Turbine JetCat PHT-3

Das Modell wird mit dem Wellenleistungstriebwerk PHT-3 der Fa. JetCat ausgerüstet. Hierbei handelt es sich um eine echte, mit Kerosin betriebene Turbine im Miniaturformat. Die PHT-3 hat sich im Modellhubschrauberbereich bestens bewährt, gilt als sehr zuverlässig, ausgereift und präsentiert sich auf dem neuesten Stand der Technik.

Start, Betrieb und Shutdown werden über verschiedene Sensoren überwacht und vollautomatisch über den Bordcomputer (ECU) gesteuert. Das Triebwerk wiegt mit der dazugehörigen Peripherie (Kraftstoffpumpe, Ventile, Elektronik,...) etwa 3,3 kg und leistet bis zu 5 kW. Im Volllastbetrieb beträgt der Treibstoffverbrauch etwa 220 ml/min bei einer Abgastemperatur von etwa 620 °C.

Lieferumfang der Modellturbine JetCat PHT3

Turbine mit Mechanik

Die Turbine bildet zusammen mit der Hauptrotormechanik eine kompakte Einheit. Das integrierte dreistufige Getriebe untersetzt die etwa 100.000 U/min der Turbine auf ca. 1.280 U/min des Hauptrotors. Die Fliehkraftkupplung verhindert ein Mitdrehen des Rotors im Leerlaufbetrieb. Die Glühkerze wird nur während des Startens zum Zünden des Gasgemischs benötigt.

Links im Bild ist der Elektrostarter zu erkennen, er dient während der Startphase zum Beschleunigender Turbinenwelle und wird anschliessend ausgekuppelt. Erst nach dem Abschalten der Turbine kommt er zum Kühlen des Triebwerks erneut zum Einsatz. Mit den beiden Drehzahl- und Temperatursensoren wird der Betrieb der Turbine überwacht.

ECU und Interface

Die ECU ist als Bordcomputer das elektronische Herzstück des Systems. Sie errechnet anhand der vom Piloten vorgegebenen Steuerbefehle sowie den Daten der Temperatur- und Drehzahlsensoren die notwendigen Ausgangssignale und steuert Kraftstoffpumpe, Magnetventile, Elektrostarter und Glühkerze.

Sie wird über einen separaten 7,2 V Akku versorgt und wahlweise an 1 oder 2 Kanäle des Fernsteuerempfängers angeschlossen. Über die Interfaceplatine ist sie per GSU oder PC diagnose- und programmierfähig. Die drei LED's auf der Platine informieren optisch über den jeweiligen Turbinenzustand.

Gastank, Filter und Ventil für Hilfsgas

Zum Starten der Turbine wird kurzzeitig ein Gemisch aus Propan- und Butangas benötigt, welches über die Glühkerze gezündet wird. Der weisse Gastank fasst etwa 50 ml Flüssiggas, diese Menge ist für ca. 4-5 Startvorgänge ausreichend. Das Gas gelangt über einen 4mm Druckschlauch, eine Kupplungsdose (zum Befüllen) und einen Filter zum ecu-gesteuerten Magnetventil. Die ECU kann somit den Zeitpunkt der Gaszufuhr steuern.

Die Grösse des Gasdurchflusses kann in der ECU programmiert und somit der Aussentemperatur angepasst werden. Ferner lässt sich in der ECU per Codierflag eine Funktion aktivieren, die nach erfolgreichem Turbinenstart das im Tank verbliebene Gas automatisch ablässt. So ist sichergestellt, dass sich während des Fluges kein Gas mehr an Bord befindet.

Pumpe, Filter und Ventil für Kerosin

Nachdem die Turbine mit Hilfsgas gezündet hat und die Drehzahl auf ca. 4.500 U/min beschleunigt wurde, wird die Pumpe von der ECU mit Spannung versorgt. Somit wird Kerosin über den Filter und das geöffnete Magnetventil in die Turbine geleitet.

Die Initial-Pumpenspannung kann vom Anwender per Programmierung in der ECU geändert werden. Sie liegt üblicherweise bei ca. 2,1 V - bei dieser Spannung läuft die Pumpe gerade an und fördert tropfenweise Kerosin. Bei Maximalspannung fliessen bis zu 250 ml/min Richtung Turbine.

GSU - Diagnose-/Programmiergerät

Die GSU wird direkt an die Interfaceplatine angeschlossen und ermöglicht es, die Turbine im stationären Betrieb auch ohne Fernsteuerung zu betreiben.

Zusätzlich können mit ihr nach der Landung des Modells wichtige Daten über den Betrieb während des Flugs ausgelesen werden: z.B. maximale und durchschnittliche Abgastemperatur, verbrauchte Kraftstoffmenge, max. Pumpenspannung, Anzahl der FailSafes, usw. Die GSU dient darüber hinaus zum Programmieren und Codieren der ECU, z.B. Leerlaufdrehzahl, Glühkerzenspannung, Hochlaufzeit, Tankvolumen, Verhalten bei FailSafe, usw.

Stromversorgung

ECU, Magnetventile, Pumpe, Glühkerze und Elektrostarter werden über einen separaten, schnellladefähigen 7,2 V / 2400 mAh NiCd Akku gespeist. Pro Flug werden ca. 500 mAh benötigt, d.h. der Akku muss spätestens nach 4 Flügen nachgeladen werden.

Funktionsübersicht des Triebwerks

Die folgende Graphik zeigt die Funktionsübersicht des Triebwerks als vereinfachte Prinzipskizze. Die Komponenten der Gasversorgung sind in blau dargestellt, während die Kerosinversorgung gelb gezeichnet ist. Die Steuerungselektronik ist farblos dargestellt.

Startvorgang
Gibt der Pilot über seine Fernsteuerung den Befehl zum Starten des Triebwerks, beschleunigt der Elektrostarter die Turbine auf ca. 3.500 U/min. Nun öffnet die ECU das Gasventil und versorgt die Glühkerze mit Strom. Nachdem sich das in die Turbine einströmende Gas entzündet hat, beschleunigt der Elektrostarter die Turbine weiter auf etwa 4.500 U/min. Nun wird das Ventil der Kerosinleitung geöffnet und die Kraftstoffpumpe beginnt damit, Kerosin in die Brennkammer zu befördern. Während die Turbine nun durch die Verbrennung des Kerosins weiter beschleunigt, wird der Elektrostarter ausgekuppelt und das Ventil der Hilfsgaszufuhr geschlossen. Sobald das Triebwerk seine Leerlaufdrehzahl von ca. 38.000 U/min erreicht hat, ist der automatische Startvorgang beendet und die Leistungskontrolle wird dem Piloten übergeben.

Arbeitsbetrieb
Während des normalen Arbeitsbetriebs sind Glühkerze und Elektrostarter deaktiviert, das Gasventil ist geschlossen und die Turbine läuft ausschliesslich auf Kerosinbetrieb. Die ECU überwacht Temperatur und Drehzahl und reguliert die Leistung durch die Kerosinzufuhr (Pumpenspannung). Sollte die Abgastemperatur aufgrund einer Funktionsstörung oder Überlastung der Turbine zu hoch werden, wird automatisch die Leistung reduziert, um Schäden zu vermeiden. Die Drehzahl der Turbine liegt üblicherweise bei ca. 100.000 U/min (entspricht 1.600 U/sek), die Abgastemperatur beträgt ca. 550-620°C.

Ausschalten (Shutdown)
Gibt der Pilot per Fernsteuerung den Shutdown-Befehl zum Abschalten des Triebwerks, so schaltet die ECU die Kerosinpumpe aus und schliesst das Kraftstoffventil. Anschliessend wird der Elektrostarter aktiviert, um durch wiederholtes zyklisches Beschleunigen der Turbinenwelle solange Frischluft anzusaugen, bis die Abgastemperatur unter 95°C gefallen ist.

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