Strömungsmaschinen - Grundlagen und Anwendungen

Strömungsmaschinen - Grundlagen und Anwendungen

 

 

 

von: Herbert Sigloch

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2018

ISBN: 9783446455573

Sprache: Deutsch

451 Seiten, Download: 33178 KB

 
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Strömungsmaschinen - Grundlagen und Anwendungen



  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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