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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
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Dieter Reinartz Folie 2 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Prinzip Kraftmaschine (KM) – Arbeitsmaschine (AM) /1/
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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
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Dieter Reinartz Folie 4 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Bauarten (Durchströmrichtung)
radial axial
diagonal tangential
einflutig mehrflutig
einstufig mehrstufig
ohne Gehäuse mit Gehäuse
Kombinationen derverschiedenen Bauarten
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Dieter Reinartz Folie 5 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
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Dieter Reinartz Folie 8 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
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Dieter Reinartz Folie 10 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (Fa. MTU) /1/
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
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Dieter Reinartz Folie 12 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
1-flutige, 3-stufige Gliederpumpe (Fa. KSB)/2/
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Dieter Reinartz Folie 13 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Betriebsbereiche der verschiedenen Kreiselpumpen /1/
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Dieter Reinartz Folie 14 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Radial- und Axialventilatoren (Turbo-Lufttechnik GmbH)
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Dieter Reinartz Folie 15 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Radialventilator mit Drallregler (Fa. Reitz)
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Dieter Reinartz Folie 16 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Klimazentralgerät mit freilaufendem Radialventilator (Fa. Rox)
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Dieter Reinartz Folie 17 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Axialgebläse für eine WindkanalanlageD2=15m, VI =10000m^3/s, Pw=80MW, n=250 1/min(Quelle TLT)
Micro-LüfterD2=23mm, VI =0,001m^3/s, Pw=0,6W n=12000 1/min. (Quelle PAPST)
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Dieter Reinartz Folie 18 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
BetriebsgrößenMassenstrom/Volumenstrom
Hydraulische Strömungsmaschinen:
Volumenstrom: Volumen m3
vmm
t
VV
mitTR
pst
, :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
:V
Bei Ventilatoren wird der Volumenstrom in derRegel auf den Ansaugzustand – Stelle 1 – be-zogen.
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Dieter Reinartz Folie 19 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Thermische Strömungsmaschinen:
Massenstrom:t
mm , :m Masse kg
örtlicher Volumenstrom an der Stelle i:
ii
i vmm
V
, :i:iv:ip:iT:x
örtliche Dichte = xTpf ii ,,
örtl. spez. Volumen =
örtl. Absolutdruck bei i
örtl. absolute Temperatur bei i
Dampfnässe, 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).
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Dieter Reinartz Folie 20 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Vereinfachtes Verfahren nach DIN 24 163 bei geringer Kompressibilität des Fluids bei Ventilatoren:
mittlere Dichte:2
21 m
, :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.
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Dieter Reinartz Folie 21 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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)
h
s. a. Folie 2
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Dieter Reinartz Folie 22 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
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Dieter Reinartz Folie 23 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
a
ast pp 0
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tst pcp
2
2
00
vst peg
cp
2
2
33=
Energiebilanz:
zugeführte Energie = abgeführte Energie
egpp astst 03 avt eg´pp c0=0
2
2
3c
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)
mit
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Dieter Reinartz Folie 25 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
2
2
1
2
212
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:
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Dieter Reinartz Folie 26 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
ap
022 stast pppMit
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Dieter Reinartz Folie 27 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Einlaufdüse gut gerundet!...c1=0
22 dstt ppp pt pst2 Nur druckseitiger Betrieb
ap
=0
=pa
00111 stastd ppppMit
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Dieter Reinartz Folie 28 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Totale spezifische Förderarbeit yt
m
tt
pY
(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
21
22 cc
Yd
Kompressibles Arbeitsmedium: stat. Förderarbeit = 2
1 st
st
dpY
Unterschied zu ISO 5801 beachten!
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Dieter Reinartz Folie 29 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Leistung und Wirkungsgrad
Totale Förderleistung (Nutzleistung):
mt
m
ttt pV
pmYmP
1
1
Antriebsleistung, Eingang Laufrad (innere L.):
tL
tL
PP
=f(Laufradform ...)tL
Antriebsleistung, Eingang Kupplung:
m
LW
PP
m = f(Antriebselemente ...)
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Dieter Reinartz Folie 30 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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!
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Dieter Reinartz Folie 31 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Laufradgitter radialer Bauart mit rückwärts gekrümmten Schaufeln
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Dieter Reinartz Folie 32 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
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Dieter Reinartz Folie 33 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
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Dieter Reinartz Folie 34 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
(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
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Dieter Reinartz Folie 35 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
usch cuy 22
schusch ycuy 32
2
2
1 ,, DD
zf
Wirkliche Schaufelarbeit / Minderleistung:
;
Verluste / totale spezifische Förderarbeit: 1
m
thuhscht
pcuyy
22
h = f(Laufrad- und Gehäuseform)
Dieter Reinartz Folie 36 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Lsch VtanbD
uuY
222
222
222222 tan/ muSch cuucuY 22
2 bD
Vc Lm
Eulersche Gerade
Übergang von der Eulerschen Gerade zur tatsächlichen Drosselkurve:
Schth YY /
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Dieter Reinartz Folie 37 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Relativierte Kennfelder
Dieter Reinartz Folie 38 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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.
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Dieter Reinartz Folie 39 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
2
22cyd
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Dieter Reinartz Folie 41 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
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
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Dieter Reinartz Folie 43 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Zusammenspiel Ventilator / Anlage
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Dieter Reinartz Folie 44 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009
Betriebspunktverlagerung durchSicherheitszuschlag
Einfluss ungünstiger Zuströmung aufdie Ventilatorkennlinie
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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).