Strömungsmaschinen. Grundlagen und Anwendungen. von Herbert Sigloch. 4., aktualisierte Auflage. Hanser München 2009

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1 Strömungsmaschinen Grundlagen und Anwendungen von Herbert Sigloch 4., aktualisierte Auflage Hanser München 2009 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Zu Leseprobe schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 Inhaltsverzeichnis Herbert Sigloch Strömungsmaschinen Grundlagen und Anwendungen ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

3 Inhaltsverzeichnis Teil I Grundlagen Allgemeines Begriffe, Einheiten, Abkürzungen Begriffe 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 Strömungsverhältnisse Zusammengesetzte Strömungen Grundsätzliches Radialrotationshohlräume Vorbemerkungen Reibungsfreie Strömungen Reibungsbehaftete Strömungen Beliebige rotationssymmetrische Kanäle Axialrotationshohlräume Relativbewegung Energiegleichung der Relativströmung Instationäre Strömung Grundsätzliches Energiegleichung der instationären Strömung Druckstoß Vorbetrachtungen Physikalischer Ablauf Rohrleitung mit konstantem Querschnitt Rohrsystem mit veränderlichem Durchmesser Laufradströmungen Bezeichnungen und Grundsätzliches Radial-, Halbaxial- und Diagonalräder Strömungsverhältnisse Nabenverengung Radquerschnittsverengung... 58

4 10 Inhaltsverzeichnis Laufschaufelzahl Schaufeldicke Umfangsgeschwindigkeit Geschwindigkeitsverhältnisse Axialräder Vorbemerkungen Axialräder mit vielen Schaufeln Axialräder mit wenigen Schaufeln Energieumsatz Berechnungsverfahren Stromfadentheorie Hauptgleichung der Kreiselradtheorie (EULER-Gleichung) Spezifische theoretische Schaufelarbeit Y Sch bei unendlicher Schaufelzahl Spezifische theoretische Schaufelarbeit Y Sch bei endlicher Schaufelzahl Spezifische Stufenarbeit ΔY und spezifische Stutzenarbeit Y Spaltdruckarbeit Gleich- und Überdruckwirkung Tragflügeltheorie Ideale Strömung (KUTTA-JOUKOWSKY-Gesetz) Reale Strömung Affinitätsgesetze und Kennziffern Grundsätzliches Ähnlichkeitstheorie Vorbemerkungen Ähnlichkeitsbedingungen Affinitätsgesetze Maßstabsfaktoren Proportionalitäten Ähnlichkeitsbeziehungen Wirkungsgradumrechnung Radanpassung Kennziffern Grundsätzliches Methoden zur Aufstellung von Kennziffern Wichtige Kennziffern für Turbomaschinen Reaktionsgrad Druckziffer Lieferziffer Durchmesserziffer Radformkennziffern (Laufradkennzahlen) Relative Drallziffer Einlaufziffer und Abströmwert Kavitation und Überschall Vorbemerkungen Kavitation Ablauf, Wirkung, Werkstoffe, Einflüsse Grundsätzliches Kavitationsablauf

5 Inhaltsverzeichnis Werkstoffe Laufradgrößeneinfluss Kavitationsstufen Kavitationsformen Zusammenfassung Saughöhe von Flüssigkeitsmaschinen Halteenergie Saugzahl S y NPSH-Wert THOMA-Zahl Th Festlegen des Kavitationszustandes Überschall Grundsätzliches, Bedeutung Dichteänderung im Saugstutzen Überschallgrenze, Schallziffer Laufradformen Radialmaschinen Grundsätzliches Wirkungsfreie Radialschaufel Einfluss der Saugkante Einfluss der Druckkante Grundsätzliches Unterscheidung Vergleich Anwendung Schaufelformen Grundsätzliches Pumpenschaufeln Turbinenschaufeln Axialmaschinen Vorbemerkungen Wirkungsfreie Axialschaufel Einfluss der Saugkante Einfluss der Druckkante Grundsätzliches Unterscheidung Vergleich Anwendung Schaufelformen Axialpumpen Wasserturbinen Dampf- und Gasturbinen Leitvorrichtungen Grundsätzliches Pumpenleitvorrichtungen Radialmaschinen Einführung Ringspalt, Leitkanaleintrittsbreite Leitrad (beschaufelt)

6 12 Inhaltsverzeichnis Leitring (schaufellos) Spiralgehäuse Rückführeinrichtungen Saugseitenleitvorrichtungen Axialmaschinen Grundsätzliches Spalt zwischen Lauf- und Leitrad Leitschaufeldicke s Le Leitschaufelzahl z Le Leitschaufelkontur Turbinenleitvorrichtungen Grundsätzliches Wasserturbinen Gleichdruckturbinen (Aktionswirkung) Überdruckturbinen (Reaktionswirkung) Dampf- und Gasturbinen Vorbemerkungen Gleichdruckturbinen (Aktionswirkung) Überdruckturbinen (Reaktionsprinzip) Spezifische Stutzenarbeit, Verluste, Leistungen, Wirkungsgrade Vorbemerkung Spezifische Stutzenarbeit Verluste Grundsätzliches Innere Verluste Schauflungsverluste Z Sch Mengenstromverluste Radreibungs- und Ventilationsverluste Austauschverlust Stoßverluste Zusammenfassung Äußere Verluste Gesamtverlust Z ges Leistungen Grundsätzliches Theoretische Leistung Innere Leistungen Äußere, effektive oder Kupplungs-Leistung Wirkungsgrade Grundsätzliches Liefergrad λ L Schauflungswirkungsgrad η Sch Innerer Wirkungsgrad η i Mechanischer Wirkungsgrad η m EffektiverWirkungsgrad η e Weitere Wirkungsgrade bei thermischen Turboarbeitsmaschinen Weitere Wirkungsgrade bei Turbokraftanlagen Anlagenwirkungsgrad η A Spezielle Wirkungsgrade

7 Inhaltsverzeichnis 13 9 Betriebliches Verhalten (Kennlinien, Kennfelder) Grundsätzliches Betriebsverhalten der Strömungsarbeitsmaschinen Kreiselpumpen Drosselkurven Auslegungs- und Betriebspunkt Stabiler und labiler Betriebszustand Affinität der Drosselkurven Vergleich mit dem Kennverhalten der Kolbenpumpen Muscheldiagramm Kennlinien für Leistungen, Wirkungsgrad und Haltedruckhöhe bzw. NPSA Besonderheiten schnellläufiger Strömungspumpen Kombination von Strömungspumpen Regelung von Strömungspumpen Kreiselverdichter Grundsätzliches Einfluss der Ansaugverhältnisse Instabilitäten (Strömungsabreißen) Kennlinien mehrstufiger Verdichter Betriebsverhalten der Strömungskraftmaschinen Grundsätzliches Wasserturbinen Dampf- und Gasturbinen Vorbemerkungen Kegelgesetz Teil II Turbomaschinenarten Übersicht über die Strömungspumpen (Turboarbeitsmaschinen) Grundsätzliches Kreiselpumpen Vorbemerkungen Laufradformen und Kenngrößen Wirkungsgrad Läuferkräfte Achsschub (Axialkraft) Radialkräfte Saugverhalten Ausführungsbeispiele Radial- und Halbaxialpumpen (Radform Iund II) Diagonal- oder Schraubenpumpen (Radform III) Axial- oder Propellerpumpen (Radform IV) Mehrstufige Radialpumpen (Radform Iund II) Sonder-Kreiselpumpen Kreiselverdichter Vorbemerkungen Besonderheiten Drehzahl Aufbau Geräuschentwicklung Thermodynamik der Verdichtung

8 14 Inhaltsverzeichnis Unterteilung Druckstufung Laufräder-Abstufung Ausführungsbeispiele Ventilatoren Gebläse Kompressoren Hinweise für das Berechnen von Strömungspumpen Grundsätzliches Wellendurchmesser D We Radialrad-Abmessungen (n y 0,12) Nabendurchmesser D N Saugmund Überschlägiges Festlegen der Laufradkanäle Stufenzahl i Laufschaufelzahl z La Nachrechnen der Schaufelkanten Diagonalrad-Abmessungen (n y = 0,12...0,48) Axialrad-Abmessungen (n y > 0,3) Übersicht über die Turbinen (Turbokraftmaschinen) Grundsätzliches Wasserturbinen Vorbemerkungen Gleichdruck- oder Aktionsturbinen PELTON-, Becher-, Freistrahl- oder Tangential-Turbinen MICHELL-OSSBERGER-oder Durchströmturbine Überdruck- oder Reaktionsturbinen Gemeinsames FRANCIS-Turbinen Propeller-und KAPLAN-Turbinen Berechnungshinweise Dampfturbinen Grundsätzliches Dampfkraftprozess Einteilung Optimaler Energieumsatz Stufungsarten Wärmerückgewinn Kennwerte Betriebsgrößen Grenzen Vergleich mit anderen Turbomaschinen Konstruktive Besonderheiten Betriebsverhalten Anfahren, Betrieb, Abstellen Regelung Ausführungsbeispiele Vorbemerkungen Gleichdruck- oder Aktionsturbinen Überdruck- oder Reaktionsturbinen

9 Inhaltsverzeichnis Vergleich Gleichdruck Überdruck Berechnungshinweise Gasturbinen Grundsätzliches Bezeichnungen Wirkungsweise Geschichtliches und Bedeutung Vergleich mit Dampfturbinen Aufbau Bestandteile Unterteilung Thermodynamik Besonderheiten Bauteile Werkstoffe Brennstoffe Lebensdauer Eigenschaften, Anwendung, Ausführungsbeispiele Vorbemerkungen Stationäre Anlagen Bewegliche Anlagen Sonderausführungen Windturbinen Vorbemerkungen Windangebot Aerodynamische Grundlagen Einführung Windenergie und Windleistung Windturbinenleistung Axialkraft Kennwerte Ausführungshinweise Antriebspropeller Vorbemerkungen Strömung, Geschwindigkeiten und Kräfte am Propellerblatt Vereinfachte Propellertheorie Kennzahlen Anwendungsbedingte Besonderheiten Flugzeugpropeller Schiffsschrauben Sonderbauarten Aggregate Vorbemerkung Funktionsweise Strömungskupplungen Aufbau und Arbeitsweise Kenngrößen und Eigenschaften Ausführungen und Anwendungen

10 16 Inhaltsverzeichnis 13.4 Strömungsgetriebe Unterschied Kupplung Getriebe Wirkungsweise Kenngrößen Kennlinien Anwendungsbereiche Ausführungsbeispiele Literaturverzeichnis Lehrbücher Spezialwerke Handbücher und Sonstige Sachwortverzeichnis...444