
Hank

Oh, hab Thomas' Beitrag gar nicht gesehen.


Axialverdichter haben auch ihren Reiz. Ich glaube aber, dass man unter 6 Stufen die Effizienz noch nicht mit dem Radialverdichter vergleichen darf.
Auch wäre wahrscheinlich schon wie bei den grossen eine komplizierte Regelung zur Stall-Verhinderung nötig.

Die Triebwerke die an den Flugzeugen hängen die wir warten sind ausser dem TFE 731 allesamt getriebelose Turbofantriebwerke, der Fan ist meist durch 2 Niederdruckturbinenstufen direkt angetrieben. Die Turbinendurchmesser sind bei manchen Triebwerken fast so gross wie der Fan selbst. Nachteilig ist, dass die Turbinenstufen am unteren Limit des Optimums laufen und der Fan schon darüber, daher ist er sehr laut wegen der hohen Drehzahlen.

Das TFE 731 hat ein Planetengetriebe, das die Drehzahl weiter runtersetzt und zudem den Drehsinn ändert.

So wäre auch meine Vorstellung, 2-stufige Variante mit Untersetzungsgetriebe. Was meinst Thomas? Dabei sind auch nicht soo wahnsinnig hohe Drehzahlen zu bewältigen und das Kerntriebwerk vom mechanischen Teil befreit.

Was meiner Meinung nach der grösste "Nein" für koaxiale (daher platzsparende) Wellen ist, ist unsere lange Brennkammer. (Die damit lange und schwingungsgefährdete Wellen erfordert)
Ich baue mein nächstes Triebwerk mit einer Hohlwelleneinspritzung. Die Fertigung ist etwas komplizierter, der erste Wellenprototyp (noch ohne Einspritzung) arbeitet schon in einer P160 tadellos. Der Treibstoff wird sehr fein zerstäubt und äusserst gleichmässig verteilt. Erste "Trockenübungen" haben gezeigt dass die Saugwirkung ausreichend ist. Die Luftführung wird etwas komplizierter und den Wellentunnel muss ich wohl oder übel mit einer anderen Bauteilkombination ersetzen.


Guten Rutsch an alle,

Gruß
Johannes

suppi

suppi

Hallo Freunde,

ich dachte schon ich werde ignoriert... schön das es ( noch ) ein paar (Entwicklungs-)interessierte gibt. Und besonders auch diejenigen, die eigentlich aufgrund beruflicher Hintergründe mehr Wissen aber trotzdem einen Blick ins `Zauberkästle` zulassen und uns damit teilhaben lassen.
Ja..vielleicht sollten wir mal zwischendurch wie schon oben dann, vielleicht nach und nach, Pro-/Kontra Sammeln und eine Richtung finden , die machbar erscheint, das wäre doch ganz gut oder?
So genug geschwafelt.Aber heut sitzen wir ja alle eh vor der Glotze ;-)
Ach und Thomas, demnächst kommt die Nagelprobe der ACTU.
Gibts es inzwischen ein deutsches manual...?Geht auch in englisch... schöner wäre natürlich die deutsche Variante.

Grüße Thorsten

@Johannes

Ich kann ja mal "das Kätzle aus dem Säckle" lassen - zusammen mit einem Kumpel bin ich gerade dabei, ein richtig "fettes" WL-Triebwerk zu entwickeln. Wir reden hier von 110kW an der Welle bei einer Kiste, die rund 250mm Durchmesser und 300mm Länge hat und incl. aller Aggregate nicht mehr als 30kg wiegt. Das Laufzeug ist erstaunlich klein, Verdichter 125mm und Turbine 100mm, allerdings sind dies keine Teile für Turbolader, sondern sie werden speziell für diese Anwendung hergestellt. Drehzahl wird 100.000 1/min sein. Der Verdichter läuft transsonissch, damit wir einigermaßen Druck (PI etwa 6,5) und damit einen gescheiten Wirkungsgrad bekommen. Der Diffusor wird noch eine "harte Nuss" werden. Aber das ist zu schaffen. Wir haben uns auf eine Einwellenvariante geeinigt, und zwar aus zwei Gründen. Zum einen wird die "Kiste" dadurch konstruktiv deutlich einfacher (es ist zu bedenken, dass wir hier keine Verlustschmierung mehr machen können, bei zwei Wellen verdoppelt sich der Aufwand an Rückförderpumpen etc.) und damit auch günstiger. Der andere Grund ist thermodynamischer Natur: Ein hoher Wirkungsgrad bedingt eine möglichst hohe Turbineneintrittstemperatur. Bei dem angestrebten Druckverhältnis wird das Temerpaturgefälle über die Turbinenstufe knapp 450K betragen, das sich etwa zu gleichen Teilen auf Leitsystem und Laufrad aufteilt. Weiter bedeutet das aber auch, dass die maximale Temperatur am hochbelasteten Laufrad rund 220K niedriger ist als am Eintritt des Leitsystems, das man - da es stillsteht - deutlich besser kühlen kann. Hat man dagegen mehrere Stufen, so ist das Temperaturgefälle zum ersten Laufrad deutlich geringer, und man muß die Frischgastemperatur niedriger ansetzen. Die Folge ist ein geringerer Wirkungsgrad. Bei unserer Auslegung wird die Frischgastemperatur maximal 1100°C betragen dürfen, was schon ganz schön heftig ist. Bei Volllast beträgt die Abgastemperatur dann gerde mal noch 658°C.
Geplant ist, für diese Kiste dann auch mal 'nen Fan zu entwickeln, auch wenn das vielleicht mehr zum Spass sein wird. Als hauptsächliche Anwendung sind ULs, Experimentals und Kleinst-Hubschrauber beabsichtigt.

Auf Modelltriebwerke bezogen denke ich, dass einfach noch einiges in Richtung höherer Druckverhältnisse geforscht werden muss. Die relativ geringen Leistungsdichten unserer "Kerntriebwerke" im Vergleich zu reinen Turbojets ähnlicher Abmessung bewirkt nämlich, dass der Schub der Kombination WL-Triebwerk / Fan nur unwesentlich höher ausfällt als der des reinen Turbojets. Außer, man macht den Fan sehr groß, aber dann kann man auch gleich einen Turboprop bauen. Die Leistungsdichte bekommt man aber mit höherem Druckverhältnis und höherer Frischgastemperatur verbessert, so dass dies ein interessanter Punkt sein könnte. Ein Axialverdichter dürfte zu komplex sein, nicht umsonst ist man z.B. bei der Allison/Rolls Royce 250 Serie wieder davon weg gekommen. Vielleicht könnte man eine axiale Boosterstufe vor einen Radialverdichter setzen, das sollte noch machbar sein. Übrigens: Kommerzielle, kleine Helitriebwerke (wie z.B. die Turbomeca Arrius Serie) erreichen mittlerweile mit einer einzigen Radialverdichterstufe Druckverhältnisse jenseits von neun!

Bei einem zweiwelligen Turbofan würde ich um durchbohrte Wellen mit Schleudereinspritzung einen großen Bogen machen. Da ein Wellentunnel im üblichen Sinn dabei nicht mehr verwendbar ist, und die Luftzufuhr zum hinteren/inneren Teil der Brennkammer durch hohle Turbinenleitschaufeln erfolgen muss, wird dieses gesamte Gerät im Modellmassstab wohl extrem schwierig zu fertigen sein. Auch denke ich, dass man entweder ein Getriebe oder eine zweiwellige Konstruktion machen sollte. In der allgemeinen Luftfahrt hat sich das zwar beim TFE731 gut bewährt, aber da sind ganz andere Fertigungsverfahren und Materialien möglich, als sie dem Modellbauer üblicherweise zur Verfügung stehen. Wenn es dennoch eine zweiwellige Konstruktion sein soll, dann würde ich mir das (von der Luftführung her völlig kranke) Allied Signal ATF3 (http://www.aircraftenginedesign.com/pictures/ATF3.gif) anschauen. Gut, dreiwellig braucht man es ja nicht gleich zu bauen, und zwei Umlenkkaskaden für das Abgas sollten auch reichen. Aber so würde man sich die Hohlwelle sparen und könnte als Kerntriebwerk einen nur geringfügig modifizierten Turbojet einsetzen. Und das Getriebe (wenn man denn eins haben möchte) schließt die Bauart auch nicht aus.

@Thorsten

Leider immer noch kein deutsches Manual für die ATCU verfügbar. Bei Fragen am besten anrufen...

Guten Rutsch und viele Grüße,
Thomas

Hi Thomas,


Interessante Ausführungen schreibst Du da.

Aus welchem ultramega-Material bestehen denn Eure Verdichter, die eine Umfangsgeschwindigkeit von 650m/s überstehen??

880°C Turbineneintrittstemperatur ist ganz schön viel, wollt Ihr denn die Turbine auch kühlen?

Wie fertigt ihr die Laufräder? Verdichter lässt sich ja gut 3D fräsen aber Turbine, ächz, da erinnere ich mich an eine Fräsorgie mit etwa 5kg Werkzeugabfall bzw. Fall für den Schleifer bei den teuren VHM's. Für sehr kleine Räder habe ich mal an Drahterodieren gedacht... Vielleicht hast Du da schon mehr Erfahrung. Selber von Hand schnitzen wird ja heute kaum mehr einer der auf Höchstleistung aus ist.

An die Kombination Schleudereinspritzung/koax. Wellen habe ich noch gar nicht gedacht. Weiss gar nicht, ob das konstruktiv möglich ist.

Auf welchem Flugzeugtyp wurde denn das ATF3 eingesetzt? Da wurden wohl mehrere Triebwerke "ineinandergestaucht" Durchaus interessant. Das Ding ist halt auch wieder höllisch lang.

Eine gute Alternative wegen dem Brennkammerproblem, was auch noch relativ einfach zu fertigen ist, wäre eine richtige Umkehrbrennkammer.
Man könnte eine unglaublich kurze HD-Rotoreinheit realisieren.

Bei der Schleudereinspritzung ist wohl oder übel das Problem, die Luft von der Innenseite an die Brennkammer zu bringen. Hohle Turbinenleitschaufeln hätten den Vorteil der Kühlung, andererseits den Nachteil von der Zerklüftung des freien Querschnittes. Wobei, da kann man ja etwas mit den Winkeln arbeiten.

Alles sehr interessant, ich muss die Gedanken mal zu Papier bringen.


Bis dann,

Gruß
Johannes

Das Verdichterrad wird aus einem Schmiederohling aus einer Titanlegierung fünfachsig gefräst. Das ist Stand der Technik, kostet zwar ordentlich, aber doch nicht ganz so viel, wie ich befürchtet hatte, und hält der Belastung auf jeden Fall stand. Tests bei Borg Warner (ehemals KKK) haben gezeigt, dass solche Verdichter Umfangsgeschwindigkeiten >900m/s aushalten. Danach hat's jeweils die Turbinen "zerrissen". Um dieses Bauteil mache ich mir also (zumindest festigkeitsmäßig) keine Sorgen.

Das Turbinenrad wird in der Tat ein relativ kritisches Bauteil sein. Es wird (wie bei den meisten Kleinstturbinen) ein Gussteil sein. Als Material werden wir wohl MAR M247 einsetzen, das thermisch noch etwas höher belastbar ist als Inconel 713C, aber von der Verarbeitung und vom Preis sich nicht erheblich unterscheidet. Da das Turbinenrad als Radialturbine ausgeführt werden wird, haben wir den Vorteil, dass nur der Außenbereich, wo die Materialspannung noch verhältnismäßig gering ist, den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist. Zur Nabe bzw. den Schaufelfüßen fällt die Temperatur kontinuierlich ab. Selbstverständlich werden wir Tests zur Zeitstandfestigkeit machen müssen, bevor sowas als praxistauglich angeboten wird. Alternativ könnte das Turbinenrad aus Titanaluminid hergestellt werden. Dieses hat die halbe Dichte von den üblichen "Superlegierungen", und die Warmfestigkeit ist auch kein Problem. Was jedoch ein Problem ist, ist die Zunderbeständigkeit dieses Materials, insbesondere bei Temperaturen >600°C. Mein Kollege hat mich jedoch darauf hingewiesen, dass ein Forschungsinstitut kürzlich ein Verfahren entwickelt hat, mit dem die Oberfläche sozusagen durch eine selbstheilende Versiegelung (aus Aluminiumoxid) passiviert werden kann, so dass die Zunderfestigkeit bis über 1000°C gesteigert wird. Wenn sich das als praxistauglich erweisen sollte, wäre das wahrscheinlich das Material der Wahl. Zunächst wird's aber erst mal die erstgenannte Kobaltbasislegierung sein.

Zum ATF3 findest Du hier noch interessante Informationen: http://www.pocketprotectors.com/atf3/index.htm

Viele Grüße,
Thomas


P.S. Jetzt geht's "Neujahrsfliegen". Scheissegal, welches Wetter ist, irgendwas muss heute in die Luft...

Ich wusste nicht, dass Titanräder soviel mehr aushalten. Naja, die geringere Festigkeit des Turbinenrads bleibt wohl oder übel. Ein Verdichterrad aus Titan ist aber natürlich vorteilhaft, wenn man eine kleinere Turbine einsetzt.

Ist Titan als Turbinenmaterial nicht viel zu spröde bez. Sicherheit? Zumindest was Überlastung angeht, wird sich ein solches Rad je nach Geometrie gefährlicher Verhalten als ein gleiches Inconelrad.

Ich bin aber allgemein keine Freund von Gussteilen, die Teile aus dem "Vollen" sind zwar kostenintensiv was Zeit und Equipment angeht und für Massenfertigung wohl nicht geeignet, sind aber wegen der ausgeglichenen und gleichbleibenden Gefügestruktur Fliehkraftmässig noch etwas höher belastbarer. Ausserdem ist die Dehnung vor dem Bruch einige Prozent höher, sodass das Rad wahrscheinlich vor Abwurf einer Schaufel zuerst am Gehäuse streift.

@Hank: bei militärischen Nachbrennertriebwerken ist der Fan selbst ja auch kaum grösser im ø als das Triebwerk selbst, mit kleinem Bypassverhältnis kriegt man den schon in nen Rumpf unter


Gruß
Johannes

Das Verdichterrad muss zwangsweise größer als das Turbinenrad, wenn man ein hohes Druckverhältnis erreichen möchte und gleichzeitig die Turbine noch im Unterschallbereich betreiben will. Von daher ist die geringere Belastbarkeit des Turbinenradwerkstoffs im Vergleich zum Verdichter kein ernstzunehmendes Problem.

Dass ein spanabhebend bearbeitetes Werkstück immer eine bessere Festigkeit hat als ein gegossenes Teil, ist nicht allgemein richtig. Gussteile mit gerichteter Erstarrung, ggf. sogar mit "kristallfilter", so dass die Erstarrung einkristallin erfolgt, erreichen wesentlich bessere Eigenschaften als mechanisch bearbeitete Werkstücke. Zu Deinen Bedenken bzgl. des Bruchverhaltens von gegossenen Turbinenrädern schau Dir doch am besten mal die Materialdatenblätter der verwendeten Werkstoffe an. Hier gibt's eine schöne Übersicht: http://www.zollern.de/medien/PDF_Download/Giessereitechnik/Feing_Vak_Leg_de.pdf
Wie Du siehst, liegt die Bruchdehnung bei rund 3...5%, so dass bei ordentlichem Design des Rades bzw. der Schaufeln es vor dem Bruch immer zum Anstreifen des Rades am Mantel kommt und kein herumfliegendes Metall zu erwarten sein sollte. Anders verhält es sich bei Schwingungsbrüchen, aber davor bist Du auch mit einem mechanisch hergestellten Rad nicht sicher.

Titanaluminid ist nicht etwa eine simple Legierung aus Titan und Aluminium, sondern eine intermetallische Verbindung, die ganz wesentlich andere Eingenschaften hat als die beiden Ursprungsmetalle für sich allein. Von den mechanischen Eigenschaften her leigt das Material in etwa zwischen Metallen und Keramik. Es ist nicht so spröde wie letztere, aber auch das Kriechverhalten bei erhöhten Temperaturen ist besser als bei den typischen Nickelbasiswerkstoffen. Dazu kommt die enorme Warmfestigkeit und die etwa nur halb so große Dichte wie die üblichen "Superlegierungen". Die großen Triebwerkshersteller denken darüber nach bzw. erproben schon den Einsatz von Titanaluminid in den Turbinenstufen der Niederdruckwelle. Die mechanische Bearbeitung dieses Materials gestaltet sich allerdings noch recht schwierig (Schaufelfüße etc.). Selbst im Motorenbau hat dieses Material z.B. für sehr leichte und hochfeste Pleuel schon Einzug gehalten. Bei Interesse am besten einfach mal danach "googeln".

Gruß,
Thomas

es ist zwar interessant wie sich hier einige mit google weiterbilden
aber aus einem bäcker wird dadurch auch kein metallfachmann leider

belastungen unter normalbedingungen
und mechanische belastung unter hitzeeinwirkung?? leute überlegt mal !!!

@michael_007

Ich vertehe nicht, wie Du das mit der Belastung unter Normalbedingungen meinst. Wenn Du in das PDF von Zollern geschaut hast, dann solltest Du bemerkt haben, dass dort u.A. die 0,2% Zeitdehngrenzen bei verschiendenen Temperaturen für die üblichen Hochtemperatur-Feingusslegierungen angegeben sind. Somit sind sehr wohl qualifizierte Aussagen über die Belastbarkeiten unserer Turbinenräder möglich. Zu Titanaluminiden findet man logischerweise noch nicht so viele Details, da diese einfach erst am Anfang des kommerziellen Einsatzes stehen. Und dass das Web nicht alleinig schlau macht, ist mir auch klar.

Den Satz mit dem Bäcker lasse ich mal unkommentiert. Bin Physiker.

Gruß,
Thomas

Hallo Thomas,


Sind denn einkristalline Schaufeln wirklich Gussteile, wird das nicht durch ein nachträgliches Behandeln erreicht?

Dieses Titanaluminid scheint ein wirklich interessantes Material zu sein. Woher konntest Du es eigentlich kriegen? Kann mir vorstellen, dass die Beschaffung nicht einfach war.

Die Höhe des angestrebten Druckverhältnisses (Verdichtercharakteristik unberücksichtigt) wird doch vorallem durch die freie Kreisringfläche auf der Turbinenradhöhe bestimmt, diese kann durch Variation von Schaufelendwinkel, Schaufellänge und "Beiwert" (Schaufeldicke, Anzahl..) bestimmt.


Bis dann,

Gruss
Johannes

Ich habe das Material noch nicht. Mein Kollege, mit dem ich die Entwicklung gemeinsam mache, ist aber spitze im Organisieren und "Firmen Anbaggern", er hat schon eine Firma ausfindig gemacht, die uns das Turbinenrad bei Anlieferung eines Wachslings entsprechend gießen wird.

Bzgl. der Herstellungsverfahren von Turbinenschaufeln durch Feinguss ist diese Dissertation ganz interessant:
http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=966050436&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=966050436.pdf
Auf Seite 19 ist unter "Brigemanverfahren" recht gut beschrieben, wie die einkristalline Erstarrung erforlgt. In diesem PDF
http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=966050436&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=966050436.pdf
ist nach dem ersten Fünftel ein interessantes Foto zu sehen, das eine konventionell gegossene, gerichtet erstarrte und einkristalline Turbinenschaufel zeigt.

Ich hoffe, damit wird die Sache etwas anschaulicher.

Thomas

was so einige nicht verstehen
alle materialien verlieren festigkeit durch erwärmung
wenn ein bauteil x mechanisch (durch rotation) bis zur streckgrenze belastet wird und dann auch noch thermisch !!!
dann zeig mir mal in deiner pdf datei wo du da was ablesen willst !!!!
das meine ich mit bäcker

Dann stell mal den Acrobat auf Doppelseitendarstellung und schau Dir Seite 3 des PDFs an.

Gruß,
Thomas

Hallo Thomas,


Das ist wirklich eine interessante Thematik. Jetzt wundert man sich auch nicht mehr, warum ein Turbinenrad für die grossen 500'000 USD aufwärts kosten. Es scheint sich aber zu lohnen, wie auch immer damit Kosten gespart werden können. (möglicherweise ein besseres Leistungsgewicht und ein Effizienz-plus)

Schade dass du keine Fotos von Deinem Projekt veröffentlichen darfst.

@Michael: ich hoffe deine Beiträge muss man nur so ernst nehmen wie dein Pseudonym. Du hast mit deinen zwei Beiträgen nichts zur Ideensammlung oder zum Informationsaustausch beigetragen was mich bis jetzt nichts anderes denken lässt als dass Du der Bäcker von uns bist


Johannes

Zum eigentlichen Beitragsthema zurück.


Nach allen anfänglichen Vorschlägen und Gedanken sowie bereits erfolgreichen Turbofan-Konstruktionen zu urteilen, scheint eine zweistufige Variante das sinnvollste und ziemlich das Einfachste zu sein. (ausgehend von der höchstmöglichen Triebwerksdrehzahl!)

Vorteile gegenüber einer einwellen-Version:

-Welle N1 kann durch irgendwelche Gründe (Materialversagen, FOD) blockieren, ohne dass Schäden am Gasgenerator auftreten.
-einfacher zu beherrschende Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeit der N1 Welle

Nachteile

-mit zusätzlichem Getriebe schwergewichtiger
-schlechteres Leistungsgewicht
-etwas mehr Konstruktionsaufwand, bei beiden Versionen das Getriebe nicht miteingerechnet
-braucht etwas mehr Platz

Der zweite Vorteil stellt meiner Meinung nach alle Nachteile in den Schatten. Es wäre Schade einen Einweller zu bauen und dann eine akzeptabel hohe Drehzahl/Leistung/Effizienz wegen Getriebeschwächen nicht erreichen zu können.

Bei einem Fan mit grossem Bypassverhältnis ist vermutlich ein Getriebe vonnöten.

Vorschläge zur Konstruktion von den Teilen, die sich von einer normalen 2w-Wellenleistungsturbine unterscheiden:

- Umkehrbrennkammer
-> ultrakurze N2 Rotoreinheit
-> höhere biegekritische Drehzahlen für beide Wellen da kürzer
-> platzsparende koaxialanordnung möglich. (Die dünne lange N1 Welle war und ist ein Problem!)
- Fan wahlweise grosses oder kleines Bypassverhältnis
->mit/ohne Getriebe
- Fanschaufeln
-> Herstellung:
-> Material (Aluminium, Kohle...)
-> Festigkeit -> maximal mögliche Umfangsgeschwindigkeit berechnen
-Fangehäuse
->vorzugsweise aus composite (Kohlefaser dämpft Schwingungen),als Sicherheitsplus mit Kevlarumwicklung auf Höhe der Drehebene des Fans

Es ist festzulegen zu welcher Leistungsklasse das Triebwerk gehören soll. Damit kann der N2 Rotor grob im Durchmesser abgeschätzt werden und ein geeignetes Verdichterrad gesucht werden.

Ich bin wie gesagt bereits daran, konkrete grobe Designvorschläge zu entwerfen. Nachträglich habe ich die Möglichkeit am Autodesk Inventor das ganze CAD zu zeichnen.

Für mich steht fest, dass ich ein solches Triebwerk bauen muss. Es wäre natürlich schön wenn sich der Eine oder Andere auch melden würde um mitzusteuern, dass das Ganze ein Erfolg wird, sei es mit Ideen oder freiwilliger Mithilfe bei der Herstellung.


Gruß
Johannes

Ich denke auch, dass ein zweiwelliger Turbofan am schnellsten in den Griff zu bekommen sein wird. Das Hauptproblem stellt dabei leider das Verdichterrad mit seiner relativ kleinen Nabe dar. Dieses begrenzt nämlich den maximalen Durchmesser der Niederdruckwelle. Wenn man aber beide Wellen in die gleiche richtung rotieren lässt, ist bleibt die Differenzdrehzahl vielleicht in einem Rahmen, dass man irgendwo zwischen die beiden Wellen ein Nadellager oder sowas machen kann, um die Resonanzfrequenz der Niederdruckwelle anzuheben.

Wenn Einigkeit über die Abmessungen des ganzen Geräts (insbesondere den Durchmesser) besteht, werde ich mal ein bisschen rechnen. Es kann nämlich sein, dass bei den im Gasgenerator erreichbaren Druckverhältnissen, der Gesamtschub gar nicht so viel größer ist als bei einem reinen Turbojet in der Größe des Gasgenerators. Aber interessant ist die ganze Sache allemal.

Da hätte ich ja beinahe noch was vergessen: Unter Umständen könnte es sinvoll sein, über einen "Aft Fan" nachzudenken. Dabei handelt es sich um ein Turbinenrad, an dessen Umfang direkt die Fan-Schaufeln angebracht sind. Bei den geringen Baugrößen, mit denen wir es im Modellbereich zu tun haben, könnte der Gewichtsnachteil, wenn man ein solches Rad komplett aus einer Superlegierung macht, gar nicht so hoch ausfallen. Besonders wenn man darüber nachdenkt, was man dabei alles an Bauteilen einspart. Wenn man Gasgenerator und Fan gegenläufig macht, könnte man ggf. sogar bei entsprechender Auslegung der Gasgeneratorturbine, auf ein zweites Leitsystem verzichten. Siehe dazu auch die Infos zur TS-21 auf meiner Website: http://www.turbinenmuseum.de/Gasturbines/TS-21/ts-21.html

Thomas