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FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik

Dieter Reinartz Folie 1 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

Dipl.-Ing. Dieter Reinartz

Strömungsmaschinen – Überblick und Grundlagen

• Einteilung der Strömungsmaschinen• Betriebsgrößen• Strömungsmaschinenhauptgleichung• Geschwindigkeitsdreiecke• Kennlinien• Prüfstandsmessungen• Zusammenspiel Strömungsmaschine/Anlage

Prinzip Kraftmaschine (KM) – Arbeitsmaschine (AM) /1/

Einteilung der Strömungsmaschinen

StrömungsmaschinenTurbomaschinen

Turbo-Kraftmaschinen (KM) Turbo-Arbeitsmaschinen (AM)

Thermische Turbomaschinen

Kompressibles Fluid

Hydraulische Turbomaschinen

Inkompressibles Fluid

• Dampf – und Gasturbinen (KM)•Verdichter, HD-Ventilatoren (AM)

Luftschrauben (AM-KM)

• Wasserturbinen (KM)• Windkraftanlagen (KM)• Kreiselpumpen (AM)• (ND–Ventilatoren) (AM)

Schiffsschrauben (AM-KM)

Hydrodynamische Getriebe undKupplungen (AM-KM) Folie 3

Bauarten (Durchströmrichtung)

radial axial

diagonal tangential

einflutig mehrflutig

einstufig mehrstufig

ohne Gehäuse mit Gehäuse

Kombinationen derverschiedenen Bauarten

Freistrahlturbine, 1-düsige Peltonturbine (Fa. Voith) /1/

Freihang

Bremsdüse

Amerik. Pelton um 1880

H 500 – 2000 mPmax 200 MW

Teilbeaufschlagte Gleichdruckturbine

Francis-Spiralturbine(Fa. Voith) /1/

Folie 6

Amerik. Howd und Francis um 1850

Hmax 600 mPmax 500 MW

Radial durchströmte, axial abströmende,vollbeaufschlagte Überdruckturbine

Kaplan-Turbine mitBetonspirale (Fa. Voith) /1/

Folie 7

Kaplan um 1913

Hmax 80 mPmax 100 MW

Axial durchströmte, vollbeaufschlagteÜberdruckturbine

Einsatzbereiche der Wasserturbinentypen (Fa. Escher-Wyss) /1/

Einhäusige Industriedampfturbine (Fa. Siemens AG) /1/Folie 9

pF= 44 bis 110 bartF = 455 bis 533 °CPK= 20 bis 120 MW

Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (Fa. MTU) /1/

Laufradformen und –anordnungen von Kreiselpumpen (Fa. KSB) /2/

a) b) c) d)

f)Alle einflutig; a) einstufig; b) u. c) 2-stufig; d) 4-stufig; e) u. f) 6-stufig Folie 11

1-flutige, 3-stufige Gliederpumpe (Fa. KSB)/2/

Betriebsbereiche der verschiedenen Kreiselpumpen /1/

Radial- und Axialventilatoren (Turbo-Lufttechnik GmbH)

Radialventilator mit Drallregler (Fa. Reitz)

Klimazentralgerät mit freilaufendem Radialventilator (Fa. Rox)

Axialgebläse für eine WindkanalanlageD2=15m, V̇=10000m^3/s, Pw=80MW, n=250 1/min(Quelle TLT)

Micro-LüfterD2=23mm, V̇=0,001m^3/s, Pw=0,6W n=12000 1/min. (Quelle PAPST)

BetriebsgrößenMassenstrom/Volumenstrom

Hydraulische Strömungsmaschinen:

Volumenstrom: Volumen m3

vmmtVV

mitTRpst

, :V Volumenstrom m3/s

:t Zeit s

:m Massenstrom kg/s= konst. : Dichte kg/m3

:v spez. Volumen m3/kg:stp Absolutdruck N/m2

:R spez. Gaskonstante Nm/kgK (Luft: 287,2)

:T absolute Temperatur K

Bei Ventilatoren wird der Volumenstrom in derRegel auf den Ansaugzustand – Stelle 1 – be-zogen.

Thermische Strömungsmaschinen:

Massenstrom:tmm , :m Masse kg

örtlicher Volumenstrom an der Stelle i:

i vmmV

, :i:iv:ip:iT:x

örtliche Dichte = xTpf ii ,,

örtl. spez. Volumen =

örtl. Absolutdruck bei i

örtl. absolute Temperatur bei iDampfnässe, abs. Feuchte

xTpf ii ,,

Abhängig von Druck und Temperatur bestimmt man die Dichte und das spez. Volumenfür das Fluid mit Tabellen, Diagrammen oder EDV-Programmen (VDI-Wasserdampf-tafeln, Mollier-(h-s-)Diagramme).

Vereinfachtes Verfahren nach DIN 24 163 bei geringer Kompressibilität des Fluids bei Ventilatoren:

mittlere Dichte:2

, :1 Dichte am Eintritt

:2 Dichte am Austritt

Genaueres Verfahren nach VDI 2044 oder ISO 5801 über die Korrekturmittels der Strömungsmachzahlen Ma1 und Ma2 im Ein- und Austrittsstutzen.

Bei größeren Druckverhältnissen ergeben sich merkliche Unterschiede zwischen den Regelwerken!

Regelwerk vertragsmäßig eindeutig festlegen!

Hinweis: Bei Ventilatoren wird der vereinbarte Volumenstrom in der Regel auf denEintritt bezogen.

Spezifische Stutzenarbeit Y

spez. Energiegefälle bei

Kraftmaschinen: zwischen Ein – und Austrittsstutzen

Arbeitsmaschinen: zwischen Aus – und Eintrittsstutzen

Andere Bezeichnungen anstelle von Y:

• Wasserturbinen: Fallhöhe H = Y/g m• Kreiselpumpen: Förderhöhe H = Y/g m• Ventilatoren: spez. Förderarbeit Y m2/s2

• Dampf-, Gasturbinen und Verdichter: Enthalpieänderung m2/s2 (Darstellung mittels Vergleichsprozesse, isentrope bzw. polytrope Expansionsströmung – math. schwer zu beschreiben – bzw. Verdichtung)

s. a. Folie 2

Totaldruckerhöhung von Ventilatoren (Dichte=konst.)

Die Energie, die vom Ventilator zur Deckung der Anlagenverluste an denFörderstrom abzugeben ist, wird berechnet

• mit Hilfe des Energiesatzes aus den Daten und Abmessungen der Anlage,• anhand der Eulerschen Hauptgleichung für Turbomaschinen über Form, Abmessung und Drehzahl des Ventilators

• Berechnungsverfahren sind noch mit mancherlei Unsicherheiten behaftet• tatsächliche Energieumwandlung mit Modellmessungen ermitteln• aus den Messwerten sichere Vorausberechnung der Betriebskennlinien für alle geometrisch ähnlichen Ventilatoren möglich

Symbolische Darstellung einer Ventilatoranlage 01 Saugleitung, 23 Druckleitung, VT Ventilator, M Motor,1 Saugstutzen, 2 Druckstutzen, Rs saugseitiger Summenwiderstand,RD druckseitiger Summenwiderstand, e geodätische Höhendifferenzzwischen Anlageneintritt und -austritt, z Ortshöhe

ast pp 0

tst pcp2

vst peg

Energiebilanz:

zugeführte Energie = abgeführte Energie

egpp astst 03 avt eg´pp c0=0

p´p vv

(1.)* a : pt = pv´ (Normalfall)

(2.) a : pt pv´ (feststoffbeladene Fluide)

(3.) a : pt pv´ (Heißgasförderung)

* Totaldruckerhöhung = Totaler Anlagenwiderstand (Gesamtverlust)

3 Fälle:

Folie 24

Anlagenwiderstand: f(Reibung, Einbauten, Verluste Armaturen, Ausblasverluste)

ccppp ststt

1212 ddststt ppppp

A1 = A2 pd1 = pd2 :

pt = pst2 + pst1 = pst12

A1 A2 pd1 pd2 :

pt pst2

A1 A2 pd1 pd2 :

pt pst12

Saug- und druckseitig angeschlossenerVentilator mit Darstellung der Einzel-Drücke und des Totaldrucks

3 Fälle:

121 ddstt pppp

A1 = A2 pd1 = pd2 : pt = pst1 A1 A2 pd1 pd2 : pt pst1

A1 A2 pd1 pd2 : pt pst1

3 Fälle:

Nur saugseitiger Betrieb

022 stast pppMit

Einlaufdüse gut gerundet!...c1=0

22 dstt ppp pt pst2 Nur druckseitiger Betrieb

00111 stastd ppppMit

Totale spezifische Förderarbeit yt

(nach DIN 24 163)

Hinweis: Bis zu einem Druckverhältnis p2/p1=1,03 ist der Fehler auf maximal 1%begrenzt, wenn für gesetzt wird.1 m

dstt YYY (nach VDI 2044)

st: statisch; d: dynamischmit2

Kompressibles Arbeitsmedium: stat. Förderarbeit = 2

Unterschied zu ISO 5801 beachten!

Leistung und Wirkungsgrad

Totale Förderleistung (Nutzleistung):

ttt pVpmYmP

Antriebsleistung, Eingang Laufrad (innere L.):

=f(Laufradform ...)tL

Antriebsleistung, Eingang Kupplung:

m = f(Antriebselemente ...)

Betriebliches Verhalten von Ventilatoren

Strömungsmaschinen-Hauptgleichung (Leonhard Euler – 1754 -)

Vereinfachende Annahmen:• ideale Strömung, d. h. volumenbeständig und reibungsfrei• Strömung sei schaufelkongruent, d,h. die Stromfäden sollen innerhalb der Schaufelkanäle die gleiche Form wie die Schaufeln haben• vollbeaufschlagtes Laufrad• stationäre Strömung• Erdbeschleunigung kann vernachlässigt werden

Für reale Strömungen treffen die Annahmen nicht zu;dennoch gute Übereinstimmung der Ergebnisse mit der Praxis!

Laufradgitter radialer Bauart mit rückwärts gekrümmten Schaufeln

Eintritt Austritt

Repräsentative Geschwindigkeitsdreiecke des Laufrades

Vektorsumme der korrespondierenden Geschwindigkeiten:c = u + w

Impulsstrommoment (Betrag):

1111 rcmrF uLu 2222 rcmrF uLu

Aufzubringendes Schaufelmoment an der Laufradwelle:

1122 rcrcmM uuLSch

Schaufelradleistung:

1122 ucucmMP uuLSchSch mit ruDiese Leistung wird vollständig – reibungsfrei – an den Massenstrom übertragen und erhöht dadurch dessen innere spezifische Energie um den Betrag

LSchSch mPY /

1122 ucucmmYP uuLLSchSch Eulersche Strömungsmaschinenhauptgleichung:

1122 ucucY uuSch Drallfreie Zuströmung: 01 uc

Vereinfachte Hauptgleichung: 22 ucY uSch

(1 und c1u in allen 3 Fällen gleich groß!)

2 90° 2 90° 2 90°

c2u u2 c2u = u2 c2u u2

Schaufelformen und Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradaustritt

usch cuy 22

schusch ycuy 32

1 ,, DDzf

Wirkliche Schaufelarbeit / Minderleistung:

Verluste / totale spezifische Förderarbeit: 1

thuhscht

h = f(Laufrad- und Gehäuseform)

Lsch VtanbD

222222 tan/ muSch cuucuY 22

Eulersche Gerade

Übergang von der Eulerschen Gerade zur tatsächlichen Drosselkurve:

Schth YY /

Relativierte Kennfelder

Kammerprüfstand druckseitig nach DIN 24 163/T3

Da die Methoden, die tatsächliche Drosselkurve eines Ventilators aus der EulerschenGleichung zu berechnen, aufgrund der komplizierten Strömungsvorgänge im Ventilator-Innern, vor allem im rotierenden Laufrad, nicht genau genug sind, müssen Prüfstands-messungen durchgeführt werden.

Rohrprüfstand druckseitig nach DIN 24 163/T3

Normkennlinien eines Radialventilators nach DIN 24 163

Ventilator frei ausblasendD2=0,56 m, n=1200 min.-1

Folie 40

Kanal-Prüfstand mit reflexionsarmen Ausblas-Messkanal der FH D

Kennlinien eines Radialventilatorsmit rückwärts gekrümmten Schaufeln,D2=0,447 m, z=9 bei ρ =1,2 kg/m3 ,gemessen am Kanal-Prüfstand der FH Düsseldorf (Folie 41)

Folie 42

Zusammenspiel Ventilator / Anlage

Betriebspunktverlagerung durchSicherheitszuschlag

Einfluss ungünstiger Zuströmung aufdie Ventilatorkennlinie

Dieter Reinartz Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

Literatur:/1/ Bohl, W., Elmendorf, W.: Strömungsmaschinen 1. Würzburg: Vogel Buchver- lag, 9. Auflage, 2004./2/ KSB-Kreiselpumpenlexikon. Frankenthal, 3. Auflage, 1989.

Weitere verwendete Literatur:Bommes, L....(Hrsg.). Ventilatoren. Essen: Vulkan-Verlag, 2. Auflage, 2003.Reinartz, D.: Abnahme – und Leistungsmessungen, Essen: HdT-Seminar, April2006.Reinartz, D.: Ventilatoren. Düsseldorf: VDI-Wissensforum, Lüftungs- und Klima-technik, Nov. 2003.DIN 24163, Teil 1, Ausgabe: 1985-01Ventilatoren – Leistungsmessung – Normkennlinien (Nationale Norm).ISO 5801, Ausgabe: 1997-06Industrieventilatoren – Leistungsmessung auf genormten Prüfständen(Internationale Norm), Internationale „Übereinstimmung“ mit DIN 24163. VDI 2044, Ausgabe: 2002-11Abnahme- und Leistungsversuche an Ventilatoren (VDI-Ventilatorregeln).

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