AK-9: DG-1000J Turbine

Jet Power

AK-9: DG-1000J Turbine

11. Juni 2015 

 

Ausgangssituation

Strahltriebwerke verfügen, im Vergleich zu Kolbentriebwerken, über ein außerordentlich gutes Leistungsgewicht und ein geringes Bauvolumen. Ein Segelflugzeug lässt sich deswegen bei geringem Mehrgewicht mit einer Heimkehrhilfe ausstatten, die auch bei hohen Geschwindigkeiten einen guten Wirkungsgrad besitzt.

Zielsetzung

Ausrüsten unseres Schulungsdoppelsitzers DG-1000J mit einer ausfahrbaren Strahlturbine des niederländischen Herstellers Draline, Modell PSR-T02 (AMT Titan MK-6)

Flugzeug: DG-1000

Die DG-1000J der Akaflieg Karlsruhe ist eines der neusten Modelle des Bruchsaler Segelflugzeugherstellers DG Flugzeugbau. Sie ist vielseitig einsetzbar, z.B. zur Schulung, zum Leistungsflug und zum Kunstflug.

Daten der DG-1000

Spannweite 18 m/20 m
Flügelfäche 16,72 / 17,51 m²
Flügelstreckung 19,38 / 22,84
Rumpflänge 8,66 m
Rüstgewicht 400 / 410 kg
max. Fluggewicht 750 kg
max. Flächenbelastung 44,9 / 42,8 kg/m²
Höchstzulässige Geschwindigkeit in ruhiger Luft 270 km/h
Geringstes Sinken (einsitzig) 0,51 m/s
Gleitzahl (Maximalgewicht) ~ 46,5
max. Wasserballast 160 kg

 

Triebwerk: AMT Titan

Das AMT Titan MK-6 des niederländischen Herstellers AMT wurde für leistungsfähige Großflugmodelle entwickelt, verfügt aber aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit über ausreichend Schub, um auch ein Segelflugzeug ohne Probleme in der Luft zu halten. Dieses Triebwerk wurd speziell für unsere Zwecke von der Firma Draline, welche mit AMT zusammen arbeitet, für die Verwendung in einem Segelfugzeug modifiziert und mit einem Splitterschutz versehen. Das Triebwerk passt mit seinen Abmessungen in den schon vorhandenen Motorkasten der DG-1000J und lässt sich somit über eine Kinematik ausfahrbar realisieren.

Daten der AMT Titan

Maximaler Schub 392 N (40 kg)
Verbrauch bei Volllast 1,4 l/min
Abgastemperatur 780 Grad Celsius
Maximaler Durchmesser 147 mm
Länge 385 mm
Trockenmasse ca. 4 kg
Treibstoff Jet A1

Vorgehen und Fortschritt

 

Zu Beginn des Projekts wurde im Rahmen einer Studienarbeit eine Temperatur- und Strömungssimulation mit dem Strahltriebwerk auf dem Rumpf der DG-1000 durchgeführt. Die DG-1000 wurde mit einem Zusatztank ausgestattet, um die Kraftstoffkapazität des Flugzeugs auf insgesamt 55l zu erhöhen.

 

Es wurde ein Modell der DG-1000 im Maßstab 1:3,75 und eine maßstäblich dazu passende Modellturbine mit 45N Schub angeschafft. Bei der momentanen Flugerprobung werden Einflüsse des Triebwerks auf die Flugeigenschaften des Modells und den Einfluss des heißen Abgasstrahls auf die Temperatur am Seitenleitwerk erforscht.

 

Es wurde ein Motorträger für die Turbine entwickelt. Der Motorarm wurde uns dabei von der Firma Wolf Hirth zur Verfügung gestellt. Er verbindet das Triebwerk mit dem Rumpf und kann mittels einer Mechanik ein- und ausgefahren werden, um bei Nichtbenutzung der Turbine einen möglichst geringen Luftwiderstand zu erzeugen. Hierzug nutzen wir von der Firma Linak bereitgestellte Spindeltriebe. Parallel wurde ein 1:1 Modell der relevanten Rumpfpartien der DG-1000 nachgebaut, um Testläufe durchführen zu können.

 

Das Triebwerk wurde im Dezember 2010 ausgeliefert und wurde im Frühjahr 2011 zusammen mit dem Motorträger in die DG-1000 eingebaut. Hierfür mussten mehrere Modifikationen an der DG-1000 vorgenommen werden. Der Motorraum wurde mit einer feuerfesten Beschichtung versehen und die Sperrhähne für den Treibstoff eingebaut. Auch das Instrumentenbrett wurde um die Komponenten zur Steuerung des Triebwerks erweitert. Die Testläufe des Triebwerks im Stand verliefen sehr erfolgreich.

 

Zugleich wurde während der Bodentests im Stand die erwartete Temperaturzunahme an der Vorderseite des Seitenleitwerks festgestellt. Deshalb wurde das Leitwerk noch einmal mit Hilfe der Akaflieg Stuttgart nachgetempert. Um die Temperatur während des Fluges überwachen zu können wurde zudem eine Sensorik entwickelt, welche die Temperatur an mehreren Stellen des Leitwerks erfasst, speichert und dem Piloten im Cockpit anzeigt.

 

Zusätzlich war noch eine Unzahl an kleinen Optimierungen nötig um die DG-1000 für ihren Erstflug vorzubereiten. Dabei war uns die Unterstützung diverser Sponsoren eine unschätzbare Hilfe. Unser besonderer Dank richtet sich deshalb folgende Unternehmen, welche mit qualitativ höchstwertigen Komponenten einen wertvollen Beitrag für ein erfolgreiches Fortschreiten des Projekts leisteten: Wolf Hirth, LX Navigation, Sennheiser, Becker Avioniks, Linak, Bürklin, uam. Dabei geht ein ganz besonderer Dank an Prof. Wittig vom Institut für Thermische Strömungsmaschinen am KIT, welcher uns unschätzbare Unterstützung zu Teil werden ließ.

 

Die Vorläufige Verkehrszulassung beim LBA wurde beantragt und die nötigen Nachweise dafür erbracht. Der erfolgreiche Erstflug der DG-1000J fand am 23.08.2011 statt. Damit ist die DG-1000J das momentan einzige doppelsitzige Segelflugzeug mit Turbine in Europa. Seitdem befindet sich das Flugzeug in der Flugerprobung und konnte bereits einige Male erfolgreich als Heimkehrhilfe eingesetzt werden.

Bisherige Erkenntnisse DG1000 Turbine

 

06.09.2012

  • Durch die Anbringung eines selbstklebenden Alustreifens über die Nasenleiste des Leitwerks konnte die Temperatur am Leitwerks deutlich minimiert werden. Die maximal gemessene Temperatur überstieg dabei bei 100% Schub über 3 min. nicht 64°C. Die Aussentemperatur betrug an diesem Tag 24°C. Dabei ist erkennbar, dass der Alustreifen die Maximaltemperatur, welche ein einem sehr kleinen Bereich auftritt, gleichmässig verteilt. Dadurch ist ein höherer Energieaustausch mit der umgebenden Luft möglich.
  • Die Geräuschkulisse am Boden beim Überflug in 300m Höhe fällt deutlich geringer aus, als befürchtet. Gefühlt ist sie vergleichbar mit dem eines Kolbenmotors als Turbo im Segelflugzeug. Das Geräusch wurde als weniger unangenehm wahrgenommen. Der am Boden gemessene Schall beträgt ca.75 dB (A).
  • Das Anspringverhalten der Turbine ist sehr gut. Bisher ist die Turbine zwischen 0°C und 30°C immer zuverlässig angesprungen. Dies war auch in einer Flughöhe von 2000m möglich. Allerdings kann es vorkommen, dass durch die höhere Einbaulage der Turbine Kerosin in den Tank zurückfliesst, was die Startzeit verlängert. Dem kann entgegengewirkt werden, indem die Turbine vor dem Start laufen gelassen wird oder bei entferntem Kerosinschlauch die Pumpe so lange betätigt wird, bis Kraftstoff aus dem Schlauch austritt. Das Anlassen vor dem Start ist beim Turbo auch gängige Praxis. Die längere Startzeit ist anfangs öfters aufgetreten, allerdings wurde dies mit mehr Startversuchen selterner.
  • Der Höhenverlust vom Ausfahren bis Volllast der Turbine beträgt ca. 40 m. Dabei vergehen 30-40 s.
  • Das Steigen beträgt ca. 0,8 – 1,1 m/s zwischen 100 und 130 km/h bei Volllast und 670 kg Abflugmasse in 1500m Höhe. Dabei ist ein deutlich Stärkeres Steigen zu ermitteln, wenn das Flugzeug leicht schiebend geflogen wird (bis ca. 1,1 m/s statt 0,8 m/s) bei 3-5° Schiebewinkel. Die maximale Horizontalgeschwindigkeit bei Volllast beträgt 170-175 km/h. Daraus resultiert, dass sich die Turbine gut als Heimkehrhilfe eignet und dabei im Gegensatz zum Turbo schnelle Vorfluggeschwindigkeiten ermöglicht.
  • Die Steigrate in 2600 m MSL beträgt noch ca. 0,5 m/s.

16.10.2013

 

Protokoll Testflug DG-1000 Turbine

 

Ziel des Flugs:

Bei diesem Flug sollte erneut die Wirkung der Ejektordüse Nr. 1 erprobt werden, da dies während des Idaflieg Sommertreffens während eines Tages nicht möglich war. Dabei wurden 2 Starts hintereinander gemacht, einmal mit und einmal ohne montierten Ejektor. Die beiden Flüge sind zur besseren Übersichtlichkeit in einem Protokoll beschrieben.

 

Grunddaten:

Datum 16.10.13
Ort Rheinstetten
Pilot vorne (PIC) Nicolas Pachner (90kg)/Manuel Hildebrand (75kg)
Pilot hinten Manuel Hildebrand/Nicolas Pachner
Ballast im Seitenleitwerk 4x groß, 1 x klein
Fallschirme und sonstige Zuladung wie Trinkwasser ca. 3 kg je Person
Abfluggewicht (ca.) 684 kg
Startzeit Winde 13:30 lokal/15:20 lokal
Ausklinkhöhe ca 500m MSL
Außentemperatur 10 ° C (Boden); ~5°C (Flughöhe)
Wind in der durchflogenen Höhe, gemittelt (700m) 220° mit ca 20/10 km/h

 

Messwerte:

Gemessen wurde jeweils über ein Zeit von ca. 2 Minuten bei gleichbleibender Fahrt (Steig- und Sinkwerte können durch Luftmassenhebungen und -senkungen verfälscht sein).

 

1. Flug, Mit Ejektor:

Geschwindigkeit km/h Höhe bei Steigbeginn in m Drehzahl % Steigwert m/s
95 422 100 0,7 m/s
150 769 100 0,47 m/s
180 846 100 0,03 m/s

 

2. Flug, Ohne Ejektor:

Geschwindigkeit km/h Höhe bei Steigbeginn in m Drehzahl % Steigwert m/s
95 442 100 0,46
130 558 90 0,36
150 597 100 0,32
170 610 100 -0,04
200 575 100 -0,98

 

Der Vergleich zeigt, dass durch den Ejektor eine Steigerung der Steigwerte ermöglicht wird. Während des Fluges ist auch subjektiv aufgefallen, dass besonders im Schnellflug eine Steigerung der Reisegeschwindigkeit möglich ist. Selbst bei einer Geschwindigkeit von180 km/h und darüber ist das Flugzeug in Summe noch sehr leicht gestiegen. Die Steigwerte waren höher, obwohl die letzten Flüge mit hoher Fahrt in insgesamt größerer Höhe durchgeführt wurden (200-250m mehr). Eine größere Flughöhe mindert die Leistung des Triebwerk. Durch einen Versuch kann nur gezeigt werden, dass qualitativ eine Steigerung stattgefunden hat. Für eine genaue Angabe der Verbesserung müssen weitere Flüge folgen.

 

Sonstige Anmerkungen:

Die Steigleistungen des Triebwerks sind, unabhängig vom Ejektor, in der Saison 2013 deutlich unter denen des Jahres 2012 und 2011. Zurückzuführen ist dies auf eine Veränderung in der Brennkammer u.a. Neuplatzierung der Sticks), die aufgrund von Hot Spots vom Hersteller dort duchrgeführt wurde. Die Messungen auf dem Prüfstand bestätigen diese These.

22.05.12

 

Auch beim Turbinenprojekt kann man wieder auf einige Fortschritte zurückblicken. Die Klappen des Motorraumes, welche momentan noch mit der Turbine aufgehen und auch während des Betriebes offen bleiben, sollen in Zukunft so gestaltet sein, dass Sie während des Betriebs wieder geschlossen werden können und nur noch der Motorarm der Turbine herausragt. Dafür wurden in den Hauptklappen kleine Klappen eingebaut, welche dann beim Schliessen der Hauptklappen aufgehen und damit den Weg für den Motorarm freigeben. Dafür musste eine ensprechende Schaltung entwickelt werden, welche einen weiteren Spindelantrieb steuert und die Koordination mit dem Hauptspindeltrieb für den Motorarm übernimmt.

Nachdem entsprechende Kabel und Endschalter installiert wurden, muss nun nur noch die Steuerungssoftware optimiert werden, um die volle Funktion des Systemes herzustellen. Es wurde bereits ein Erprobungsgflug mit ausgefahrener Turbine und geschlossenen Klappen unternommen, welcher zeigte, dass das Steigen zwar nicht merklich größer wird, dafür aber die erreichbare Horizonalfluggeschwindigkeit (ca. 180 km/h) sinkt.

Auf der wissenschaftlichen Seite des Projekte gibt es auch erfreuliche Neuerungen zu verzeichnen. Nachdem unser Ehrenmitglied und Förderer Prof. Dr. Sigmar Wittig schon seit längerer Zeit vorgeschlagen hat, einen „ordentlichen“ Prüfstand für verschiedene Strahltriebwerke aufzubauen, von welchem auch die Akaflieg profitieren soll, konnte dieses Projekt über den Winter erfolgreich abgeschlossen werden. Es wurde in einen Sattelauflieger in der Mackensen Kaserne („Campus-Ost“) ein Prüfstand aufgebaut, auf welchem sämtliche Parameter eines Triebwerks (Temperaturen, Drücke, Lautheit, Schub, ect.) aufgenommen und digital gespeichert werden können. Hier wird aktuell und in Zukunft daran gearbeitet, den Vortriebswirkungsgrad zu maximieren und die Lärmemission zu minimieren.

Unsere Förderer