Turbinen

Wieso Turbinen Modellflug? Es gibt tausend Gründe! Wenn man vorbildgetreu Modelle bauen möchte so sind Turbinen Modelle wohl die RC Flieger welche den realistischsten Sound haben. Hinzu kommt der Geruch von duftenden Kerosin beim Betrieb, der Adrenalin Effekt und die erreichbaren Geschwindigkeiten von Jet Modellen.

Turbinen Größen

Wie man gewohnt ist bei Verbrennungsmotoren mit ccm und PS zu hantieren um Größe und Leistung eines Motors zu bestimmen, so gibt es bei Turbinen in erster Linie die Angabe des erzeugten Standschubes. Der Wert wird in Newton angegeben. Vergleichsweise oft wird auch von kg Standschub geredet, was im Prinzip vergleichbar ist.

In den letzten Jahren haben die Angebote an Modellturbinen zugenommen und Turbinen sind in einem weiten Spektrum der Schubwerte von ca. 10N bis 300N verfügbar. Eine Übersicht erhaltet ihr auch auf unserer Hersteller Seite.

Autostart

Während vor allem in den Anfängen der Modellturbinen Entwicklung der Startvorgang des Triebwerks manuell gesteuert wurde, ist er heute bei allen Triebwerken automatisch. Beim manuellen Start wurde in der Regel Druckluft benutzt um denn Läufer in der Turbine auf Drehzahl zu beschleunigen um die Zündung durchführen zu können. Beim Autostart übernimmt diesen Vorgang ein Elektromotor. Um die Zündung der Brennkammer herbeizuführen gibt es aber immer noch zwei unterschiedliche Verfahren.

Gasstart

Beim Start einer Turbine mit Gasstart wird zur Zündung ein Hilfsgas (Propangas) benötigt. Das Hilfsgas wird in die Turbine eingeleitet und an einer Glühkerze (wie beim Methanol Verbrennungsmotor) entzündet. So wird die Brennkammer auf Temperatur gebracht um dann das Kerosin Gemisch zünden zu können und um dann die Turbine auf Selbsthaltedrehzahl zu beschleunigen.

  • Vorteile: Kleiner Turbinen Akku
  • Nachteile: Zusätzliches Hilfsgas notwendig, Gastank im Modell birgt Sicherheitsrisiken.

Kerosinstart

Beim Kerosinstart wird kein Hilfsgas mehr benötigt. Beim automatischen Startvorgang wird Kerosin an einem Glühstift, ähnlich eines Zünders einer Auto Standheizung, entzündet. Mit dieser Flamme wird die Brennkammer vorgeheizt um dann das eingespritzte Kerosin entzünden zu können und die Turbine hochzufahren. Im Kerosinstart liegt daher die Zukunft!

  • Vorteile: Kein Hilfsgas notwendig
  • Nachteile: Größerer Akku notwendig, höheres Gewicht und höherer Preis

Welche Turbine

Welche Turbine setzt man ein? Diese Frage wird in vielen Modellbau Foren immer wieder diskutiert. Es gibt hierfür keine Standard Antwort, es ist eine dieser Fragen bei welcher man von 10 Experten 12 Meinungen erhalten wird. Fakt ist: Modellturbinen sind aus den Kinderschuhen entwachsen, überwiegend alle am Markt erhältlichen Triebwerke sind alltagstauglich und erfüllen ihren Zweck. Der wichtigste Parameter, der maximale Schub, wird meist durch das Modell vorgegeben welches man antreiben möchte.

  • Schub: Der maximale Schub ist wichtig, die meisten Modelle verlangen in der Regel nach einer Turbine bei der ein Gewicht/Schub Verhältniss von ca. 1:1 erreicht wird. Dies ist insbesondere beim Start von Graspisten notwendig. Der Schub im Leerlauf kann in der Regel jedoch vernachlässigt werden, dieser ist oft gering und wird durch das Einsetzen von Landeklappen an Jet Modellen unterdrückt.
  • Gewicht: Das Gewicht der Turbine ist immer relevant, immerhin sind Jet Modelle keine Ultraleicht Modelle. Hier ist empfohlen sich nicht alleine am Gewicht der puren Turbine selbst zu orientieren. Zum Systemgewicht gehören alle Komponenten des Antriebs, also auch ECU, Ventile, Kabel, Filter und der Akku.
  • Beschleunigungsverhalten: Eine Modellturbine kann nicht wie ein Elektromotor in Millisekunden ihre Drehzahl verändern. Ältere Typen benötigen teilweise 4-5 Sekunden um auf maximale Drehzahl und somit maximalen Schub zu beschleunigen. Neuere Triebwerke erledigen dies in deutlich geringeren Zeiten von teilweise nur ca. 1,5 Sekunden. Ob man dieses Beschleunigungsverhalten benötigt ist vom Modell abhängig, aber auch vom Erfahrungsschatz des Piloten selbst.

Komponenten

Komponenten einer TurbineZum Betrieb einer Modellturbine werden spezielle Komponenten benötigt. Natürlich benötigt man wie bei jedem anderen RC Modell auch Empfänger und RC Stromversorgungen, spezifisch für eine Modellturbine werden aber die folgenden Komponenten für den Betrieb notwendig:

Turbine
Die Turbine selbst. In der Regel mit fest installierten Sensoren für die Abgastemperatur und die Drehzahl sowie dem Elektromotor für den Autostart.

Akku
Der Akku dient zur separaten Stromversorgung der Turbine, unabhängig von den anderen RC Komponenten. Je nach Typ und Startprozedur werden NiCD, NiMH oder LIPO Akkus verwendet mit unterschiedlichen Spannungen. Für Kerosinstart Systeme sind höhere Kappazitäten notwendig.

ECU
Die ECU (Engine Control Unit) ist der Bordcomputer des Triebwerks. Die ECU überwacht die Betriebsparameter und steuert die Pumpe, Ventile und die Startprozedur.

Kraftstoffpumpe und Ventile
Die Pumpe wird von der ECU gesteuert, sie fördert den Kraftstoff aus dem Tanksystem zur Turbine. Die Ventile steuern dabei die Verteilung des Kraftstoffes (oder Hilfsgases), zum Brenner für den Startvorgang oder in die Brennkammer während des Betriebes.

Staubschutz Sieb
Es ist zwar nicht zwingend notwendig, doch wird es überwiegend immer eingesetzt, es verhindert das Gras oder ähnliche Gegenstände am Boden angesaugt werden und in die Turbine gelangen. Unsere Meinung: Niemals ohne!

Funktionsweise

Über die Funktionsweise eine Modellturbine könnte man eine eigene Internet Seite erstellen. Werd die thermodynamischen Prozesse im Detail verstehen möchte kann auf unzählige Fachliteratur zurück greifen. Im folgenden beschreiben wir nur die grundlegenden Abläufe beim Turbinen Betrieb.

Grundlagen

Grundlage für den Betrieb ist ein üblicher Fernsteuerungs Empfänger. Die Turbine wird am normalen Gaskanal betrieben wie auch eine Elektro oder Verbrennungsmotor. Für den Start / Stop Vorgang wird entweder die Trimmung des Senders benutzt oder ein separater Schaltkanal.
Im Prinzip ist auch eine Turbine ein Verbrennungsmotor, nur wird die Verbrennung hier nicht ion 2 oder 4 Takten geregelt, sondern erfolgt kontiuierlich. Es wird die Drehzahl überwacht (optisch oder magnetisch) sowie die Abgastemperatur.
Grundsätzlich benötigt das System zum Betrieb einer Turbine eine Abstimmung verschiedener Komponenten aufeinander. Diese sind im ganzen Betriebsstrang zu finden: Tank, Schläuche, Filter, Pumpe, Turbine, Schubrohr, Luftzufuhr, Wetter, Luftdruck, Temperatur usw. Hierzu benötigt die Turbinen ECU eine Kalibrierung oder auch einen Kalibrierungslauf. Bei älteren ECUs wurde dieser Kalibrierungslauf separat durchgeführt, mittlerweile ist es aber üblich das die Turbine die Kalibrierung bei jedem automatischen Start mit durchführt.

Autostart

Beim automatischen Start einer Modellturbine laufen grob beschrieben die folgenden Abläufe ab (Kerosinstart):

  1. Test ob die Drehzahlmessung arbeitet (kurzes Anstarten des Läufers)
  2. Aktivierung des Brenners, dieser wird einige Sekunden zum glühen versetzt.
  3. Läufer wird in Gang gesetzt, Kerosin wird dem Brenner zugeführt.
  4. Kerosin am Brenner entzündet sich und beginnt die Turbine / Brennkammer aufzuheizen.
  5. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur wird Kerosin der Brennkammer zugeführt, verdampft und entzündet sich in der heissen Brennkammer.
  6. Die Drehzahl des Läufers wird mit dem Elektro Motor weiter erhöht, zusätzlich wird die Kraftstoffzufuhr erhöht.
  7. Es wird die Selbsthaltedrehzahl erreicht, der Elektromotor wird nicht mehr benötigt und wird abgeschaltet.
  8. Die Turbine wird durch noch mehr Kraftstoff langsam weiter beschleunigt bis zur vorgegebenen Leerlaufdrehzahl
  9. Auto Kalibrierungs ECUs werden danach eine weitere Beschleunigung der Turbine vornehmen und dabei Parameter für die Pumpenspannung erfassen und berechnen.
  10. Die Turbine wird auf Leerlaufdrehzahl zurück verlangsamt und die ECU übergibt die Steuerung an den Piloten

Automatischer Betrieb

Im automatischen Betrieb wird die Drehzahl und damit auch der Schub in Abhängigkeit zum Gaskanal der ECU gesteuert. Die Betriebsparameter werden permanent überwacht und ggf. korrigiert. Insbesondere beim Beschleunigen des Triebwerks wird die Abgastemperatur genau überwacht um eine Überhitzung des Systems zu unterbinden.

Stop

Wird der Pilot die Turbine stoppen, so wird die elektrische Pumpe gestoppt, die Ventile werden geschlossen. Der Verbrennungsprozess wird gestoppt und der Läufer wird Drehzahl abbauen.
Da das Triebwerk nach dem Betrieb nun noch sehr heiss ist wird der Elektromotor wieder gestartet und der Läufer wird weiter gedreht um kalte Frischluft durch das System zu fördern. Durch diesen Vorgang wird die Turbine so lange gekühlt bis sich die Abgastemperatur unter einer definierten Temperatur befindet. Wird dieser Messwert unterschritten schaltet die ECU das System endgültig ab.

Nachbrenner

Was bei Kampfjets im Vorbild funktioniert ist bei Modellturbinen nicht verbreitet, der Nachbrenner. Bei einem RC Jet Modell wird gegenüber dem Vorbild eigentlich keiner benötigt, da die zur Verfügung stehende Leistung unserer Modellturbinen in Verhältniss zum Gewicht viel höher ist als beim Original. Dort wird der Nachbrenner und die damit erzielte Leistungssteigerung wirklich notwendig. Für RC Modelle würde dies nur zusätzlich Gewicht und Kraftstoffverbrauch bedeuten.
Trotzdem gibt es verschiedene Ansätze einen echten Nachbrenner auch auf Modellturbinen umzusetzen, und es gibt gewisse Ansätze die mittlerweile wirklich hervorragende Ergebnisse liefern. Dazu ein Video des echten Nachbrenners von Pröll.

Daten

  • Turbine 23 kg Schub
  • Drehzahl max: 102000 UpM
  • Abgastemperatur: 650 Grad
  • Druckverhältnis: 3,5 : 1
  • Spritverbrauch: 800 mL

Mit Nachbrenner

 

  • Nachbrenner: 14 kg Schub
  • Abgastemperatur: 759 Grad
  • Spritverbrauch: 1100 mL
  • Verbrauch Total: 1900 mL pro Minute
  • Schub Total 37 kg!

Damit wird eine Leistungssteigerung von ca. 60% erreicht!

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