Turbomaschinen und Flugantriebe
Prof. Dr.-Ing. habil. R. Mailach
Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-1)
1 Einleitung und Überblick zu Bauformen und
Anwendungen von Fluidenergiemaschinen
- Begriffsbestimmungen
- Möglichkeiten der Energieumwandlung
- Arbeitsprinzipien und Systematik – Schwerpunkt:
dynamisch arbeitende Fluidenergiemaschinen
- Bauformen und Beispiele historischer und aktueller
Anwendungen
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-2)
Fluidenergiemaschinen (FLEM) sind
Maschinen mit Arbeitsaustausch zwischen
Maschinenteilen
Strömungsmedium (Fluid)
Energieträger:
Fluid und Maschinen - Elemente
Fluidenergiemaschinen: Definition
Bsp.: Ventilator
Bild: Fa. Savio
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-4)
Primärenergien und wesentliche
Energieumwandlungsmöglichkeiten
Bilder: Strauß, K. „Kraftwerkstechnik“, Springer-Verlag; Fister, W. „Fluidenergiemaschinen“, Springer-Verlag
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-9)
Bsp: Archimedische Schraube
- Archimedes (3. Jh. V. Chr.)
- Förderanlage zum Transport von
Wasser auf höheres Niveau z.B.
für Be- u. Entwässerung
- wesentliches Bauteil:
schraubenförmige Schnecke
(Schneckenförderer)
Bild links: www.wikipedia.de
Ausgewählte historische Anwendungen
von Fluidenergiemaschinen
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-10)
Bsp: Herons-Ball
Ausgewählte historische Anwendungen
von Fluidenergiemaschinen
Bild links: Meyers Konversationslexikon, 1890
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-12)
Bsp: Windräder / Windmühlen
Persische Windmühle
(Hammurabi, ca. 1700 v. Chr.)
Chinesisches Windrad (1000 n. Chr.)
Ausgewählte historische Anwendungen
von Fluidenergiemaschinen
Quelle: Gasch „Windkraftanlagen“, Vieweg und Teubner-Verlag
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-13)
Bsp: Windräder / Windmühlen, Wasserrad
Ausgewählte historische Anwendungen
von Fluidenergiemaschinen
Bilder: Agricola „De re metallica“ (1556)
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-14)
Bsp: Gebläse u. Pumpen
• historisch erste Anwendung:
Bewetterung von Bergwerken -
Wettermaschine nach Agricola
(1556)
• 1700: mit Muskelkraft betriebene
Zentrifugalräder zur Bergwerks-
bewetterung (Papin)
Agricola „De re metallica“
(1556)
Ausgewählte historische Anwendungen
von Fluidenergiemaschinen
Zentrifugalpumpe mit
Spiralgehäuse, Papin (1705)
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1. Einleitung (1-15)
• ab 19. Jh.: vielfältige
Anwendungen: Bergbau,
Chemie, Metallurgie …;
z.B. „Schwarzenberggebläse“
(1830)
Ausgewählte historische Anwendungen
von Fluidenergiemaschinen
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-16)
Bsp: Gasturbine / Flugtriebwerk
Ellings erste Gasturbine (1903) Whittle‘s W1 (1941)
Von Ohain‘s He S3B (1939)
Ausgewählte historische Anwendungen
von Fluidenergiemaschinen
Quelle: Krain, ASME Journal of Turbomachinery (2005)
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-17)
Fluidenergiemaschinen – ausgewählte Beispiele
Bilder: Rolls-Royce, Siemens, Klaus-Union, KW-B
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-19)
Unterscheidung nach
Durchströmrichtung
1
2
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4
5
Systematisierung der Fluidenergiemaschinen
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-21)
Bsp.: Magneto-Hydrodynamischer Generator (MHD)
Elektrisch wirkende Fluidenergiemaschinen
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-23)
Energieübertragung in Fluidenergiemaschinen:
statisch dynamisch
Arbeitsprinzip der Fluidenergiemaschinen
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-24)
Bsp.: vierstufiger Axialverdichter
Grundlegende strömungsführende Bauelemente / -gruppen von
Turbomaschinen
Bsp.: Axialventilator
Bild, rechts: Fa. Savio
1 Laufrad (rotierend)
2 Leitrad (feststehend)
3 Eintrittsgehäuse
4 Austrittsgehäuse mit Diffusor
Laufrad mit Laufschaufeln
(rotierend)
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-25)
Einlauf Verdichter Brennkammer Turbine Düse
Vergleich statisch und dynamische arbeitende FLEM
(Bsp.: Kolbenmaschine und Flugtriebwerk)
Bild: RollsRoyce - The Jet Engine
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-26)
Vergleich statisch und dynamische arbeitende FLEM
(Bsp.: Kolbenmaschine und Flugtriebwerk)
Bild: RollsRoyce - The Jet Engine
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1. Einleitung (1-27)
Sulzer 07683110-2
Querschnitt durch den
RND 105 - Motor
ca. 4000 PS / Zyl.,
ca. 3 MW / Zyl.
Kolbenmaschine: Schiffsdieselmotor
Bild: Sulzer
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1. Einleitung (1-28)
Kolbenmaschine: Schiffsdieselmotor
Bild: MAN Diesel & Turbo SE
MAN: Typ: 12k98ME7, Leistung: 74760 KW
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1. Einleitung (1-29)
Vergleich statisch und dynamische arbeitende FLEM
(Kolbenmaschine und Turbomaschine)
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1. Einleitung (1-33)
FLEM treibt etwas an
Wellenarbeit
Fluidenergie sinkt
Kraftmaschine
Output
Richtung der Energiewandlung
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1. Einleitung (1-34)
FLEM wird angetrieben
Wellenarbeit
Fluidenergie steigt
Arbeitsmaschine
Input
Richtung der Energiewandlung
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1. Einleitung (1-35)
Einteilung nach Funktionsprinzipien
1) statisch: dynamisch:
Kolbenmaschine Turbomaschine
2) treibend angetrieben
Energie des Fluids:
sinkt steigt
Output Input
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1. Einleitung (1-37)
• Begriff Turbomaschine: turbare - „sich drehen“ (aus dem Lateinischen)
• grundsätzliche Aufgabe der Turbomaschinen (TM) : Wandlung von Energie
• Wechselwirkung zwischen der Energieänderung (Totalenthalpieänderung) eines Fluidstromes und der TM zugeführter - bzw. von TM abgegebener mechanischer Leistung
• Energieübertragung erfolgt stets über rotierende Welle, auf der sich ein Laufrad mit vom Fluid umströmten Laufschaufeln befindet (Rotor)
Dynamisch arbeitende Fluidenergiemaschinen
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1. Einleitung (1-39)
Dichteänderung in Gasströmungen / Kompressibilität: Bsp. Luft
Annahme einer inkompressiblen
Strömung bis ca. Ma =0,2…0,3
gerechtfertigt.
Unterscheidungskriterium: Volumenbeständigkeit des Fluids
Volumenbeständigkeit des Fluids:
a) kompressibel thermische Maschine b) inkompressibel hydraulische Maschine
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-40)
1<Ma
Ma<0,3*
*
Bsp.: Kompressibilität / Verdichtungsstoß
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1. Einleitung (1-42)
axial radial diagonal
axm cc rm cc
rm
axm
cc
cc
Benennung nach Durchströmrichtung
(Bsp. Verdichter)
Turbomaschinen - Bauarten
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-43)
Axialventilator (Fa. Savio)
Meridianschnitt
Zuströmung
Axialventilator / -verdichter (einstufig)
Bild li./re.: Heller (HTW Dresden) / Fa. Savio
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-44)
Axialverdichter (mehrstufig) Radialverdichter (einstufig)
Verdichter – Bauarten
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-45)
Achsnormal-
schnitt
Meridianschnitt
Kreiselpumpe (Fa. Klaus Union)
Kreiselpumpen
Bild : Fa. Klaus Union
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1. Einleitung (1-46)
Wasserturbinen - Bauarten
Bild (rechts unten): www.kw-birsfelden.ch
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1. Einleitung (1-47)
horizontale Achse:
Windräder
Bsp.; Bauarten mit horizontaler Achse
Bild, rechts: Gasch „Windkraftanlagen“, Vieweg und Teubner-Verlag
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1. Einleitung (1-49)
Hydrodynamischer Drehmomentwandler
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1. Einleitung (1-50)
Arbeitsprinzip Turbogenerator
Stationäre Gasturbine
Bild, li./re.: Fister „Fluidenergiemaschinen“ / Siemens
Aufbau einer Gasturbine
Gasturbine (Siemens SGT5-8000H)
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-51)
Turbostrahltriebwerke
Bild: Rolls-Royce
Einlauf Verdichter Brennkammer Turbine Düse
Fan-Triebwerk
(Rolls-Royce Trent 900)
Grundlegender Aufbau und
Komponenten eines
Turbostrahltriebwerks
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Grundlagen Turbomaschinen
1. Einleitung (1-52)
Typprägende Bauelemente von Fluidenergiemaschinen
(Bsp.: Verdichter)
Bild: Fister „Fluidenergiemaschinen“, Springer-Verlag
