Strömungsmaschinen - Grundlagen und Anwendungen

Herbert Sigloch

Strömungsmaschinen

Grundlagen und Anwendungen

2018

454 Seiten

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ISBN: 9783446455573

 

Titelseite

4

Vorwort

6

Benutzungshinweise

7

Inhaltsverzeichnis

10

Teil I Grundlagen

18

1 Allgemeines

18

1.1 Begriffe, Einheiten, Abkürzungen

18

1.1.1 Begriffe

18

1.1.2 Einheiten

19

1.1.3 Formelzeichen, Symbole und Abkürzungen

20

1.2 Aufgabe und Bedeutung

24

1.3 Unterteilung

28

1.4 Wirkungsweise

30

1.4.1 Grundsätzliches

30

1.4.2 Einzelschaufel (Flügel)

30

1.4.3 Schaufelgitter (Schaufel)

32

1.5 Bauarten

36

1.5.1 Vorbemerkungen

36

1.5.2 Hauptteile

36

1.5.3 Bezeichnungen

36

1.5.4 Aufteilung

37

1.6 Vergleich mit Kolbenmaschinen

37

1.6.1 Vorbemerkungen

37

1.6.2 Übereinstimmende Kennzeichen

38

1.6.3 Unterschiede

38

2 Strömungsverhältnisse

40

2.1 Zusammengesetzte Strömungen

40

2.1.1 Grundsätzliches

40

2.1.2 Radialrotationshohlräume

40

2.1.2.1 Vorbemerkungen

40

2.1.2.2 Reibungsfreie Strömungen

40

2.1.2.3 Reibungsbehaftete Strömungen

41

2.1.3 Beliebige rotationssymmetrische Kanäle

42

2.1.4 Axialrotationshohlräume

43

2.2 Relativbewegung

43

2.3 Energiegleichung der Relativströmung

43

2.4 Instationäre Strömung

45

2.4.1 Grundsätzliches

45

2.4.2 Energiegleichung der instationären Strömung

45

2.4.3 Druckstoß

47

2.4.3.1 Vorbetrachtungen

47

2.4.3.2 Physikalischer Ablauf

47

2.4.3.3 Rohrleitung mit konstantem Querschnitt

48

2.4.3.4 Rohrsystem mit veränderlichem Durchmesser

54

2.5 Laufradströmungen

55

2.5.1 Bezeichnungen und Grundsätzliches

55

2.5.2 Radial-, Halbaxial- und Diagonalräder

57

2.5.2.1 Strömungsverhältnisse

57

2.5.2.2 Nabenverengung

59

2.5.2.3 Radquerschnittsverengung

59

2.5.2.4 Laufschaufelzahl

61

2.5.2.5 Schaufeldicke

63

2.5.2.6 Umfangsgeschwindigkeit

63

2.5.2.7 Geschwindigkeitsverhältnisse

64

2.5.3 Axialräder

65

2.5.3.1 Vorbemerkungen

65

2.5.3.2 Axialräder mit vielen Schaufeln

65

2.5.3.3 Axialräder mit wenigen Schaufeln

69

3 Energieumsatz

74

3.1 Berechnungsverfahren

74

3.2 Stromfadentheorie

75

3.2.1 Hauptgleichung der Kreiselradtheorie (Euler-Gleichung)

75

3.2.1.1 Spezifische theoretische Schaufelarbeit bei unendlicher Schaufelzahl

75

3.2.1.2 Spezifische theoretische Schaufelarbeit bei endlicher Schaufelzahl

79

3.2.1.3 Spezifische Stufenarbeit und spezifische Stutzenarbeit Y

86

3.2.1.4 Spaltdruckarbeit

88

3.2.1.5 Gleich- und Überdruckwirkung

89

3.3 Tragflügeltheorie

91

3.3.1 Ideale Strömung (Kutta-Joukowsky-Gesetz)

91

3.3.2 Reale Strömung

94

4 Affinitätsregeln und Kennziffern

100

4.1 Grundsätzliches

100

4.2 Ähnlichkeitstheorie

100

4.2.1 Vorbemerkungen

100

4.2.2 Ähnlichkeitsbedingungen

100

4.2.3 Affinitätsregeln

101

4.2.3.1 Maßstabsfaktoren

101

4.2.3.2 Proportionalitäten

101

4.2.3.3 Ähnlichkeitsbeziehungen

102

4.2.3.4 Wirkungsgradumrechnung

103

4.2.3.5 Radanpassung

104

4.3 Kennziffern

106

4.3.1 Grundsätzliches

106

4.3.2 Methoden zur Aufstellung von Kennziffern

107

4.3.3 Wichtige Kennziffern für Turbomaschinen

107

4.3.3.1 Reaktionsgrad

107

4.3.3.2 Druckziffer

109

4.3.3.3 Lieferziffer

110

4.3.3.4 Durchmesserziffer

112

4.3.3.5 Radformkennziffern (Laufradkennzahlen)

112

4.3.3.6 Relative Drallziffer

121

4.3.3.7 Einlaufziffer und Abströmwert

122

5 Kavitation und Überschall

125

5.1 Vorbemerkungen

125

5.2 Kavitation

125

5.2.1 Ablauf, Wirkung, Werkstoffe, Einflüsse

125

5.2.1.1 Grundsätzliches

125

5.2.1.2 Kavitationsablauf

127

5.2.1.3 Werkstoffe

128

5.2.1.4 Laufradgrößeneinfluss

130

5.2.1.5 Kavitationsstufen

130

5.2.1.6 Kavitationsformen

131

5.2.1.7 Zusammenfassung

132

5.2.2 Saughöhe von Flüssigkeitsmaschinen

132

5.2.3 Halteenergie

134

5.2.4 Saugzahl

137

5.2.5 NPSH-Wert

138

5.2.6 Thoma-Zahl Th

139

5.2.7 Festlegen des Kavitationszustandes

140

5.3 Überschall

141

5.3.1 Grundsätzliches, Bedeutung

141

5.3.2 Dichteänderung im Saugstutzen

142

5.3.3 Überschallgrenze, Schallziffer

144

6 Laufradformen

148

6.1 Radialmaschinen

148

6.1.1 Grundsätzliches

148

6.1.2 Wirkungsfreie Radialschaufel

148

6.1.3 Einfluss der Saugkante

152

6.1.4 Einfluss der Druckkante

153

6.1.4.1 Grundsätzliches

153

6.1.4.2 Unterscheidung

154

6.1.4.3 Vergleich

154

6.1.4.4 Anwendung

154

6.1.5 Schaufelformen

156

6.1.5.1 Grundsätzliches

156

6.1.5.2 Pumpenschaufeln

156

6.1.5.3 Turbinenschaufeln

161

6.2 Axialmaschinen

162

6.2.1 Vorbemerkungen

162

6.2.2 Wirkungsfreie Axialschaufel

163

6.2.3 Einfluss der Saugkante

164

6.2.4 Einfluss der Druckkante

164

6.2.4.1 Grundsätzliches

164

6.2.4.2 Unterscheidung

164

6.2.4.3 Vergleich

165

6.2.4.4 Anwendung

165

6.2.5 Schaufelformen

166

6.2.5.1 Axialpumpen

166

6.2.5.2 Wasserturbinen

166

6.2.5.3 Dampf- und Gasturbinen

168

7 Leitvorrichtungen

172

7.1 Grundsätzliches

172

7.2 Pumpenleitvorrichtungen

172

7.2.1 Radialmaschinen

173

7.2.1.1 Einführung

173

7.2.1.2 Ringspalt, Leitkanaleintrittsbreite

174

7.2.1.3 Leitrad (beschaufelt)

175

7.2.1.4 Leitring (schaufellos)

183

7.2.1.5 Spiralgehäuse

184

7.2.1.6 Rückführeinrichtungen

193

7.2.1.7 Saugseitenleitvorrichtungen

195

7.2.2 Axialmaschinen

196

7.2.2.1 Grundsätzliches

196

7.2.2.2 Spalt zwischen Lauf- und Leitrad

198

7.2.2.3 Leitschaufeldicke

198

7.2.2.4 Leitschaufelzahl

198

7.2.2.5 Leitschaufelkontur

198

7.3 Turbinenleitvorrichtungen

200

7.3.1 Grundsätzliches

200

7.3.2 Wasserturbinen

201

7.3.2.1 Gleichdruckturbinen (Aktionswirkung)

201

7.3.2.2 Überdruckturbinen (Reaktionswirkung)

204

7.3.3 Dampf- und Gasturbinen

210

7.3.3.1 Vorbemerkungen

210

7.3.3.2 Gleichdruckturbinen (Aktionswirkung)

212

7.3.3.3 Überdruckturbinen (Reaktionsprinzip)

218

8 Spezifische Stutzenarbeit, Verluste, Leistungen, Wirkungsgrade

220

8.1 Vorbemerkung

220

8.2 Spezifische Stutzenarbeit

220

8.3 Verluste

225

8.3.1 Grundsätzliches

225

8.3.2 Innere Verluste

225

8.3.2.1 Schauflungsverluste

225

8.3.2.2 Mengenstromverluste

229

8.3.2.3 Radreibungs- und Ventilationsverluste

236

8.3.2.4 Austauschverlust

242

8.3.2.5 Stoßverluste

242

8.3.2.6 Zusammenfassung

244

8.3.3 Äußere Verluste

245

8.3.4 Gesamtverlust

246

8.4 Leistungen

246

8.4.1 Grundsätzliches

246

8.4.2 Theoretische Leistung

247

8.4.3 Innere Leistungen

247

8.4.4 Äußere, effektive oder Kupplungs-Leistung

247

8.5 Wirkungsgrade

248

8.5.1 Grundsätzliches

248

8.5.2 Liefergrad

248

8.5.3 Schauflungswirkungsgrad

248

8.5.4 Innerer Wirkungsgrad

248

8.5.5 Mechanischer Wirkungsgrad

249

8.5.6 Effektiver Wirkungsgrad

249

8.5.7 Weitere Wirkungsgrade bei thermischen Turboarbeitsmaschinen

250

8.5.8 Weitere Wirkungsgrade bei Turbokraftanlagen

250

8.5.9 Anlagenwirkungsgrad

252

8.5.10 Spezielle Wirkungsgrade

252

9 Betriebliches Verhalten (Kennlinien, Kennfelder)

253

9.1 Grundsätzliches

253

9.2 Betriebsverhalten der Strömungsarbeitsmaschinen

253

9.2.1 Kreiselpumpen

253

9.2.1.1 Drosselkurven

253

9.2.1.2 Auslegungs- und Betriebspunkt

258

9.2.1.3 Stabiler und labiler Betriebszustand

259

9.2.1.4 Affinität der Drosselkurven

262

9.2.1.5 Vergleich mit dem Kennverhalten der Kolbenpumpen

265

9.2.1.6 Muscheldiagramm

265

9.2.1.7 Kennlinien für Leistungen, Wirkungsgrad und Haltedruckhöhe bzw. NPSA

266

9.2.1.8 Besonderheiten schnellläufiger Strömungspumpen

268

9.2.1.9 Kombination von Strömungspumpen

271

9.2.1.10 Regelung von Strömungspumpen

272

9.2.2 Kreiselverdichter

273

9.2.2.1 Grundsätzliches

273

9.2.2.2 Einfluss der Ansaugverhältnisse

274

9.2.2.3 Instabilitäten (Strömungsabreißen)

276

9.2.2.4 Kennlinien mehrstufiger Verdichter

279

9.3 Betriebsverhalten der Strömungskraftmaschinen

279

9.3.1 Grundsätzliches

279

9.3.2 Wasserturbinen

280

9.3.3 Dampf- und Gasturbinen

282

9.3.3.1 Vorbemerkungen

282

9.3.3.2 Kegelgesetz

282

Teil II Turbomaschinenarten

286

10 Übersicht über die Strömungspumpen (Turboarbeitsmaschinen)

286

10.1 Grundsätzliches

286

10.2 Kreiselpumpen

286

10.2.1 Vorbemerkungen

286

10.2.2 Laufradformen und Kenngrößen

287

10.2.3 Wirkungsgrad

289

10.2.4 Läuferkräfte

291

10.2.4.1 Achsschub (Axialkraft)

291

10.2.4.2 Radialkräfte

296

10.2.5 Saugverhalten

296

10.2.6 Ausführungsbeispiele

297

10.2.6.1 Radial- und Halbaxialpumpen (Radform I und II)

298

10.2.6.2 Diagonal- oder Schraubenpumpen (Radform III)

301

10.2.6.3 Axial- oder Propellerpumpen (Radform IV)

303

10.2.6.4 Mehrstufige Radialpumpen (Radform I und II)

304

10.2.6.5 Sonder-Kreiselpumpen

306

10.3 Kreiselverdichter

320

10.3.1 Vorbemerkungen

320

10.3.2 Besonderheiten

321

10.3.2.1 Drehzahl

321

10.3.2.2 Aufbau

321

10.3.2.3 Geräuschentwicklung

323

10.3.2.4 Thermodynamik der Verdichtung

324

10.3.3 Unterteilung

330

10.3.4 Druckstufung

330

10.3.5 Laufräder-Abstufung

331

10.3.6 Ausführungsbeispiele

331

10.3.6.1 Ventilatoren

332

10.3.6.2 Gebläse

338

10.3.6.3 Kompressoren

341

10.4 Hinweise für das Berechnen von Strömungspumpen

349

10.4.1 Grundsätzliches

349

10.4.2 Wellendurchmesser

352

10.4.3 Radialrad-Abmessungen

354

10.4.3.1 Nabendurchmesser

354

10.4.3.2 Saugmund

354

10.4.3.3 Überschlägiges Festlegen der Laufradkanäle

355

10.4.3.4 Stufenzahl

356

10.4.3.5 Laufschaufelzahl

356

10.4.3.6 Nachrechnen der Schaufelkanten

356

10.4.4 Diagonalrad-Abmessungen

356

10.4.5 Axialrad-Abmessungen

356

11 Übersicht über die Turbinen (Turbokraftmaschinen)

357

11.1 Grundsätzliches

357

11.2 Wasserturbinen

357

11.2.1 Vorbemerkungen

357

11.2.2 Gleichdruck- oder Aktionsturbinen

360

11.2.2.1 Pelton-, Becher-, Freistrahl- oder Tangential-Turbinen

360

11.2.2.2 Michell-Ossberger- oder Durchströmturbine

364

11.2.3 Überdruck- oder Reaktionsturbinen

365

11.2.3.1 Gemeinsames

365

11.2.3.2 Francis-Turbinen

366

11.2.3.3 Propeller- und Kaplan-Turbinen

369

11.2.4 Berechnungshinweise

373

11.3 Dampfturbinen

373

11.3.1 Grundsätzliches

373

11.3.1.1 Dampfkraftprozess

373

11.3.1.2 Einteilung

376

11.3.1.3 Optimaler Energieumsatz

376

11.3.1.4 Stufungsarten

378

11.3.1.5 Wärmerückgewinn

381

11.3.1.6 Kennwerte

382

11.3.1.7 Betriebsgrößen

382

11.3.1.8 Grenzen

386

11.3.1.9 Vergleich mit anderen Turbomaschinen

387

11.3.1.10 Konstruktive Besonderheiten

387

11.3.2 Betriebsverhalten

391

11.3.2.1 Anfahren, Betrieb, Abstellen

391

11.3.2.2 Regelung

391

11.3.3 Ausführungsbeispiele

393

11.3.3.1 Vorbemerkungen

393

11.3.3.2 Gleichdruck- oder Aktionsturbinen

393

11.3.3.3 Überdruck- oder Reaktionsturbinen

396

11.3.4 Vergleich Gleichdruck – Überdruck

399

11.3.5 Berechnungshinweise

399

11.4 Gasturbinen

402

11.4.1 Grundsätzliches

402

11.4.1.1 Bezeichnungen

402

11.4.1.2 Wirkungsweise

402

11.4.1.3 Geschichtliches und Bedeutung

402

11.4.2 Vergleich mit Dampfturbinen

403

11.4.3 Aufbau

403

11.4.3.1 Bestandteile

403

11.4.3.2 Unterteilung

403

11.4.4 Thermodynamik

405

11.4.5 Besonderheiten

407

11.4.5.1 Bauteile

407

11.4.5.2 Werkstoffe

412

11.4.5.3 Brennstoffe

413

11.4.5.4 Lebensdauer

414

11.4.6 Eigenschaften, Anwendung, Ausführungsbeispiele

414

11.4.6.1 Vorbemerkungen

414

11.4.6.2 Stationäre Anlagen

415

11.4.6.3 Bewegliche Anlagen

418

11.4.6.4 Sonderausführungen

421

11.5 Windturbinen

423

11.5.1 Vorbemerkungen

423

11.5.2 Windangebot

424

11.5.3 Aerodynamische Grundlagen

425

11.5.3.1 Einführung

425

11.5.3.2 Windenergie und Windleistung

425

11.5.3.3 Windturbinenleistung

425

11.5.4 Axialkraft

426

11.5.5 Kennwerte

426

11.5.6 Ausführungshinweise

426

12 Antriebspropeller

428

12.1 Vorbemerkungen

428

12.2 Strömung, Geschwindigkeiten und Kräfte am Propellerblatt

428

12.3 Vereinfachte Propellertheorie

429

12.4 Kennzahlen

431

12.5 Anwendungsbedingte Besonderheiten

431

12.5.1 Flugzeugpropeller

431

12.5.2 Schiffsschrauben

432

12.5.3 Sonderbauarten

432

13 Aggregate

434

13.1 Vorbemerkung

434

13.2 Funktionsweise

434

13.3 Strömungskupplungen

435

13.3.1 Aufbau und Arbeitsweise

435

13.3.2 Kenngrößen und Eigenschaften

435

13.3.3 Ausführungen und Anwendungen

437

13.4 Strömungsgetriebe

438

13.4.1 Unterschied Kupplung – Getriebe

438

13.4.2 Wirkungsweise

438

13.4.3 Kenngrößen

440

13.4.4 Kennlinien

440

13.4.5 Anwendungsbereiche

441

13.4.6 Ausführungsbeispiele

441

14 Literaturverzeichnis

443

14.1 Lehrbücher

443

14.2 Spezialwerke

443

14.3 Handbücher und Sonstige

445

15 Sachwortverzeichnis

446

 

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