Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Kolbenmaschinen

   1. Frontmatter

   2. 1. Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

      Helmut Tschöke, Klaus Mollenhauer

      Zusammenfassung

      Definition.

      Kolbenmaschinen sind Fluidenergiemaschinen, die als Arbeitsmaschinen die Energie eines Fluids (Gas, Flüssigkeit) mittels eines Verdrängers (Kolbens) durch Zufuhr mechanischer Energie erhöhen oder als Kraftmaschinen unter Abfuhr mechanischer Energie vermindern. Die gebräuchliche Bezeichnung „Kraftmaschine“ darf nicht wörtlich genommen werden, da nicht Kräfte, wie bei einfachen Maschinen, sondern mechanische Energie als Nutzarbeit \(W_\mathrm{e}\) am Abtrieb ansteht.

   3. 2. Verdrängerpumpen

      Helmut Tschöke, Herbert Hölz

      Zusammenfassung

      Verdrängerpumpen nehmen das von der Saugleitung in den Arbeitsraum geflossene Fördermedium auf und verschieben es dann in die Druckleitung. Die Verschiebearbeit des Verdrängers erhöht die Energie (Druckenergie, Geschwindigkeitsenergie, potentielle Energie) des Fördermediums und deckt die Rohrreibungsverluste ab. Zur Kapselung und Ein- und Auslasssteuerung des Fördermediums werden druckgesteuerte Ventile oder Wegsteuerung durch Schieber, durch Steuerkanten im Arbeitsraum oder durch weggesteuerte Ventile eingesetzt. Nach der Verdrängerkinematik werden oszillierende und rotierende Verdrängerpumpen unterschieden. Verdrängerpumpen sind in der Lage, eine Saugleitung selbsttätig zu entlüften und arbeiten in dieser Betriebsphase als Verdränger‐Vakuumpumpen.

      Tab. 2.1 nennt Bauarten, Einsatzgebiete und Einsatzgrenzen von Verdrängerpumpen. Die Werte p_max und Q_max werden nicht gleichzeitig erreicht und können in Sonderfällen auch überschritten werden. Neben dem erforderlichen Druck und Volumenstrom bestimmt das Fördermedium die Auswahl der geeigneten Pumpenbauart, sodass Verdrängerpumpen auch nach dem Fördermedium benannt werden:

      Fördermedien mittlerer und hoher Viskosität mit abrasiv wirkenden Fremdkörpern: Schlammpumpen, Betonpumpen, Mörtelpumpen. Mit Verdrängerpumpen lassen sich entwässerte, stichfeste Schlämme fördern.

      Fördermedien mittlerer und hoher Viskosität ohne abrasiv wirkende Fremdkörper: Lebensmittelpumpen, Schmiermittelpumpen (Fette, Öle), Farben, Klebstoffe, Schweröl, Bitumen, Spinnpumpen zur Kunststoffverarbeitung.

   4. 3. Kompressoren, Verdichter

      Helmut Tschöke, Herbert Hölz

      Zusammenfassung

      Verdrängerkompressoren kapseln das angesaugte Gas und schieben es dann in die Druckleitung. Während der Kapselung verkleinert sich der Arbeitsraum, sodass Druck und Temperatur des Gases ansteigen (innere Verdichtung). Die Verdichtung auf höhere Drücke erfolgt über einen oder mehrere hintereinandergeschaltete Arbeitsräume (Stufen), zwischen denen das Gas gekühlt wird (Außenkühlung). Dadurch wird der Temperaturanstieg begrenzt und die erforderliche Verdichtungsarbeit vermindert.

      Beim Roots-Gebläse (Wälzkolbenvakuumpumpe) erfolgt keine innere Verdichtung. Öleinspritzgekühlte Schrauben- und Rotationsverdichter werden während der Verdichtung im Arbeitsraum gekühlt (Innenkühlung).

      Verdrängervakuumpumpen evakuieren einen Vakuumbehälter (Rezipienten). Der saugseitige Druck erreicht Werte unter 10⁻³ mbar.

      Abb. 3.1 zeigt die wichtigsten Bauarten von Verdichtern und Vakuumpumpen. Die Bauarten unterscheiden sich nach der Schmierung der bewegten Teile im Arbeitsraum, nach dem erreichbaren Druck und Volumenstrom und nach den Anwendungsgebieten (Tab. 3.1). Nach der Schmierung wird zwischen Ölschmierung, Trockenlauf mit Berührungsdichtungen und berührungsfreiem Trockenlauf mit Spaltdichtungen unterschieden. In Sonderfällen wird auch Wasser verwendet. Schmierung, Innenkühlung und Abdichtung sind kombiniert, wenn das Schmiermittel (Öl, Wasser) in größeren Mengen zugeführt wird. Die in Tab. 3.1 genannten Werte von \(p_\mathrm{max}\) und \(\dot{V}_\mathrm{max}\) werden nicht immer bei derselben Ausführung erreicht und können in Sonderfällen auch überschritten werden.

   5. 4. Verbrennungsmotoren

      Helmut Tschöke, Klaus Mollenhauer

      Zusammenfassung

      Verbrennungsmotoren sind Kolbenmaschinen, die Wärme in mechanische Energie umwandeln. Dazu wird die durch Verbrennung als Wärme frei werdende chemische Energie eines Kraftstoffes einem in einem begrenzten Raum eingeschlossenen gasförmigen Arbeitsmedium zugeführt und in potentieller Form (Druck) ausgenutzt. Für den gasdichten, veränderlichen Arbeitsraum können Hubkolben‐ und Rotationskolbenmotoren (HKM bzw. RKM) verwendet werden.

   6. 5. Motoren für den maritimen Betrieb

      Udo Schlemmer-Kelling, Lars Nerheim

      Zusammenfassung

      Verbrennungsmotoren werden üblicherweise ihrer Größe entsprechend in Familien eingeteilt (Abb. 5.1):

      Fahrzeugmotoren:

      • Motoren für den On Road Bereich (Light Duty PKW, LD)
      • Motoren für den On Road Bereich (Heavy Duty LKW, HD)

      Großmotoren:

      • High Speed Motoren für Lokomotiven, Schiffsantriebe, Baufahrzeuge und zur Stromerzeugung (Off Road, HS)
      • Medium Speed Motoren für Schiffsantriebe, zur Stromerzeugung und für Gaspumpstationen (MS)
      • Low Speed Motoren für Schiffsantriebe (LS)

      Durch die hohen Lebensdaueranforderungen und die schweren Belastungsprofile im maritimen Betrieb kommen umgerüstete HD Motoren nur bei Sportbooten zum Einsatz, für See‐ und Binnenschiffe werden ausschließlich Großmotoren verwendet. Sie werden im Leistungsbereich oberhalb von 1000 kW eingesetzt. Üblicherweise werden sie nach ihren Drehzahlbereichen mit fließenden Grenzen unterteilt. High Speed werden normalerweise Motoren mit Nenndrehzahlen oberhalb etwa 1200 U/min verstanden, Medium Speed Motoren liegen im Bereich von etwa 450–1000 U/min und Low Speed Motoren unterhalb von etwa 200 U/min. Für die High und Medium Speed Motoren hat sich das 4‐Taktverfahren durchgesetzt. Technisch unterscheiden sie sich wenig voneinander. Lediglich der eingesetzte Kraftstoff erfordert einige Anpassungen in der Thermodynamik und im Design. Low Speed Motoren arbeiten grundsätzlich nach dem 2‐Takt Prinzip.

3. Strömungsmaschinen

   1. Frontmatter

   2. 6. Grundlagen der Strömungsmaschinen

      Jörg Seume, Ronald Mailach

      Zusammenfassung

      Kraft- und Arbeitsmaschinen.

      Strömungsmaschinen sind Fluidenergiemaschinen, die durch eine Arbeitsübertragung zwischen Maschinenbauteilen und einem kontinuierlich durch die Maschine strömenden Fluid charakterisiert sind. Es gibt verschiedenste Bauausführungen. Eine Übersicht zu den Klassifizierungsmerkmalen sowie wesentliche zugehörige Maschinentypen ist in Abb. 1 der Einleitung des Teils „II – Strömungsmaschinen“ gegeben. In Abhängigkeit der Richtung der Energieübertragung zwischen Fluid und Bauteilen wird grundlegend zwischen Kraft- und Arbeitsmaschinen unterschieden. Wird in einer Maschine von einem mit Schaufeln bestückten Rotor an ein Fluid Arbeit übertragen und ihm dadurch Energie zugeführt, wird diese als Arbeitsmaschine bezeichnet. Für deren Antrieb ist an der Welle mechanische Leistung aufzuwenden. Wird im Gegensatz dazu dem Fluid Energie entzogen und in mechanische Arbeit umgewandelt, spricht man von einer Kraftmaschine, die entsprechend Leistung an der Welle abgibt.

   3. 7. Wasserturbinen

      Paul Thamsen

      Zusammenfassung

      Die Wasserturbinen haben die Aufgabe, die Lage-, Druck- oder Geschwindigkeitsenergie des Wassers für die Erzeugung mechanischer Arbeit auszunutzen.

      Wasserturbinen sind Bestandteil eines Wasserkraftwerks, Abb. 7.1. Ihre Aufgabe ist die Umwandlung der in Stauseen, Kanälen, Flüssen, Gezeiten enthaltenen potentiellen Energie des Wassers in mechanische Leistung, meist zum Antrieb elektrischer Generatoren [1–6]. Wasserturbinen arbeiten mit relativ niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten. Die Dichte und Temperatur des durchströmenden Wassers ändern sich minimal. Beim Einsatz der Turbinen besteht die Gefahr der Kavitation (s.  Abschn. 6.3.5). Durch das Entstehen von Dampfblasen, an Stellen mit Drücken nahe dem Dampfdruck \(p_\mathrm{v}\) und das schlagartige Zusammenbrechen der Dampfblasen bei höheren Drücken, können Schäden entstehen (vgl. Abschn. 8.3.1). Hierbei ist die Ausführung des Saugrohres beziehungsweise die Geschwindigkeitsverzögerung hinter dem Laufrad bis zum Unterwasser UW zu beachten (Abb. 7.1a–c).

   4. 8. Kreiselpumpen

      Paul Thamsen

      Zusammenfassung

      Pumpen heben Flüssigkeiten bzw. erhöhen deren Druck oder Geschwindigkeit. Bei Kreiselpumpen erfolgt dies, indem mechanische Arbeit durch die Fliehkraft und Umlenkung des Mediums in Schaufelrädern übertragen wird. Fördermedien sind neben Wasser auch aggressive Medien und zähe Fluide bis hin zum Flüssigbeton.

      Meist werden die Pumpen nach der Bauart ihrer Laufräder bezeichnet (Abb. 8.1): Radiale, halbaxiale, axiale Pumpen mit aufsteigenden spezifischen Drehzahlen \(n_q\) (Gl. (8.1)). Dabei erfolgt die Bezeichnung nach der Hauptrichtung der Strömung in den Schaufelkanälen in Bezug zur Welle.

   5. 9. Schiffspropeller

      Paul Thamsen

      Zusammenfassung

      Schiffspropeller sind hydrodynamische Strömungsarbeitsmaschinen meistens axialer Bauart zur Erzeugung eines Vortriebs. Der Achsschub, eine sonst lästige Nebenwirkung auf die Lager, ist hier Hauptwirkung (Impulssatz, Propellerstrahltheorie [1]). Für Anwendungen ist die Berechnung der Propeller nach der Wirbel- oder Tragflügeltheorie [2, 3] sinnvoller als nach der Strahltheorie. Profile sind Göttinger, NACA-, Kármán-Trefftz-, Kreissegment‐ und Sonder-Profile (z. B. Wageninger Profile). Modellversuche entscheiden die endgültige Auslegung, insbesondere bei ungleichförmigen Geschwindigkeitsfeldern vor und hinter dem Propeller (Druckschwankungen am Einzelflügel). Entsprechend den extrem hohen spezifischen Drehzahlen \(n_\mathrm{q}\approx 300\ldots 1000\,\mathrm{min}^{-1}\) ist die Schaufelzahl niedrig, 2 bis 6, selten mehr. Strömungstechnische Begrenzungen sind bei Schiffspropellern durch Kavitationswirkungen gegeben [4]. Oft sind Festigkeitsprobleme ausschlaggebend. Nachgeschaltete Leiträder können Verlust durch nicht ausgenutzten Austrittsdrall minimieren, bewirken jedoch zusätzliche Reibverluste; daher werden sie nur in Sonderfällen mit Erfolg angewendet [5].

      Durchmesser 6,3 m, Drehzahl 120 min⁻¹, Flügelzahl 6, Werkstoff G-NiA1 BzF60, Gewicht 25,3 t, Wirkungsgrad 63,5 %.

   6. 10. Föttinger-Getriebe

      Paul Thamsen

      Zusammenfassung

      Prinzip:

      Hydrodynamische Leistungsübertragung mit Kreiselpumpe (P) und Flüssigkeitsturbine (T) in einem gemeinsamen Gehäuse. P ist mit der Antriebswelle verbunden, T mit der Abtriebswelle [1–6].

   7. 11. Dampfturbinen

      Edwin Krämer

      Zusammenfassung

      Der Beitrag basiert auf Ausführungen der 19. Auflage von L. Busse, Mannheim.

   8. 12. Turboverdichter

      Harald Stricker

      Zusammenfassung

      Turboverdichter (auch Turbokompressoren genannt) sind Strömungsarbeitsmaschinen zur Verdichtung von Gasen. Als Element der Energieübertragung auf das Gas dient das beschaufelte, kontinuierlich durchströmte Laufrad. Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Gases sind nach dem Verlassen des Laufrads größer als am Eintritt. Das dem rotierenden Laufrad nachgeschaltete stehende Leitteil sorgt für weitere Druck‐ und Temperaturerhöhung durch Verzögerung des Gases (s. Kap. 6).

      Die Unterteilung in Axial‐ und Radialverdichter erfolgt anhand der Hauptströmungsrichtung in der Meridianebene des Laufrads, d. h. einer Ebene, die die Drehachse enthält. Diese für den Durchsatz maßgebende Meridianströmung verläuft bei Axialverdichtern während der Energieübertragung im Wesentlichen axial, bei Radialverdichtern im Wesentlichen radial von innen nach außen. Gelegentlich trifft man auch Mischbauarten an (sog. Diagonalverdichter). Eine andere Unterteilung in Verdichter und Ventilatoren basiert auf der Höhe der spezifischen Verdichtungsarbeit. Beim Ventilator bleibt sie vergleichsweise gering, so dass keine nennenswerten Dichte‐ und Temperaturänderungen auftreten. Der Übergang zum Verdichter ist jedoch fließend.

   9. 13. Gasturbinen

      Jörg Seume, Jochen Gier

      Zusammenfassung

      Die Gasturbine zählt zu den Wärmekraftmaschinen, weil sie, in der Regel durch Verbrennung von Brennstoff freigesetzte, Wärme in mechanische Energie (Wellenleistung) oder in Schubkraft (bei Luftfahrt‐Triebwerken) umsetzt. Sie besteht im einfachsten Fall (Abb. 13.1a) aus einem Verdichter, einer Turbine und einer Brennkammer. Der Verdichter saugt einen bestimmten Luftmassenstrom aus der Umgebung an und bringt ihn auf einen erhöhten Druck. Durch isobare Verbrennung eines bestimmten Brennstoffmassenstroms mit diesem Luftmassenstrom in der Brennkammer wird zusätzlich die Temperatur des Arbeitsgasstroms erhöht, so dass bei dessen anschließender Entspannung auf Umgebungsdruck in der Turbine diese mehr Leistung abgeben kann, als der von ihr angetriebene Verdichter aufnimmt. Der Leistungsüberschuss der Turbine steht als Nutzleistung (z. B. zum Antrieb des Generators  G) zur Verfügung.

   10. Backmatter