Überlegungen zu einer direkt beheizten Modell-Dampfturbine mit Stumpf-Schaufeln

[Turbo-Georg]

Hallo liebe Modellbaufreunde,
ich möchte hiermit kurz über den Entwicklungsstand der "Gas beheizten Modelldampfturbine" berichten.

In den letzten Wochen habe ich mich weitgehend mit der konstruktiven Gestaltung des Dampferzeugers, sowie der elektronischen Zündung auseinander gesetzt.
Im Anhang findet ihr eine Design-Studie als Freihandskizze mit der Darstellung der wichtigsten Komponenten.
Die zweite Zeichnung zeigt eine vereinfachte Schnitte-Darstellung des Dampferzeugers.   

[Turbo-Georg]

In #Antwort 25 habe ich bereits darauf hingewiesen, dass das Turbinenrad dieses Entwurfes noch Verbesserungspotenzial enthält und das ggf. auch eine höhere Turbinenleistung erforderlich werden könnte.

Ich halte es daher für angebracht, das Laufrad von Gas beheizten Modelldampfturbinen alternativ mit den vergleichsweise einfach herstellbaren Blechschaufeln auszustatten.
Ich habe hierzu ein neues Thema eröffnet.

http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,24043.0.html

[Turbo-Georg]

Liebe Freunde der Modell-Dampfturbinen.

Nach längerer Zeit wieder ein Update zur Entwicklung der Gas beheizten Modell-Dampfturbine.
Im Anhang findet ihr neben einer Schnittzeichnung eine perspektivische Handskizze mit den augenscheinlichsten Änderungen.

Der aufwendige Röhren-Luftvorwärmer entfällt. Die Zusatzluft wird nunmehr durch den untersten Teil des äußeren Mantels geleitet, in der Kammer zwischen Rauchgas-Wendekammer und Turbinenflansch vorgewärmt und über Schlitze in den vier Luftkanäle des Außenmantels dem Innenraum zugeführt.
Vom Innenraum gelangt die Zusatzluft über entsprechende Öffnungen in die Flammenrohre.

Darüber hinaus wurde auch die Vorwärmung des Speisewassers geändert.
Bevor das Speisewasser den Sprühdüsen der Verdampfer zugeführt wird, durchströmt es zwei Mäander förmige Rohrschlangen in Abdampfräumen die beidseitig den weitaus größten Teil des Außenmantels einnehmen.
Diese Rohrschlangen dienen der Last unabhängigen Stabilisierung der Temperatur des Speisewassers.
Bekanntlich muss die Speisewasser-Temperatur deutlich unter der Siedetemperatur liegen,
um eine fehlerfreie Funktion der Sprühdüsen zu sichern. 
Die Temperatur des Wassers aus dem Vorwärmer im Rauchgas-Kanal schwankt aber mit der Rauchgas-Temperatur; die wiederum ist von der regelbaren Heizleistung abhängig.

Der Abdampf entspannt sich in der Turbine auf Umgebungsdruck (p₀ = 1 at_a ≈ 1 bar_a) und hat dabei immer eine Temperatur von
ca. 100  ^oC.
Ist die Temperatur des Speisewassers zu hoch, wird sie durch den Abdampf auf < 100 ^oC herunter gekühlt; ist sie zu niedrig wird sie entsprechend erhöht.

[Turbo-Georg]

Liebe Modellbau-Freunde,
ich habe in einem anderen Forum ausführlich über den Stand der Entwicklung berichtet; diese Informationen möchte ich euch nicht vorenthalten.

Zum besseren Verständnis habe ich neben einer neuen Schnittzeichnung wieder eine Handskizze der perspektivischen Darstellung der Dampferzeugung angefertigt.

In der angehangenen Schnittzeichnung durchströmt der Dampf die Schaufeln quer zur Achsrichtung, also radial. Hierdurch ergibt sich bei unserer Anwendung für den Dampf der kürzeste und verlustärmste Strömungsweg.

Stumpfschaufel können zwar auch radial angeordnet werden, aber es zeigt sich, dass die Anzahl der auf einem bestimmten Durchmesser unter bringbaren Schaufeln deutlich geringer ist und der Wirkungsgrad sinkt.
Man könnte unter Inkaufnahme eines weniger günstigen Strömungsweges die Turbine so umkonstruieren, dass ,,Stumpf"-Schaufeln in Achsrichtung, also axial durchströmt werden.

Die Wahl der geeigneten Schaufelform hängt aber einzig und allein von den technologischen Gegebenheiten ab.
Laufräder mit Profilschaufel, wie wir sie von Reiners Beitrag
http://www.rc-modellbau-schiffe.de/wbb2/thread.php?threadid=17351 oder auch vom Großbetrieb kennen, haben zweifellos den besten Wirkungsgrad; sie sind aber schwierig in der Herstellung.
Wer aber über eine präzise CNC-Fräsvorrichtung verfügt oder die Fräsarbeiten als angebotene Dienstleistung vergeben möchte, sollte sich für diese Schaufelform entscheiden.
Wie solche Schaufeln berechnet werden und wie man sie konstruiert, findet ihr hier beschrieben.
http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,16639.0.html

Wie die Zeichnungen zeigen, besteht der Dampferzeuger nahezu ausschließlich aus ineinander gefügten Blechrohren.
Ich habe hierfür handelsübliche, dünnwandige Edelstahlrohre aus dem Heizungsbau vorgesehen. Die Abschottungen sind ebenfalls aus Edelstahl-Blech; sie erhalten entweder entsprechende Bördelungen oder werden ggf. über gedrehte Flansche eingebunden.
Lediglich die Wärme übertragenden Baukomponenten sind aus Kupfer bzw. aus Messing.

Der Außenmantel wird mit Kork oder Nefalit isoliert; er umschließt einen Raum, der in vier Segmente geteilt ist.
Links und rechts je ein Abdampfsegment mit den beiden Temperatur-Stabilisatoren des Speisewassers, sowie oben und unten die Segmente zur Zuführung der Zusatzluft.
Die Zusatzluft kühlt teilweise den Außenmantel bevor sie in den Zwischenraum zwischen Rauchgas-Wendekammer und Turbinenflansch strömt. Hier wird sie weiter vorgewärmt, um über das geschlitzte Luftrohr in den Innenraum zu gelangen.

Der Abdampf hat ebenfalls eine Kühlfunktion; er nimmt dabei Wärme zu seiner Trocknung auf, bevor er über einen Dampfbläser dem Kamin zugeführt wird.

Im Innenraum befinden sich neben dem zentralen Luftrohr die vier Flammenrohre mit den Brennern und den Verdampfern.
Der Innenraum wird vom Luftmantelrohr umschlossen. Zwischen Luftmantel und Rauchgas-Mantelrohr liegen die beiden Segmente für den Abzug des Rauchgases; sie beinhalten die Speisewasser-Vorwärmer und führen zum Rauchgaskanal und letztendlich von hier zum Kamin.

Bevor das vorgewärmte Speisewasser den Sprühdüsen der Verdampfer zugeführt wird, durchströmt es zwei Mäander förmige Rohrschlangen in den Abdampfräumen, die beidseitig als Segmente einen Teil des Außenmantels bilden.
Diese Rohrschlangen dienen der Last unabhängigen Stabilisierung der Temperatur des Speisewassers.
Bekanntlich muss die Speisewasser-Temperatur knapp unter der Siedetemperatur liegen, um eine fehlerfreie Zerstäubung zu sichern. 
Die Temperatur des Wassers aus dem Vorwärmer im Rauchgas-Kanal schwankt aber mit der Rauchgas-Temperatur; die wiederum ist von der regelbaren Heizleistung abhängig.
Die, für eine effiziente Wärmeübertragung erforderliche Temperatur-Differenz der Fluide ist zwar gering; aber die hohen Wärmeübergangszahlen von kondensierendem Dampf einerseits und heißem Wasser andererseits, kommen uns hier sehr entgegen. Die Stabilisatoren fungieren als Wärmetauscher nach dem Gleichstrom-Prinzip.

Der Abdampf entspannt sich in der Turbine auf Umgebungsdruck (p ₀ = 1 at_a ≈ 1 bar_a)
und hat dabei immer eine Temperatur von ca. 100 ^oC.
Ist die Temperatur des Speisewassers zu hoch, wird sie durch den Abdampf auf < 100 ^oC herunter gekühlt; ist sie zu niedrig wird sie entsprechend erhöht.

[Turbo-Georg]

Hallo Modellbau-Freunde,

einigermaßen fristgerecht konnte ich die Arbeiten am Haupt-Entwurf, sowie der damit verbundenen, kompletten Überrechnung der ,,Gas betriebenen Modell-Turbine" mit Profilschaufeln, innere Leistung  57 W, beenden und abliefern.
Meinen Anteil an der Team-Arbeit habe ist soweit erledigt; dem Bau eines Prototyps steht nichts mehr im Wege.

Sollten jemand ,,ernsthaft" Interesse zeigen, diesen einzigartigen Antrieb ebenfalls bauen zu wollen, so bitte ich um eine Email.
Alles Weitere wird sich dann finden. Meine volle Unterstützung ist aber gewiss.

Im Anhang einige Zeichnungen.

Hierzu eine kurze Leseprobe aus dem PDF-Dokument (1,62 MB)

Das Schaufelprofil konstruieren wir mit Hilfe einer Konstruktionshilfe (Bild 11).
http://www.forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,16639.15.html
oder
,,Berechnung von Modelldampfturbinen",
von Georg W. Held.

Die Düsensegmente werden gemäß Zeichnung aus zwei entsprechend dicken Messingblechen hergestellt, übereinander gelegt und mit den Bohrungen für die beiden Verbindungs-schrauben, sowie für die drei Befestigungsschrauben versehen. In das jeweils untere Segment werden die Dampfkanäle gefräst und die beiden Bohrungen für die Dampfleitungen eingebracht.
Die Dampfleitungen können von hinten oder von der Seite (gestrichelt) zugeführt und verlötet werden. Die Verbindungsflächen der Segmente werden geschliffen und poliert.
Die Teile der Düsensegmente werden Dampf dicht verschraubt und mit einer Teflon-Zwischenlage durch die drei Befestigungsschrauben mit dem Düsenring des Flansches verbunden.
Die Breiten der Längs- und Querspalte sollten im betriebswarmen Zustand nicht mehr als 0,5 mm betragen.
Für das Flammenrohr wurde dünnwandiges Edelstahlrohr 28Ø x 1,5 mm und für den Verdampfer Cu-Rohr 15Ø x 1 mm gewählt. Für die Rippen ist Messing-Blech 1 mm dick vorgesehen. Werden die Abmessungen verändert muss die Heizfläche neu berechnet werden.

Mindest-Voraussetzungen für den Bau, sind eine Drehmaschine, eine Fräsmaschine und ein Rundtisch.
Also, auf geht's.

[Turbo-Georg]

Entwicklungsstand: 10/2016

[Turbo-Georg]

Liebe Modellbau-Freunde,
die Dokumentation des letzten Entwicklungsstandes mit kompletter Neu-Überrechnung,
steht wiederum als PDF-Dokument (2,6 MB) zur Verfügung.
Bei Interesse bitte Email.

[s142]

Hallo Georg

Wir unterhielten uns ja neben der 1:50 Bismarck von Peter in Gelsenkirchen.
Peter hat Angst . Er fährt lieber mit Akku    Schöne Grüsse aus dem Nachbarforum 

Beste Grüsse
Chris

[Turbo-Georg]

Hallo Chris,
danke für die netten Grüße.
Ich habe überlegt, ob ich nicht am 22. 10. zum Forentreffen nach Herne kommen sollte.
Vielleicht finde ich einen Modellbauer, der das Modell einer modernen Fregatte mit einer oder zwei solcher "Gas"-Turbinen bauen möchte

[s142]

Hallo Georg

Natürlich bist du herzlichst Willkommen bei dem Stammtisch !!
Leider kenne ich momentan keinen der Teilnehmer der eine Fregatte baut.
In einem anderen Forum schon.

Beste Grüsse
Chris