Hummingbird

Hummingbird, die studentische Gruppe an der TU München, die sich mit Kleingasturbinen beschäftigt. Die Verbesserung und Entwicklung kleiner Gasturbinen bis hin zu einem Turbofantriebwerkskonzept stehen dabei im Fokus der Arbeit.

Mehr Informationen auf der Webseite von Hummingbird Gas Turbines.

 

 

Aktuelles

DGLR-Nachwuchsgruppe: Hummingbird Gas Turbines

Modellgasturbine mit Glasbrennkammer und Einlaufmessdüse als hängender Prüfstandsaufbau. Bild: HGT.


Bei der studentischen Forschergruppe Hummingbird Gas Turbines (HGT) der Technischen Universität München dreht sich alles um Modellgasturbinen. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Turbomaschinen und Flugantriebe (LTF) untersuchen die rund 20 Mitglieder aus verschiedenen Semestern die unterschiedlichen Typen von Kleingasturbinen, optimieren vorhandene Komponenten und entwickeln neue Konzepte. Weil sie einfacher aufgebaut und günstiger ist als große Gasturbinen, eignet sich die kleine Modellgasturbine besonders gut für die Versuche und Tests der Studentengruppe. HGT besteht schon seit mehr als zehn Jahren und ermöglicht es ihren Mitgliedern, das Wissen aus dem Studium in der Praxis anzuwenden.

Der thermodynamische Vergleichsprozess bei Modellgasturbinen ist der gleiche wie bei großen Gasturbinen, die zur Strom- und Leistungserzeugung oder als Antrieb für Fluggeräte dienen. Das gibt der Studentengruppe Hummingbird Gas Turbines die Möglichkeit, hybride Antriebskonzepte, Wärmetauscher und Einzelkomponenten kostengünstig zu erforschen und neue Technologien zu testen. Der Lehrstuhl für Turbomaschinen und Flugantriebe (LTF) stellt der Gruppe neben den Räumlichkeiten sein Fachwissen zur Verfügung und sorgt so für einen regen Austausch zwischen Studierenden und wissenschaftlichen Mitarbeitern. Aus dieser Kooperation sind bereits mehrere Veröffentlichungen hervorgegangen. An Prüfständen erforscht die Gruppe das Verhalten einzelner Komponenten und untersucht aufwändige numerische Strömungssimulationen im Bereich der Brennkammer und der Düse. Derzeit konzentrieren sich die Forschungsarbeiten der Gruppe auf drei Teilbereiche: den Gasturbinenprüfstand, den Verdichterprüfstand und die selbst entwickelte Turbine Hummingbird Hybrid.

Gasturbinenprüfstand

Um eigene und fremde Gasturbinen testen und genau untersuchen zu können verfügt HGT über einen eigenen Prüfstandsraum mit einer davon abgetrennten Messwarte. Von zwei Arbeitsplätzen aus können gefahrlos Triebwerksversuche gesteuert und beobachtet werden. Die Testzelle verfügt über eine selbst entwickelte aktive Abgasabführung, die sicherstellt, dass die bei Versuchen entstehenden Abgase durch ein Gebläse sicher aus dem Prüfstandsgebäude abgeführt werden. Um verschiedene Triebwerke ohne große Umrüstzeiten vermessen zu können, sind diese auf mobilen Wagen montiert, die über alle notwendigen Sensoren verfügen. Derzeit stehen ein Wagen zur Montage von Schubtriebwerken bis 300 Newton und ein Wagen mit der nötigen Peripherie für den Test von Wellenleistungstriebwerken zur Verfügung.

In einem separaten „Rack“ (Gestell) sind die Systeme zur Messdatenerfassung und die Hardware der selbst entwickelten Triebwerkssteuerung verbaut. So können Drehzahl, Schub, Temperaturen sowie statische und totale Drücke in sämtlichen Triebwerksbereichen ermittelt werden. Die Software LabView ermöglicht es der Gruppe, große Datensätze aufzuzeichnen und live im Versuchsbetrieb zu überwachen. Somit können die thermodynamischen Kreisprozesse der vorhandenen Triebwerke nachvollzogen und mögliche Optimierungspotenziale identifiziert werden. Zudem sollen auch die beiden neu geplanten Teilprüfstände, der Verdichterprüfstand und der Gesamtsystemprüfstand für die Hybridturbine, in die vorhandene Infrastruktur integriert werden.

Verdichterprüfstand

Beim Bau von Modellgasturbinen wird häufig auf Komponenten aus Turboladern zurückgegriffen, die im Automobilbau weit verbreitet und deswegen kostengünstig zu erhalten sind. Bei KFZ-Turboladern stehen vor allem die Herstellungskosten im Vordergrund, die aerodynamischen Wirkungsgrade sind von geringerer Bedeutung. Deshalb bieten diese Komponenten noch enorme Forschungspotenziale im Hinblick auf die Aerodynamik.

Die Untersuchung einzelner Komponenten am Gasturbinenprüfstand ist nur sehr eingeschränkt möglich. Aufgrund des einfachen Aufbaus der Kleingasturbinen müssen in Bezug auf die Schmierung des Wellenlagers Kompromisse eingegangen werden. Die Schmierung erfolgt über einen Teil des Kerosinflusses und nicht über eine gesonderte Schmierölversorgung. Dadurch und durch die hohen Drehzahlen ist die Lagerlebensdauer des Wellenlagers begrenzt. Die Betriebszeiten sollten deswegen eigentlich möglichst gering gehalten werden, für exakte Messergebnisse sind lange Testkampagnen jedoch unumgänglich. Auch die Instrumentierung ist aufgrund der baulichen Komplexität des Gasturbinenprüfstands nur eingeschränkt möglich. Zudem können Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten niemals komplett ausgeschlossen werden.

Deswegen hat HGT das Projekt  „Verdichterprüfstand“ ins Leben gerufen. Am eigenen Prüfstand kann die Triebwerkskomponente „Verdichter“ isoliert betrachtet werden. Die Studenten erhalten so einen detaillierten Einblick in die Arbeitsweise von Verdichtern. Derzeit führt die Gruppe umfangreiche Vorstudien zu den möglichen Prüfstandsbauweisen durch. Es sind sowohl elektrische Antriebskonzepte als auch der Antrieb über einen separaten Heißgasgenerator mit Turbine denkbar. Für das nächste Sommersemester plant HGT, mit den Konstruktionsarbeiten für den Prüfstand zu beginnen. Langfristiges Ziel der Gruppe ist es, durch verschiedene Verbesserungen am Verdichter die maximale Leistung der Triebwerke zu steigern und den Brennstoffverbrauch deutlich zu senken.

Hummingbird Hybrid

Lärmbeschränkungen und die Anforderungen nach einer besseren Umweltverträglichkeit des Flugverkehrs lassen derzeit den Ruf nach elektrischen und hybriden Antriebskonzepten für die Luftfahrt lauter werden. Diesem Trend möchte auch HGT folgen. Im Modellbau sind vollelektrische Antriebssysteme seit Jahren etablierter Standard. Im Rahmen des aktuellen Projekts „Hummingbird Hybrid“ soll nun gezeigt werden, dass hybride Konzepte auch im Modellmaßstab funktionieren.

Als primäre Energiequelle dient eine Wellenleistungs-Modellgasturbine (1) mit fünf Kilowatt Wellenleistung, die einen Drehstromgenerator (2) antreibt. Der Drehstrom wird gleichgerichtet (3) und in den Gleichspannungs-Zwischenkreis (4) eingespeist. Auf der Gleichspannungsseite erfolgt die Aufteilung an die elektrischen Sekundärantriebe. Es handelt sich dabei um eigens entwickelte Elektro-Fan-Antriebe (6), die von Drehstrom-Wechselrichtern (5) gesteuert werden. Durch die elektrische Verteilung der Leistung können mehrere Sekundärantriebe versorgt werden. Über Leistungselektronik (8) kann der Zwischenkreis auch aus Akkumulatoren (7) versorgt werden, was einen rein elektrischen Betrieb des Flugzeugs für eine gewisse Zeit ermöglicht. Eine selbst entwickelte Regelung sorgt dafür, dass der Pilot nur die Schubanforderung der Sekundärantriebe vorgibt und die Steuerung der Modellgasturbine und der Leistungselektronik automatisch erfolgt. Die Gasturbine kann somit in einem optimalen Betriebspunkt arbeiten und der Brennstoffverbrauch wird reduziert.

Derzeit entwickelt HGT die einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs: Der Algorithmus für die Regelung der Kombination aus Gasturbine und Generator wird am Echtzeitprozessor implementiert und anschließend am Prüfstand erprobt. Parallel dazu wird der Elektro-Fan im Rahmen einer studentischen Arbeit ausgelegt und die Konstruktion sowohl numerisch als auch experimentell verifiziert. Eine eigene Arbeitsgruppe arbeitet an den leistungselektronischen Komponenten sowie deren Regelsystemen. Am Ende soll ein Gesamtsystemprüfstand entstehen, der mit der erforderlichen Messtechnik ausgestattet ist und das Konzept validiert.

Durch die vielen langfristig angelegten Projekte steht der Studentengruppe Hummingbird Gas Turbines auch weiterhin eine spannende Zukunft bevor. Interessierte Studierende, potenzielle Sponsoren und alle interessierten Personen sind jederzeit herzlich dazu eingeladen, sich über die Website (www.hummingbird.tum.de) oder per Email (info(at)hummingbird.tum.de) bei der Gruppe zu melden.