AT2429U2 - Turbinenrad - Google Patents

Abstract

Turbinenrad für Turbinen-Luftstrahltriebwerke, die dem Antrieb von Luftfahrzeugen, insbesondere von Modellflugzeugen bzw. Drohnen dienen. Bei diesem Turbinenrad werden Schaufelkranz (1) und Scheibe (2) in einem Stück spanabhebend aus hochwarmfesten Stahl gefertigt. Dadurch und aufgrund einer bestimmten Formgebung werden ein besonders hoher Wirkungsgrad und eine Zeitstandfestigkeit, auch bei sehr hohen Drehzahlen und Temperaturen, erreicht.

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenrad für ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk für Luftfahrzeuge, insbesondere für Modellflugzeuge bzw. Drohnen (unbemannte militärische Flugkörper). 



   Ein Turbinenrad hat in einem Strahltriebwerk die Aufgabe, einen Teil der Leistung des aus der Brennkammer und durch den Stator kommenden Frischgases in eine Drehbewegung/Wellenleistung umzusetzen. Ein axiales Turbinenrad besteht üblicherweise aus einer Scheibe, die von einem Schaufelkranz, der aus gekrümmten Turbinenschaufeln besteht, umgeben ist. 



   Die Scheibe kann einfach oder mehrfach durchbohrt sein, um eine Verbindung mit der Welle des Triebwerks herstellen zu können. Das Turbinenrad ist ein höchstbeanspruchter Bauteil, es muss in obgenannten Triebwerken Drehzahlen von über 100. 000 U/min bei Schaufeltemperaturen von bis zu 700    C   dauerhaft standhalten können. Die Fliehkraftbelastungen auf Schaufelfuss und Scheibe sind daher sehr hoch. 



   Diesen Belastungen bei hohen Temperaturen können nur hochwarmfeste Stähle wie   z. B. Chromnickel-oder   Chromnickelkobaltstähle standhalten. Auch muss der Konstrukteur die richtige Dimensionierung und Formgebung von Scheibe und Schaufel wählen, um einerseits einen hohen Wirkungsgrad des Turbinenrades zu erreichen, andererseits aber die hohen Spannungen im Material, die durch die hohen Zentrifugalkräfte auftreten, auf einem annehmbaren Wert zu halten. 

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   Durch die Gegebenheit, hochwarmfeste Stähle verwenden zu müssen, die sich schlecht mechanisch bearbeiten lassen, gestaltet sich die Herstellung der Turbinenräder überaus schwierig. 



   Bisher wurden Turbinenräder für obgenannte Triebwerke oft aus hochwarmfestem Blech gesägt, wobei dann die Formgebung der Schaufeln durch Verbiegen/Verdrehen und Beschleifen händisch erreicht wurde (Schreckling, Kurt : Strahlturbine, Baden-Baden, 1994, Kamps, Thomas : Modellstrahltriebwerke, Baden-Baden   1995).   



   Der Wirkungsgrad dieser Turbinenräder ist mässig, da es meist an Genauigkeit der Formgebung der Schaufeln und ausreichender Schaufelumlenkung des Luftstromes, vor allem im Schaufelfuss, fehlt. 



   Eine ander Möglichkeit der Fertigung besteht, diese Turbinenräder im Wachsausschmelzverfahren aus hochwarmfestem Stahl zu giessen. Dabei lässt sich eine günstige Schaufelform mit hoher Umlenkung erreichen, also ein Turbinenrad mit hohem Wirkungsgrad herstellen. Problematisch sind aber Einschlüsse im Material, die beim Giessen, oder Risse, die beim Erstarren und Abkühlen dieser kleinen Turbinenräder mit dünnen Schaufeln auftreten können. Diese Herstellung ist daher mit sehr aufwendigen Endkontrollen (zerstörungsfreie Materialuntersuchung auf Einschlüsse und Risse) verbunden. 



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben angegebenen Nachteile zu vermeiden. Dies wird dadurch   erreicht, fizz   Turbinenräder für Luftfahrzeuge, insbesondere für Triebwerke von Modellflugzeugen bzw. Drohnen in einem Stück aus hochwarmfesten Stahl spanabhbend gefertigt werden. Hiefür ist eine 

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 computergesteuerte Fräse erforderlich, die dem letzten Stand der Technik entspricht, da so kleine Abstände zwischen den Turbinenschaufeln dünne Hartmetallfräser, die mit 10-20. 000 Umdrehungen pro Minute arbeiten, notwendig und hochwarmfeste Stähle (wie z. B. Nimonic 90) einen entsprechenden Schnittdruck und eine Kühlung des Werkstückes bei der Bearbeitung erforderlich machen. 



   Die Vorteile sind ein in Drehzahl und Temperatur hochbelastbares Turbinenrad, da es aus einem Stück besteht, das durch einen hohen Wirkungsgrad, durch entsprechende Schaufelformgebung, besticht und durch die Art der Herstellung aufwendige Endkontrollen, wie Materialuntersuchungen auf Einschlüsse und Risse) weitestgehend überflüssig macht. 



   Vorteilhaft ist die Scheibe von einem Schaufelkranz, bestehend aus 17 bis 40, vorzugsweise 24, gekrümmten Turbinenschaufeln umgeben. Dadurch wird grundsätzlich ermöglicht, durchströmendem Frischgas, Leistung zu entnehmen und in Drehbewegung/Wellenleistung umzusetzen. 



   Weiters nimmt in vorteilhafter Weise die Breite des Querschnittes der Scheibe mit zunehmenden Scheibenradius vom Zentrum der Scheibe bis zum Schufelkranz hin ab. Dadurch kann die Materialspannung in der Scheibe, die durch die Zentrifugalkraft vor allem zum Zentrum hin stark zunimmt, gut aufgenommen werden. 

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   Nach einer weiteren Ausführungsform kann der Schaufeleintritt jeweils abgerundet und der Schaufelaustritt jeweils zugespitzt sein. Dadurch werden die Stossverluste am Schaufeleintritt reduziert und der Schaufelaustritt strömungsgünstig. 



   Vorteilhaft ist jede Turbinenschaufel so ausgeführt, dass die Skelettlinie des Schaufeleintritts etwa parallel, die Skelettlinie des Schaufelaustritts in einem Winkel Alpha von etwa 53 Grad zur Drehachse des Turbinenrades steht. Dadurch wird eine besonders wirkungsvolle Umlenkung des Frischgasstromes erreicht. 



   Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Scheibe einfach oder mehrfach durchbohrt sein. Dadurch ist eine je nach Verwendung variierbare Festigkeit der Verbindung mit der Welle des Triebwerks ermöglicht. 

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  In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt, die Fig. 1 zeigt das einstückige Turbinenrad mit Schaufelkranz und Scheibe in Seitenansicht, die Fig. 



  2 das Turbinenrad im Querschnitt und die Fig. 3 eine Turbinenschaufel mit ihrem Eintritt und Austritt in Seitenansicht. 



  Das Turbinenrad der vorliegenden Erfindung weist einen Schaufelkranz 1 und eine Scheibe 2 auf, wobei es in einem Stück aus   hochwannfesten1Stahl   gefertigt ist (s. die obigen Ausführungen). Dabei kann der Schaufelkranz aus 17 bis 40, vorzugsweise 24 gekrümmten Turbinenschaufeln la bestehen. Vorzugsweise nimmt die Breite des Querschnitts der Scheibe 2 mit   zunehmenden) Scheibenradius   vom Zentrum der Scheibe 2 bis zum Schaufelkranz 1 hin ab, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. 



  Zweckmässiger weise kann die Scheibe nicht nur mit einer Bohrung, sondern auch mit mehreren Bohrungen versehen sein, wodurch die Festigkeit der Verbindung mit der Welle des Triebwerkes variierbar ist. 



  Ausserdem kann der Turbinenschaufeleintritt (die Schaufelnase) jeweils abgerundet sein, wobei der Schaufelaustritt (Schaufelende) jeweils zugespitzt ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn jeder Schaufeleintritt in bzw. etwa in Richtung der Drehachse des Turbinenrades und jeder Schaufelaustritt in einem Winkel Alpha von 45 bis 60 Grad, vorzugsweise 53 Grad, zur Richtung der Drehachse des Turbinenrades hin verläuft, wie die Fig. 3 zeigt. 



  Dadurch sind ein besonders hoher Wirkungsgrad des Turbinenrades und eine einfachere sowie kostengünstigere Herstellung zu erzielen.

Claims (6)

1. Ansprüche 1. Turbinenrad für ein Turbinen-Luftstrahltriebwerk für Luftfahrzeuge, insbesondere für Modellflugzeuge bzw.

   Drohnen, dadurch gekennzeichnet, dass sein Schaufelkranz (1) und seine Scheibe (2) in einem Stück aus hochwarmfestem Stahl spanabhebend gefertigt sind.
2. 2. Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (2) von einem Schaufelkranz (1), bestehend aus 17 bis 40, vorzugsweise 24, gekrümmten Turbinenschaufeln (la) umgeben ist.
3. 3. Turbinenrad nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Querschnittes der Scheibe (2) mit zunehmenden Scheibenradius vom Zentrum der Scheibe (2) bis zum Schaufelkranz (l) hin abnimmt (Fig. 2).
4. 4. Turbinenrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufeleintritt (Schaufelnase) jeweils abgerundet und dass der Schaufelaustritt (Schaufelende) jeweils zugespitzt ist.
5. 5. Turbinenrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schaufeleintritt in bzw. etwa in Richtung der Drehachse des Turbinenrades und jeder Schaufelaustritt in einem Winkel Alpha von 45 bis 60 Grad, vorzugsweise 53 Grad, zur Richtung der Drehachse des Turbinenrades hin verläuft (Fig. 3).
6. 6. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (2) mit einer oder mehreren Bohrungen versehen ist.