Carl Pfleiderer Hartwig Petermann. Sechste, neubearbeitete Auflage von Hartwig Petermann

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1 Carl Pfleiderer Hartwig Petermann Strömungsmaschinen Sechste, neubearbeitete Auflage von Hartwig Petermann Mit 446 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork London Paris Tokyo HongKong Barcelona Budapest

2 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Grundlagen Einleitende Betrachtung von Strömungsmaschinen Absolute und relative Bewegung Die spezifische Stutzenarbeit Y Verluste und Wirkungsgrade in Strömungsmaschinen Die verschiedenen Verlustarten Die verschiedenen Wirkungsgrade Besondere Formen des Wirkungsgrades bei Gasförderung.. 22 a) Der adiabatische und isothermische Wirkungsgrad des gekühlten Verdichters 22 b) Der poly tropische Wirkungsgrad Der Strömungsmechanismus im Laufrad Das Moment der Schaufelkräfte und die auf Masse bezogene Schaufelarbeit Y Sch Häufige Anwendungsformen der Hauptgleichung Der Einfluß der Endlichkeit der Schaufelzahl Fall der Reibungsfreiheit Einfluß der Zähigkeit Das umlaufende radiale Schaufelgitter 37 a) Reibungseinfluß vernachlässigt 37 b) Reibungseinfluß berücksichtigt Rechnerische Berücksichtigung des Einflusses der Endlichkeit der Schaufelzahl Druckkante Saugkante Schaufelarbeit Das Pfleiderersche Verfahren zur Berechnung der, Minderleistung bei Pumpen Gleich- undüberdruckwirkung, Reaktionsgrad r und Druckzahl ip DerSpaltdruck p 3 -y 0 ' Berechnung der spez. Spaltdruckarbeit Y s Gleich- und Überdruckwirkung 50, a) Turbinen mit Y gp = 0 50, b) Turbinen mit Y Sp > Reaktionsgrad t Druckzahl y "7~" a) Berechnung der Druckzahl ip für <x 0 = b) Besonderheiten der Druckzahl yt bei Turbinen und Pumpen 56 c) Die Druckzahl y> bei Pumpenturbinen 58 d) Die Druckzahl y> bei mehrstufigen Maschinen 59 e) Bestimmung der optimalen Druckzahl für partiell beaufschlagte Turbinen 60 f) Die Schaufelarbeitszahl V^A Elementare Erläuterung der Kräftewirkung zwischen Strömung und Schaufel 63

3 Inhaltsverzeichnis VII 2.7 Wahl des Schaufelwinkels ß 2, Verwendungsgebiete der verschiedenen Schaufelformen Wasserturbinen Dampfturbinen Pumpen Zusammenfassung Strömungsverhältnisse am Eintritt und Ausbildung der Eintrittskante von Schaufelgittern Verzögerungsstoß bzw. Beschleunigungsstoß Profilierung der Schaufeln Optimale Zuströmrichtung Unstetige ' bzw. ungleichmäßige Zuströmung zum Schaufelgitter Die verschiedenen Radformen Die spezifische Drehzahl oder Radformkennzahl Das Axialrad..' Die spezifische Drehzahl bei mehrstufigen Maschinen Schnelläufigkeit und Wirkungsgrad Die Kaviations- und Überschallgefahr Kavitation Die Saughöhe der Wasserpumpe Die Saughöhe der Wasserturbine Die Überschallgrenze bei Verdichtern Dichteänderung im Radeinlauf und die Schallkennzahl Radeintritt mit Drall Beziehung zwischen Schallkennzahl S q und Mach-Zahl jo 0a /a Ergänzende Bemerkungen Gegenüberstellung der Kenngrößen Die Verwirklichung des Strömungswinkels ß Oa ; die Einlaufzahl E; der Auslaßwert e 2 " Die Kavitations- und Überschallgefahr bei Teil- und Überlast Entwurf des Laufrades Festigkeit und Formgebung von Welle und Laufrad Welle Laufrad/ Umrechhungsregeln für Festigkeitsbeanspruchung durch Fliehkräfte bei geometrischer Ähnlichkeit Der allgemeine Gang der Berechnung der Laufradschaufel, erläutert am Langsamläufer Das Schaufelende an der Saugkante ' Das Schaufelende an der Druckkante Schaufelentwurf bei einfacher Schaufelkrümmung Kreisbogenschaufel Punktweise berechnete Schaufel Oberflächenrauhigkeit Die doppelt gekrümmte Radialschaufel, Mittelläufer Übertragung der Schaufelschnitte auf Kegelflächen Punktweise Errechnung der Stromlinien Tangenten Axialschnitte und Schreirierschnitte Schnelläufer, gekennzeichnet durch die Schräglage der Druckkante der Schaufel im Meridianschnitt 166

4 VIII Inhaltsverzeichnis 5. Ausführungsbeispiele von Laufrädern Kreiselpumpe mit einfach gekrümmter Radialschaufel Saugkante Druckkante Ergänzende Betrachtungen Einstufiger Radialverdichter Berechnung unter Vernachlässigung der Dichteänderung im Rad Konstruktive Ausbildung Berücksichtigung der Dichteänderung Zustandsverlauf Schneiläufige Kreiselpumpen Francis-Turbine Vorbemerkung Übungsbeispiel 194 a) Wahl der Drehzahl 194 b) Radumriß 195 c) Berechnung der Schaufelwinkel 198 d) Winkelübertreibung beim Turbinen-Schnelläufer e) Kantenlage 202 f) Lichte Aüstrittsweite Pelton-Rad Vorbemerkung Rechnungsgang Zusammenhang zwischen spez. Drehzahl und Strahlverhältnis d 3 /D Einstufige Dampfturbine Vorbemerkung Übungsbeispiel Ergänzende Bemerkung Einstufige Gasturbine Die Kennlinien einstufiger Maschinen bei vernachlässigbarer Dichteänderung Allgemeine Regeln Kennlinien der Kreiselpumpen Annahme unendlicher Zahl von Laufschaufeln...-' Endliche Schaufelzahl Die Vorausbestimmung der Drosselkurve Die Kennfläche 231 / a) Schnittebenen mit n = const 231 b) Schnittebenen längs der 7^-Achse 232 c) Die waagerechten Schnittebenen 234 d) Schnittebenen parallel zur (n, I^J-Ebene...,"~r Einfluß konstruktiver Änderungen auf die Form der Drosselkurve Die Linien der Wellenleistung Die Bestimmung des Betriebspunktes Das Pumpen" und die Pumpgrenze Das rotierende Abreißen und die Teillast-Rezirkulation Kennlinien der Turbinen Änderung der Drehzahl bei gleichbleibende Steuerstellung Veränderung der Steuerstellung Bestimmung der Steuerstellung zu dem jeweiligen Durchfluß. 250

5 Inhaltsverzeichnis IX 6.4 Besonderheiten der Schneiläufer Kreiselpumpen 253 a) Allgemeines 253 b) Lage der Abreißzonen 257 c) Die Drosselkurve im Abreißgebiet 258 d) Die praktische Bedeutung des Totraumes B Francis-Turbine Regelung der Kaplan-Turbine (Gleichzeitige Verstellung von Leit- und Laufschaufeln) Modellgesetze der Strömungsmaschinen Umrechnung unter Annahme gleichbleibender Wirkungsgrade und konstanter Dichte Umrechnung bei Dichteänderung Umrechnung der Wirkungsgrade 278 a) Gleichheit der Reynolds-Zahl 278 b) Bei Wasserströmung 278 c) Bei Gasströmung Umrechnung der Festigkeit Aufstellung von Typenreihen Spaltverlust, Badreibungsverlust und Achsschub Der Spaltverlust Berechnung des Spaltstromes bei Rädern mit Deckscheibe Der Sekundäreinfluß des Spaltstromes bei Rädern mit Deckscheibe Räder ohne Deckscheibe Vereinfachte Bestimmung des Spaltverlustes bei Axialrädern Der Achsschub und sein Ausgleich Die Druckverteilung in den Radseitenräumen und die Berechnung des Achsschubes eines langsamläufigen Radialrades Der Ausgleich des Achsschubes Der Radreibungsverlust Radreibungsverlust bei einem Radseitenraum ohne Durchfluß Radreibungsverlust bei einem Radseitenraum mit Durchfluß Radreibungsverlust und Ventilationsverlust bei, Axialrädern Die Leitvorrichtung Das beschäufelte Leitrad Besonderheiten bei den Pumpen Der schaufellose Ringraum (glatter Leitring) Das Spiralgehäuse Spiralgehäuse mit beliebiger Querschnittsform T Spiralgehäuse mit kreisförmigem Querschnitt Ergänzende Bemerkungen Doppelspiralgehäuse Die Leitvorrichtung am Saugmund des Laufrades Besonderheiten der axialen Strömungsmaschinen Grundlegende Gesichtspunkte Die Sekundärströmungen am Axialrad Schaufelform und Reaktionsgrad 358

6 X Inhaltsverzeichnis 9.13 Die Gleichgewichtsbedingungen der Strömung in Axialmaschinen Verschiedene Möglichkeiten der Schaufelverwindung bei axialen Strömungsmaschinen Allgemeines Konstanter Drall (d.h. drehungsfreie Strömung) im druckseitigen Spalt zwischen Lauf- und Leitrad Verwundene Lauf seh aufein, aber zylindrische (nicht verwundene) Leitschaufeln bei Dampfturbinen Die solid-body"-beschaufelung Konstante Reaktion i(r), insbesondere t(r) = 0, a) Fall der Pumpe 371 b) Fall der Turbine Andere Möglichkeiten der Schaufelverwindung Angaben zur Konstruktion der Axialschaufeln Druckzahl und Lieferzahl Die Profilierung der Schaufeln Das Verhalten der Axialräder bei Teillast Schaufelkräfte, Achsschub und Schaufelschwingungen Die zulässige Belastung von Verdichtergittern Die Festlegung der Schaufelprofile Axialräder mit enggestellten Schaufeln Die Ubertreibung der Winkel bei Turbinen Die Winkelübertreibung bei der axialen Pumpenschaufel Zusätzliche Bemerkungen Axialräder mit weit auseinandergestellten Schaufeln Der einzelne Tragflügel im unbegrenzten Raum Änderung der Strömungsverhältnisse am Tragflügel bei Übergang auf das Schaufelgitter Anwendung der Tragflügelrechnungen auf das axiale Laufrad Kavitation und Überschall Berücksichtigung der Kompressibilität bei Gasförderung Wirkungsgradberechnung Die Leitvorrichtung der Axialmaschine Berechnung der Leitschaufeln bei Pumpen Abstand zwischen Laufrad und Leitrad Nabentotwasser 438 a) Reibungsfreie, inkompressible Strömung mit konstantem Drall und konstantem Gesamtdruck 438 b) Experimentelle Untersuchungen und Einfluß der Kompressibilität Berechnungsbeispiele für Axialmaschinen Berechnung einer Kaplan-Turbine 444 a) Wahl der Drehzahl 444 b) Hauptabmessungen des Rades 444 c) Berechnung der Laufschaufel d) Lage der Schaufel-Drehachse 448 e) Zusätzliche Betrachtungen Rechnungsgang einer Propellerpumpe oder eines Axiallüfters (Ventilators) a) Laufrad 451 b) Leitrad 452 c) Fall der Verwendung eines Eintrittsleitrades 452 d) Zusätzliche Bemerkungen Berechnung einer einstufigen Axialpumpe mäßiger spezifischer Drehzahl bzw. der ersten Stufe eines mehrstufigen Axialverdichters 453

7 Inhaltsverzeichnis XI a) Luftförderung 453 b) Wasserförderung Berechnung der axialen Zwischenstufe einer Dampf- oder Gasturbine 455 a) Leitrad 457 b) Laufrad 458 c) Die spez. Stufenarbeit 459 d) Zustandsverlauf 460 e) 50% Reaktion 460 f) Wahl der Winkel 461 g) Konstruktive Angaben 461 h) Gleichdruck mit geringer Überdruckwirkung 464 i) Die zusätzlichen Schaufelverluste der Dampfturbine Die mehrstufigen Strömungsmaschinen Allgemeine Hinweise über die Anwendung der Mehrstufigkeit Die Mehrstufigkeit, erläutert am Beispiel der Dampfturbine Die beiden Arten der Mehrstufigkeit 470 a) Stufenweise Verarbeitung des Druckgefälles (Druckstufen). 470 b) Stufenweise Verarbeitung der Geschwindigkeit (Geschwindigkeitsstufen) 471 c) Vergleich der beiden Arten der Abstufung Ausführungsformen der Druckstufung 472 a) Kammerstufen 473 b) Trommelstufen 475 c) Allgemeine Hinweise Ausführungsformen und Eigenschaften der Geschwindigkeitsabstufung 480 a) Gemeinsamer Laufkranz für alle Stufen 480 b) Ebenso viele Laufschaufelkränze wie Stufen (Curtis-Turbine) 481 c) Berechnung einer Dampfturbine mit Geschwindigkeitsstufen 481 d) Wahl der Stufenzahl und erreichbare Wirkungsgrade bei Curtis-Turbinen 485 e) Geschwindigkeitsabstufung mit geringer Überdruckwirkung und ihre Berechnung 490 f) Zusammenstellung des Rechnungsganges einer Curtis- Turbine Auswirkung der Reibungswärme bei Druckstufung 493 a) Gas-'oder dampfförmiges Arbeitsmedium b) Vergleich der Wirkungsgrade bei tropfbarem und gasförmigem Energieträger Mehrgehäuseturbinen, Drehzahl und Grenzleistung 496 ä) Allgemeines über die Anwendung mehrerer Gehäuse b) Zusammenhang zwischen Drehzahl, Grenzleistung und mehrflutigem Niederdruckteil 497 c) Zusammenhang zwischen Grenzleistung und der Volümenänderung des Dampfes Wahl des Reaktionsgrades 506 a) Allgemeine Hinweise. 506 b) Bestimmung des kleinstpulässigen Reaktionsgrades für Kammerstufen-Dampfturbinen Gang der Berechnung einer mehrstufigen Dampfturbine a) Allgemeines 509 b) Letzte Stufe 509 c) Regulierstufe und folgende (zweite) Stufe 511 d) Die mittleren Stufen 512

8 XII Inhaltsverzeichnis Hochdruck-Hochtemperatur-Dampfturbinen 515 a) Werkstoffe 516 b) Wärmeelastizität 516 c) Topfbauweise 516 d) Doppelgehäuse 519 e) Wellendichtungen 519 f) Dampfnässe Radial beaufschlagte Dampfturbinen 520 a) Einfach-Radialturbine 521 b) Gegenlauf-Radialturbine von Ljungström Besonderheiten der mehrstufigen Verdichter Konstruktive Einzelheiten radialer und axialer mehrstufiger Verdichter Rechnungsgang 527 a) Gleichbleibende Stufenarbeiten 528 b) Ungleiche Stufenarbeiten Kennlinien ein- und mehrstufiger Maschinen unter Berücksichtigung der Dichteänderung Der Verdichter bei Abweichung vom Berechnungspunkt Bestimmung der Drosselkurve eines mehrstufigen Verdichters Die Abhängigkeit der Drosselkurve von der Verdichterdrehzahl Der Einfluß der Mehrstufigkeit auf die Abreißgrenze und den Expansionsbeginn. ; Die Abhängigkeit der Drosselkurve von der Anfangstemperatur und der Gasart Die Dampf- oder Gasturbine bei Abweichung vom Berechnungspunkt Darstellung von Versuchsergebnissen mittels Einheitswerten Der Kegel des Dampfdurchsatzes nach Stodola Das Teillastverhalten von Dampfturbinen Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeiten in einer beliebigen Stufe einer Kondensationsdampfturbine Mathematische Verfahren der Strömungsmechanik zur Berechnung von Strömungsmaschinen Zweidimerisionale Strömung durch gerade Schaufelgitter Konforme Abbildung -; Singularitätenmethode Berechnung radialer Maschinen Besondere Bedingungen bei den einzelnen Arten von Strömungsmaschinen Die Zwischenkühlung bei Verdichtern Besonderheiten der Dampf- und Gasturbinen Arten der Regelung Kreiselpumpen zur Feststoff-Förderung 564 Literaturverzeichnis 567 Sachverzeichnis 577