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1986 | Buch | 5. Auflage

Allgemeine Grundlagen Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Strömungsmaschinen

verfasst von: Carl Pfleiderer, Dr.-Ing. Hartwig Petermann

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Professional Book Archive

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Allgemeine Grundlagen
Zusammenfassung
Eine Strömungsmaschine hat die Aufgabe, entweder als Kraftmaschine eine von der Natur uns dargebotene Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln oder als Pumpe einem Fluid1 Energie zuzuführen, um es beispielsweise aus einem Raum niedrigen Druckes in einen Raum höheren Druckes zu fördern. Arbeitet eine Strömungsmaschine als Kraftmaschine, so nennt man sie Turbine.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
2. Der Strömungsmechanismus im Laufrad
Zusammenfassung
Wir betrachten zunächst einen radialen Schaufelkranz mit einfach gekrümmten Schaufeln (Abb. 2.1) und achsparallelen Schaufelkanten. Um den Impulssatz 2 anzuwenden, legen wir die Kontrollfläche als Rotationsfläche um den Schaufelkranz, d.h. dicht vor die Saugkante und dicht hinter die Druckkante der Schaufeln. In Abb. 2.1 sind dies die beiden Zylinderflächen I und II. Die verbindende Fläche sei die Außenfläche des Rades, so daß also die Kontrollfläche I die Radwand durchschneidet, was notwendig ist, weil in der Schnittfläche das gesuchte Drehmoment wirksam ist. Die Strömung durch die Kontrollflächen I und II nehmen wir trotz der endlichen Zahl der Laufschaufeln als eindimensional und stationär an, vermitteln also die tatsächliche Ungleichheit der Geschwindigkeit längs der Schaufelteilung dadurch, daß wir die ausgeglichene Strömung, die sich in genügender Entfernung vom Rad bildet, bis zur Kontrollfläche fortgesetzt denken.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
3. Die Kavitations- und Überschallgefahr
Zusammenfassung
In dem folgenden Abschnitt sollen einige besondere physikalische Eigenschaften des durch die Maschine strömenden Fluids berücksichtigt werden. Bei Wasser ist dies die Verdampfbarkeit, d. h. die Möglichkeit der Entstehung dampferfüllter Hohlräume in der Strömung, bei Luft die Erreichung der Schallgeschwindigkeit und damit gleichfalls der Übergang auf ein anderes Verhalten der Strömung, insbesondere die Inkaufnahme der Gefahr des Verdichtungsstoßes.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
4. Entwurf des Laufrades
Zusammenfassung
Die angenäherte Festlegung der Bohrung für die Welle geht — mindestens beim Radialrad — der Schaufelberechnung voraus. Bei dieser vorläufigen Bestimmung begnügt man sich mit der Zugrundelegung einer Drehungsbeanspruchung τ zul, die niedrig zu wählen ist. Dort, wo die Rücksicht auf Formänderung der Welle, insbesondere die kritische Drehzahl wichtig ist, muß deren Bestimmung nachgeholt [III, 1 und IV, 9] und τ zul besonders vorsichtig gewählt werden. Bei Turbinen ist noch zu beachten, daß nach Abschn. 6.31 das Drehmoment mit fallender Drehzahl stark ansteigt. Hier ist ferner die größte Steueröffnung maßgebend, also die Leistung P 1/1 zu berücksichtigen. Bei Pumpen nimmt man sinngemäß für P den bei der vorliegenden Drehzahl auftretenden Größtwert, der aber nicht beim größten Förderstrom zu liegen braucht (s. Abschn. 6.26 und Abb. 6.31).
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
5. Ausführungsbeispiele von Laufrädern
Zusammenfassung
In diesem Hauptabschnitt sollen die abgeleiteten Verfahren an praktischen Beispielen erläutert und bei dieser Gelegenheit auch die Besonderheiten besprochen werden, die bei den einzelnen Arten von Strömungsmaschinen vorliegen.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
6. Die Kennlinien einstufiger Maschinen bei vernachlässigbarer Dichteänderung
Zusammenfassung
Die der Berechnung der Beschaufelung zugrunde gelegten Werte n, \( \dot V \), Y werden im Betrieb nicht genau eingehalten. Außerdem muß stets mit Änderung einer dieser 3 Größen gerechnet werden. Bei den Turbinen kommt noch der Eingriff des Reglers dazu, der die Einströmquerschnitte verstellt. Sehen wir zunächst von diesen Querschnittsänderungen ab, die bei der Pumpe kaum angewandt werden, so wird die Änderung einer der 3 Größen n, \( \dot V \), Y auch mindestens eine der beiden anderen Größen beeinflussen. Während bei der Kolbenmaschine diese Zusammenhänge leicht zu übersehen sind, bedarf bei den Strömungsmaschinen ihre Klärung einer eingehenden Überlegung.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
7. Spaltverlust, Radreibungsverlust und Achsschub
Zusammenfassung
Es ist zweckmäßig, den Spaltverlust, den Radreibungsverlust und den Achsschub gemeinsam zu behandeln, weil diese Größen häufig voneinander abhängig sind1. So beeinflußt beispielsweise der Spaltverlust bei einem radialen Pumpenlaufrad (Abb. 7.11) die Geschwindigkeitsverteilung im Radseitenraum und damit sowohl den Radreibungsverlust und auch den vom Laufrad auf die Welle ausgeübten Achsschub.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
8. Die Leitvorrichtung
Zusammenfassung
Neben dem Laufrad hat jede Strömungsmaschine in der Regel ein ruhendes Schaufelsystem, das Leitrad, das die Absolutströmung zu verzögern bzw. zu beschleunigen und das zwischen Laufrad und Fluid übertragene Drehmoment ganz oder teilweise gegen die ruhende Umgebung abzustützen hat. Dieses Leitrad kann auch zu einem schaufellosen Ringraum oder einem Spiralgehäuse entartet sein. Das Leitrad sitzt in der Regel an der Druckseite des Laufrades und hat die Aufgabe, die Strömung im Sinne der beabsichtigten Energieumformung zu leiten, d.h. sie dem Laufrad der Turbine unter Drucksenkung zuzuführen oder vom Laufrad der Pumpe unter Drucksteigerung abzuführen.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
9. Besonderheiten der axialen Strömungsmaschinen
Zusammenfassung
Die Axialschaufel ist zwar in den bisherigen Ausführungen grundsätzlich mit berücksichtigt. Sie ist aber besonders wichtig und läßt sich rechnerisch besser erfassen als die anderen Schaufelformen. Deshalb ist ihre besondere Behandlung angezeigt. Sie wird benutzt bei Turbinen und Pumpen, gleichgültig ob die Arbeitsflüssigkeit tropfbar oder gasförmig ist. Sie bildet bei Dampfturbinen fast die einzige Ausführungsform. Dieser Fall wird in Abschn. 9.74 gesondert behandelt.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
10. Die mehrstufigen Strömungsmaschinen
Zusammenfassung
Nach unseren Überlegungen in Abschn. 2.94 ist der Übergang zur mehrstufigen Ausführung angezeigt, wenn die spezifische Drehzahl unter eine bestimmte Grenze sinkt, weil sonst die Reibungsverluste in den engen Schaufelkanälen und an den Radwänden zu groß werden. Der andere mögliche Ausweg, nämlich die partielle Beaufschlagung, ist nur bei Turbinen, nicht aber bei Pumpen üblich. Partielle Beaufschlagung ist nur bei Wasserturbinen eine günstige Lösung (Pelton-Rad), weil bei diesen das Rad nicht im Arbeitsmedium Wasser, sondern im Luftraum umläuft, wobei wegen der geringen Dichte ϱ der Luft die Reibung an der Radwand fast verschwindet und auch die nicht beaufschlagten Laufschaufeln nur einen vernachlässigbar kleinen Ventilationsverlust [Gln. (7,21) und (7,22)] verursachen. (Die mit der Einstufigkeit verbundene Vergrößerung des Auslaßverlustes kann deshalb hier in Kauf genommen werden.) Bei Dampf- und Gasströmung jedoch bleibt das ganze Rad vom Energieträger bespült, so daß dort die nicht beaufschlagten Kanäle recht hohe Ventilationsverluste verursachen und Reibungsverluste an den Radwänden entstehen. Partielle Beaufschlagung ist bei Dampf- bzw. Gasturbinen deshalb stets ein Notbehelf.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
11. Die Kennlinien ein- und mehrstufiger Maschinen unter Berücksichtigung der Dichteänderung
Die Untersuchung soll zunächst am Verdichter durchgeführt werden
Zusammenfassung
Die Kennlinien des einstufigen Verdichters, insbesondere die Linie gleicher Drehzahl im \({\dot V_x},{Y_x}\)-Schaubild (Drosselkurve) und die Linie der inneren Wirkungsgrade ŋ ix , können nach den gleichen Verfahren vorausberechnet werden wie bei Wasserförderung (s. Abschn. 6.23), weil hier die Dichteänderung nur geringen Einfluß hat, sofern die Mach-Zahl ausgedrückt als das Verhältnis u 2/a < 0,6. Das gleiche gilt hinsichtlich der Einzelstufe bei Mehrstufigkeit. Am zuverlässigsten ermittelt man diese beiden Kennlinien jedoch auf dem Versuchsweg. Liegen sie für eine Stufe vor, so kann man sie für alle Stufen mit ähnlichen Geschwindigkeitsplänen durch einfache Maßstabsänderungen verwenden. Diese Maßstabsänderungen können teilweise entfallen, wenn man als Abszisse den Füllungsgrad \({\dot V_x}/\dot V\) nimmt. Das Fußzeichen x soll hierbei — wie in Abschn. 6.2 — einen vom Berechnungspunkt abweichenden Zustand kennzeichnen.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
12. Mathematische Verfahren der Strömungsmechanik zur Berechnung von Strömungsmaschinen
Zusammenfassung
In Abschn. 1.1 wurde bereits erwähnt, daß es auch möglich ist, mittels der mathematischen Verfahren der Strömungsmechanik Strömungsmaschinen zu berechnen. Im Rahmen dieses Buches können diese Verfahren nicht behandelt, sondern nur kurz erwähnt werden. Diese kurzen Hinweise beziehen sich auf die reibungsfreie Strömung an Schaufeln und in Schaufelgittern, obwohl mit diesen Verfahren auch der Reibungseinfluß erfaßt werden kann [IV, 23; IV, 39; IV, 45].
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
13. Besondere Bedingungen bei den einzelnen Arten von Strömungsmaschinen
Zusammenfassung
Trotz der grundsätzlichen Gleichheit des Strömungsvorganges ist das Erscheinungsbild der einzelnen Arten von Strömungsmaschinen verschieden, weil die Arbeitsflüssigkeit und die Aufgabe (d. h. ob Turbine oder Pumpe) verschieden sind. Jede Maschinenart stellt deshalb ihre eigenen Probleme (vgl. z. B. die der Dampfturbinen Abschn. 10.2), die größtenteils nicht strömungstechnischer Natur sind und deshalb im Rahmen dieses Buches nicht oder nur kurz erwähnt werden konnten. Sie betreffen meist entweder die Wahl des Werkstoffes oder die Form des Kreisprozesses, gehören also in den Bereich der Werkstoffkunde und der Wärmetechnik bzw. Feuerungstechnik und verlangen für jede Maschinengattung eine Sonderliteratur, auf die nicht verzichtet werden kann.
Carl Pfleiderer, Hartwig Petermann
Backmatter
Metadaten
Titel
Strömungsmaschinen
verfasst von
Carl Pfleiderer
Dr.-Ing. Hartwig Petermann
Copyright-Jahr
1986
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-10103-2
Print ISBN
978-3-662-10104-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-10103-2