H.Sigloch Strömungsmaschinen Grundlagen und Anwendungen

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1 H.Sigloch Strömungsmaschinen Grundlagen und Anwendungen mit 70 Übungsbeispielen, 379 Bilder, 39 Tabellen 2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Carl Hanser Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis TEIL I: Grundlagen 1 Allgemeines Begriffe, Dimensionen, Abkürzungen Begriffe Dimensionen (Einheiten) Formelzeichen, Symbole und Abkürzungen Aufgabe und Bedeutung Unterteilung Wirkungsweise Grundsätzliches Einzelschaufel (Flügel) Schaufelgitter (Schaufel) Bauarten Vorbemerkungen Hauptteile Bezeichnungen Aufteilung Vergleich mit Kolbenmaschinen Vorbemerkungen Übereinstimmende Kennzeichen Unterschiede 20 2 Strömungsverhältnisse Zusammengesetzte Strömungen Grundsätzliches Radialrotationshohlräume Vorbemerkungen Reibungsfreie Strömung Reibungsbehaftete Strömung Beliebige rotationssymmetrische Kanäle Axialrotationshohlräume Besonderheiten bei kompressiblen Diffusorströmungen Grundsätzliches Ableitung Kreis- und Quadratquerschnitte Rechteckquerschnitte Ergebnis Relativbewegung Energiegleichung der Relativströmung Instationäre Strömung Grundsätzliches Energiegleichung der instationären Strömung Druckstoß Vorbetrachtungen 30

3 Inhaltsverzeichnis Physikalischer Ablauf Rohrsystem mit konstantem Querschnitt Rohrsystem mit veränderlichem Durchmesser Übungsbeispiele Laufradströmungen Bezeichnungen und Grundsätzliches Radial- und Diagonalräder Strömungsverhältnisse Nabenverengung Radquerschnittsverengung Laufschaufelzahl Schaufeldicke Umfangsgeschwindigkeit Geschwindigkeitsverhältnisse Axialräder Vorbemerkungen Axialräder mit vielen Schaufeln Axialräder mit wenigen Schaufeln 54 3 Energieumsatz Berechnungsverfahren Stromfadentheorie Hauptgleichung der Kreiselradtheorie (EuLER-Gleichung) Spezifische theoretische Schaufelarbeit Y Sch00 bei unendlicher Schaufelzahl Spezifische theoretische Schaufelarbeit Y Sch bei endlicher Schaufelzahl Spezifische Stufenarbeit А У und spezifische Stufenarbeit У Spaltdruckarbeit Gleich-und Überdruckwirkung 3.3 Tragflügeltheorie Ideale Strömung (КиттА-JouKOwsKY-Gesetz) Reale Strömung 3.4 Zirkulation am Radialrad 82 Ü b n " " ~ " 4 Affinitätsgesetze und Kennzahlen Grundsätzliches Ähnlichkeitstheorie Vorbemerkungen Ähnlichkeitsbedingungen Affinitätsgesetze Maßstabsfaktoren Proportionalitäten ' Ähnlichkeitsbeziehungen Л Wirkungsgradumrechnung Radanpassung Werkstoffmechanische Ähnlichkeit Kennzahlen Grundsätzliches 9l Methoden zur Aufstellung von Kennzahlen Dimensionsanalyse 9i

4 Inhaltsverzeichnis XI Wichtige Kennziffern für Turbomaschinen Reaktionsgrad Druckziffer Lieferziffer Durchmesserziffer Leistungsziffer Drosselziffer Radform-Kennziffern (Laufradkennzahlen) Einheitswerte Relative Drallziffer Einlaufziffer und Abströmwert Übungsbeispiele Kavitation und Überschall Vorbemerkungen Kavitation Ablauf, Wirkung, Werkstoffe, Einflüsse Grundsätzliches Kavitationsablauf Werkstoffe Laufradgrößeneinfluß Kavitationsstufen Kavitationsformen Zusammenfassung Saughöhe von Flüssigkeitsmaschinen Halteenergie Saugzahl NPSH-Wert ТномА-Zahl Sonstige Einflüsse und Festlegungen Einfluß der Maschinengröße auf die Kavitation Einfluß des Maschinenbetriebszustandes auf die Kavitation Festlegen des Kavitationszustandes Überschall Grundsätzliches, Bedeutung Dichteänderung im Saugstutzen Überschallgrenze, Schallziffer Übungsbeispiele Laufradformen Radialmaschinen Grundsätzliches Wirkungsfreie Radialschaufel Einfluß der Saugkante Einfluß der Druckkante Grundsätzliches Unterscheidung Vergleich Anwendung Schaufelformen Grundsätzliches 145

5 XII Inhaltsverzeichnis Pumpenschaufeln Turbinenschaufeln Axialmaschinen Vorbemerkungen Wirkungsfreie Axialschaufel Einfluß der Saugkante Einfluß der Druckkante Grundsätzliches Unterscheidung Vergleich Anwendung Schaufelformen Axialpumpen Wasserturbinen Dampf- und Gasturbinen Übungsbeispiele Leitvorrichtungen Grundsätzliches Pumpenleitvorrichtungen Radialmaschinen Einführung Ringspalt, Leitkanaleintrittsbreite Leitrad (beschaufelt) Leitring (schaufellos) Spiralgehäuse Rückführeinrichtungen Saugseitenleiträder Axialmaschinen Grundsätzliches Spalt zwischen Lauf-und Leitrad Leitschaufeldicke Leitschaufelzahl Leitschaufelkontur Turbinenleitvorrichtungen Grundsätzliches Wasserturbinen Gleichdruck-Turbinen Überdruck-Turbinen Dampf- und Gasturbinen Vorbemerkungen Gleichdruck-Turbinen Überdruck-Turbinen Übungsbeispiele Spezifische Stutzenarbeit, Verluste, Leistungen, Wirkungsgrade Vorbemerkungen Spezifische Stutzenarbeit Verluste Grundsätzliches Innere Verluste Schauflungsverluste 217

6 Inhaltsverzeichnis XIII Mengenstromverluste Radreibungs- und Ventilationsverluste Austauschverlust Stoßverlust Zusammenfassung Äußere Verluste Gesamtverluste Leistungen Grundsätzliches Theoretische Leistung Innere Leistung Äußere, effektive oder Kupplungs-Leistung Wirkungsgrade Grundsätzliches Liefergrad Schauflungswirkungsgrad Innerer Wirkungsgrad Mechanischer Wirkungsgrad Effektiver Wirkungsgrad Weitere Wirkungsgrade bei thermischen Turboarbeitsmaschinen Weitere Wirkungsgrade bei Turbokraftanlagen Anlagenwirkungsgrad Spezielle Wirkungsgrade Übungsbeispiele Betriebliches Verhalten (Kennlinien, Kennfelder) Grundsätzliches Betriebliches Verhalten von Strömungsarbeitsmaschinen Kreiselpumpen Drosselkurven Auslegungs- und Betriebspunkt Stabiler und labiler Betriebszustand Affinität der Drosselkurven Vergleich mit dem Kennverhalten der Kolbenpumpen Muscheldiagramm Kennlinien für Leistung, Wirkungsgrad und Haitedruckhöhe Besonderheiten schnelläufiger Strömungspumpen Kombination von Strömungspumpen Regelung von Strömungspumpen Kreiselverdichter Grundsätzliches Einfluß der Ansaugverhältnisse Instabilitäten (Strömungsabreißen) Kennlinien mehrstufiger Kreiselverdichter Betriebsverhalten von Strömungskraftmaschinen Grundsätzliches Wasserturbinen Dampf- und Gasturbinen Vorbemerkungen Kegelgesetz Übungsbeispiele 273

7 XIV Inhaltsverzeichnis TEIL II: Turbomaschinenarten 10 Übersicht über die Strömungspumpen (Turboarbeitsmaschinen) Grundsätzliches Kreiselpumpen Vorbemerkungen Laufradformen und Kenngrößen Wirkungsgrad Läuferkräfte 279 j Achsschub (Axialkraft) Radialkräfte Saugverhalten Ausführungsbeispiele Radialpumpen (Radform I und II) Diagonal- oder Schraubenpumpen (Radform III) Axial- oder Propellerpumpen (Radform IV) Mehrstufige Radialpumpen (Radform I und II) Sonder-Kreiselpumpen Kreiselverdichter Vorbemerkungen Besonderheiten Drehzahl Aufbau Geräuschentwicklung Thermodynamik der Verdichtung Unterteilung Druckstufung Laufräder-Abstufung Ausführungsbeispiele Ventilatoren Gebläse Kompressoren Hinweise für das Berechnen von Strömungspumpen 33^ Grundsätzliches Wellendurchmesser D We Radialrad-Abmessungen(n y <0,12) Nabendurchmesser D N Saugmund Überschlägiges Festlegen der Laufradkanäle 33: Stufenzahl i Laufschaufelzahl z La Nachrechnen der Schaufelkanten Diagonalrad- Abmessungen (n y = 0, ,48) Axialrad-Abmessungen (n y > 0,30) Übungsbeispiele Übersicht über die Turbinen (Turbokraftmaschinen) Grundsätzliches Wasserturbinen Vorbemerkungen Gleichdruckturbinen 34

8 PELTON-, Becher-, Freistrahl-oder Tangential-Turbinen MICHELL-OSSBERGER-oder Durchströmturbinen Überdruckturbinen Gemeinsames FRANCis-Turbinen Propeller-und KAPLAN-Turbinen Berechnungshinweise Übungsbeispiele Dampfturbinen Grundsätzliches Dampfkraftprozeß Einteilung Optimaler Energieumsatz Stufungsarten Wärmerückgewinn Kennwerte Betriebsgrößen Grenzen Vergleich mit anderen Turbomaschinen Konstruktive Besonderheiten Betriebsverhalten Anfahren, Betrieb, Abstellen Regelung Ausführungsbeispiele Vorbemerkungen Gleichdruckturbinen Überdruckturbinen Vergleich Gleichdruck - Überdruck Berechnungshinweise Übungsbeispiele Gasturbinen Grundsätzliches Bezeichnungen Wirkungsweise Geschichtliches und Bedeutung Vergleich mit Dampfturbinen Aufbau Bestandteile Unterteilung Thermodynamik Kreisprozesse Wirkungsgrade, Arbeitsvermögen Arbeitsfluide und Stoffwerte Besonderheiten Bauteile Werkstoffe Brennstoffe Lebensdauer Eigenschaften, Anwendung, Ausführungsbeispiele Vorbemerkungen Stationäre Anlagen Bewegliche Anlagen Sonderausführungen 409 XV

9 XVI Inhaltsverzeichnis Übungsbeispiele Windturbinen Vorbemerkungen Windangebot Aerodynamische Grundlagen Einführung Windenergie und Windleistung Windturbinenleistung Axialkraft Kennwerte Ausführungshinweise Übungsbeispiele Antriebspropeller Vorbemerkungen Strömung, Geschwindigkeiten und Kräfte am Propellerblatt Vereinfachte Propellertheorie Kennzahlen Anwendungsbedingte Besonderheiten Flugzeugpropeller Schiffsschrauben Sonderbauarten Aggregate Vorbemerkungen Funktionsweise Strömungskupplungen Aufbau und Arbeitsweise Kenngrößen und Eigenschaften Ausführungen und Anwendungen Strömungsgetriebe Unterschied Kupplung - Getriebe Wirkungsweise Kenngrößen Kennlinien Anwendungsbeispiele Ausführungsbeispiele 428 TEIL III: Anhang 14 Schrifttum-Verzeichnis Lehrbücher Spezialwerke Handbücher und sonstige Fachzeitschriften Arbeits-Tafeln (Berechnungshilfen) Tafel-Verzeichnis Tafeln Lösungen der Übungsbeispiele Ergänzungen Stichwortverzeichnis 550 i