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FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik. Dipl.-Ing. Dieter Reinartz. Strömungsmaschinen – Überblick und Grundlagen. Einteilung der Strömungsmaschinen Betriebsgrößen Strömungsmaschinenhauptgleichung Geschwindigkeitsdreiecke Kennlinien Prüfstandsmessungen

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  1. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Dipl.-Ing. Dieter Reinartz Strömungsmaschinen – Überblick und Grundlagen • Einteilung der Strömungsmaschinen • Betriebsgrößen • Strömungsmaschinenhauptgleichung • Geschwindigkeitsdreiecke • Kennlinien • Prüfstandsmessungen • Zusammenspiel Strömungsmaschine/Anlage Dieter Reinartz Folie 1Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  2. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Prinzip Kraftmaschine (KM) – Arbeitsmaschine (AM) /1/ Dieter Reinartz Folie 2Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  3. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Einteilung der Strömungsmaschinen Strömungsmaschinen Turbomaschinen Turbo-Kraftmaschinen (KM) Turbo-Arbeitsmaschinen (AM) Thermische Turbomaschinen Hydraulische Turbomaschinen Kompressibles Fluid Inkompressibles Fluid • Dampf – und Gasturbinen (KM) • Verdichter, HD-Ventilatoren (AM) • Wasserturbinen (KM) • Windkraftanlagen (KM) • Kreiselpumpen (AM) • (ND–Ventilatoren) (AM) Luftschrauben (AM-KM) Schiffsschrauben (AM-KM) Hydrodynamische Getriebe und Kupplungen (AM-KM) Folie 3

  4. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Bauarten (Durchströmrichtung) radial axial diagonal tangential einflutig mehrflutig einstufig mehrstufig ohne Gehäuse mit Gehäuse Kombinationen der verschiedenen Bauarten Dieter Reinartz Folie 4Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  5. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Freistrahlturbine, 1-düsige Peltonturbine (Fa. Voith) /1/ Amerik. Pelton um 1880 Teilbeaufschlagte Gleichdruckturbine Bremsdüse Freihang H  500 – 2000 m Pmax 200 MW Dieter Reinartz Folie 5Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  6. Francis-Spiralturbine (Fa. Voith) /1/ Amerik. Howd und Francis um 1850 Radial durchströmte, axial abströmende, vollbeaufschlagte Überdruckturbine Hmax 600 m Pmax 500 MW Folie 6

  7. Kaplan-Turbine mit Betonspirale (Fa. Voith) /1/ Kaplan um 1913 Axial durchströmte, vollbeaufschlagte Überdruckturbine Hmax 80 m Pmax 100 MW Folie 7

  8. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Einsatzbereiche der Wasserturbinentypen (Fa. Escher-Wyss) /1/ Dieter Reinartz Folie 8Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  9. pF= 44 bis 110 bar tF = 455 bis 533 °C PK= 20 bis 120 MW Einhäusige Industriedampfturbine (Fa. Siemens AG) /1/ Folie 9

  10. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (Fa. MTU) /1/ Dieter Reinartz Folie 10Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  11. Laufradformen und –anordnungen von Kreiselpumpen (Fa. KSB) /2/ a) b) c) d) e) f) Alle einflutig; a) einstufig; b) u. c) 2-stufig; d) 4-stufig; e) u. f) 6-stufig Folie 11

  12. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik 1-flutige, 3-stufige Gliederpumpe (Fa. KSB)/2/ Dieter Reinartz Folie 12Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  13. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Betriebsbereiche der verschiedenen Kreiselpumpen /1/ Dieter Reinartz Folie 13Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  14. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Radial- und Axialventilatoren (Turbo-Lufttechnik GmbH) Dieter Reinartz Folie 14Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  15. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Radialventilator mit Drallregler (Fa. Reitz) Dieter Reinartz Folie 15Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  16. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Klimazentralgerät mit freilaufendem Radialventilator (Fa. Rox) Dieter Reinartz Folie 16Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  17. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Axialgebläse für eine Windkanalanlage D2=15m, V̇=10000m^3/s, Pw=80MW, n=250 1/min (Quelle TLT) Micro-Lüfter D2=23mm, V̇=0,001m^3/s, Pw=0,6W n=12000 1/min. (Quelle PAPST) Dieter Reinartz Folie 17Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  18. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Betriebsgrößen Massenstrom/Volumenstrom Hydraulische Strömungsmaschinen: Volumenstrom: Volumenstrom m3/s , Volumen m3 Zeit s mit = konst. Massenstrom kg/s Dichte kg/m3 spez. Volumen m3/kg Absolutdruck N/m2 spez. Gaskonstante Nm/kgK (Luft: 287,2) Bei Ventilatoren wird der Volumenstrom in der Regel auf den Ansaugzustand – Stelle 1 – be- zogen. absolute Temperatur K Dieter Reinartz Folie 18Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  19. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Thermische Strömungsmaschinen: Masse kg Massenstrom: , örtlicher Volumenstrom an der Stelle i: , örtliche Dichte = örtl. spez. Volumen = örtl. Absolutdruck bei i örtl. absolute Temperatur bei i Dampfnässe, abs. Feuchte Abhängig von Druck und Temperatur bestimmt man die Dichte und das spez. Volumen für das Fluid mit Tabellen, Diagrammen oder EDV-Programmen (VDI-Wasserdampf- tafeln, Mollier-(h-s-)Diagramme). Dieter Reinartz Folie 19Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  20. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Vereinfachtes Verfahren nach DIN 24 163 bei geringer Kompressibilität des Fluids bei Ventilatoren: , mittlere Dichte: Dichte am Eintritt Dichte am Austritt Genaueres Verfahren nach VDI 2044 oder ISO 5801 über die Korrektur mittels 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 den Eintritt bezogen. Dieter Reinartz Folie 20Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  21. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik 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 Dieter Reinartz Folie 21Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  22. Totaldruckerhöhung von Ventilatoren (Dichte=konst.) FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik • Die Energie, die vom Ventilator zur Deckung der Anlagenverluste an den • Förderstrom 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 Dieter Reinartz Folie 22Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  23. r a r FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Symbolische Darstellung einer Ventilatoranlage 01 Saugleitung, 23 Druckleitung, VT Ventilator, M Motor, 1 Saugstutzen, 2 Druckstutzen, Rs saugseitiger Summenwiderstand, RD druckseitiger Summenwiderstand, e geodätische Höhendifferenz zwischen Anlageneintritt und -austritt, z Ortshöhe Dieter Reinartz Folie 23Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  24. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Energiebilanz: = zugeführte Energie = abgeführte Energie c0=0 mit Anlagenwiderstand: f(Reibung, Einbauten, Verluste Armaturen, Ausblasverluste) 3 Fälle: (1.)*a : pt = pv´ (Normalfall) (2.) a : pt pv´ (feststoffbeladene Fluide) (3.) a : pt pv´ (Heißgasförderung) * Totaldruckerhöhung = Totaler Anlagenwiderstand (Gesamtverlust) Folie 24

  25. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik 3 Fälle: A1 = A2 pd1 = pd2 : pt = pst2 + pst1 = pst12 A1 A2 pd1 pd2 : ptpst2 A1 A2 pd1 pd2 : ptpst12 Saug- und druckseitig angeschlossener Ventilator mit Darstellung der Einzel- Drücke und des Totaldrucks Dieter Reinartz Folie 25Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  26. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik 3 Fälle: A1 = A2 pd1 = pd2 : pt = pst1 A1 A2 pd1 pd2 : ptpst1 A1 A2 pd1 pd2 : ptpst1 Mit Nur saugseitiger Betrieb Dieter Reinartz Folie 26Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  27. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Einlaufdüse gut gerundet!...c1=0 =0 =pa Mit pt pst2 Nur druckseitiger Betrieb Dieter Reinartz Folie 27Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  28. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik 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. (nach VDI 2044) st: statisch; d: dynamisch mit Kompressibles Arbeitsmedium: stat. Förderarbeit = Unterschied zu ISO 5801 beachten! Dieter Reinartz Folie 28Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  29. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Leistung und Wirkungsgrad Totale Förderleistung (Nutzleistung): Antriebsleistung, Eingang Laufrad (innere L.): =f(Laufradform ...) Antriebsleistung, Eingang Kupplung: = f(Antriebselemente ...) Dieter Reinartz Folie 29Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  30. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik 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! Dieter Reinartz Folie 30Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  31. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Laufradgitter radialer Bauart mit rückwärts gekrümmten Schaufeln Dieter Reinartz Folie 31Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  32. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Repräsentative Geschwindigkeitsdreiecke des Laufrades Eintritt Austritt Vektorsumme der korrespondierenden Geschwindigkeiten: c = u + w Impulsstrommoment (Betrag): Aufzubringendes Schaufelmoment an der Laufradwelle: Dieter Reinartz Folie 32Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  33. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Schaufelradleistung: mit Diese Leistung wird vollständig – reibungsfrei – an den Massenstrom übertragen und erhöht dadurch dessen innere spezifische Energie um den Betrag Eulersche Strömungsmaschinenhauptgleichung: Drallfreie Zuströmung: Vereinfachte Hauptgleichung: Dieter Reinartz Folie 33Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  34. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik (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 Dieter Reinartz Folie 34Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  35. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Wirkliche Schaufelarbeit / Minderleistung: ;  1 Verluste / totale spezifische Förderarbeit: h = f(Laufrad- und Gehäuseform) Dieter Reinartz Folie 35Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  36. Eulersche Gerade Übergang von der Eulerschen Gerade zur tatsächlichen Drosselkurve: Dieter Reinartz Folie 36Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  37. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Relativierte Kennfelder Dieter Reinartz Folie 37Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  38. Da die Methoden, die tatsächliche Drosselkurve eines Ventilators aus der Eulerschen Gleichung zu berechnen, aufgrund der komplizierten Strömungsvorgänge im Ventilator- Innern, vor allem im rotierenden Laufrad, nicht genau genug sind, müssen Prüfstands- messungen durchgeführt werden. Kammerprüfstand druckseitig nach DIN 24 163/T3 Dieter Reinartz Folie 38Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  39. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Rohrprüfstand druckseitig nach DIN 24 163/T3 Dieter Reinartz Folie 39Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  40. Ventilator frei ausblasend D2=0,56 m, n=1200 min.-1 Normkennlinien eines Radialventilators nach DIN 24 163 Folie 40

  41. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Kanal-Prüfstand mit reflexionsarmen Ausblas-Messkanal der FH D Dieter Reinartz Folie 41Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  42. Kennlinien eines Radialventilators mit 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

  43. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Zusammenspiel Ventilator / Anlage Dieter Reinartz Folie 43Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  44. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Betriebspunktverlagerung durch Sicherheitszuschlag Einfluss ungünstiger Zuströmung auf die Ventilatorkennlinie Dieter Reinartz Folie 44Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

  45. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik 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, April 2006. Reinartz, D.: Ventilatoren. Düsseldorf: VDI-Wissensforum, Lüftungs- und Klima- technik, Nov. 2003. DIN24163, Teil 1, Ausgabe: 1985-01 Ventilatoren – Leistungsmessung – Normkennlinien (Nationale Norm). ISO 5801, Ausgabe: 1997-06 Industrieventilatoren – Leistungsmessung auf genormten Prüfständen (Internationale Norm), Internationale „Übereinstimmung“ mit DIN 24163. VDI 2044, Ausgabe: 2002-11 Abnahme- und Leistungsversuche an Ventilatoren (VDI-Ventilatorregeln). Dieter Reinartz Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

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