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FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 1 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009 Dipl.-Ing. Dieter.

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1 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 1 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Dipl.-Ing. Dieter Reinartz Strömungsmaschinen – Überblick und Grundlagen Einteilung der Strömungsmaschinen Betriebsgrößen Strömungsmaschinenhauptgleichung Geschwindigkeitsdreiecke Kennlinien Prüfstandsmessungen Zusammenspiel Strömungsmaschine/Anlage

2 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 2 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Prinzip Kraftmaschine (KM) – Arbeitsmaschine (AM) /1/

3 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Einteilung der Strömungsmaschinen Strömungsmaschinen Turbomaschinen 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 und Kupplungen (AM-KM) Folie 3

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

5 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 5 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Freistrahlturbine, 1-düsige Peltonturbine (Fa. Voith) /1/ Freihang Bremsdüse Amerik. Pelton um 1880 H 500 – 2000 m P max 200 MW Teilbeaufschlagte Gleichdruckturbine

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

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

8 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 8 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Einsatzbereiche der Wasserturbinentypen (Fa. Escher-Wyss) /1/

9 Einhäusige Industriedampfturbine (Fa. Siemens AG) /1/ Folie 9 p F = 44 bis 110 bar t F = 455 bis 533 °C P K = 20 bis 120 MW

10 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 10 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk (Fa. MTU) /1/

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 D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 12 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ flutige, 3-stufige Gliederpumpe (Fa. KSB)/2/

13 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 13 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Betriebsbereiche der verschiedenen Kreiselpumpen /1/

14 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 14 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Radial- und Axialventilatoren (Turbo-Lufttechnik GmbH)

15 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 15 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Radialventilator mit Drallregler (Fa. Reitz)

16 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 16 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Klimazentralgerät mit freilaufendem Radialventilator (Fa. Rox)

17 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 17 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Axialgebläse für eine Windkanalanlage D 2 =15m, V ̇ =10000m^3/s, P w =80MW, n=250 1/min (Quelle TLT) Micro-Lüfter D 2 =23mm, V ̇ =0,001m^3/s, P w =0,6W n= /min. (Quelle PAPST)

18 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 18 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Betriebsgrößen Massenstrom/Volumenstrom Hydraulische Strömungsmaschinen: Volumenstrom: Volumen m 3 mit, Volumenstrom m 3 /s Zeit s Massenstrom kg/s = konst. Dichte kg/m 3 spez. Volumen m 3 /kg Absolutdruck N/m 2 spez. Gaskonstante Nm/kgK (Luft: 287,2) absolute Temperatur K Bei Ventilatoren wird der Volumenstrom in der Regel auf den Ansaugzustand – Stelle 1 – be- zogen.

19 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 19 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Thermische Strömungsmaschinen: Massenstrom:, Masse kg 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).

20 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 20 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Vereinfachtes Verfahren nach DIN 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 Ma 1 und Ma 2 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.

21 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 21 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ 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 m 2 /s 2 Dampf-, Gasturbinen und Verdichter: Enthalpieänderung m 2 /s 2 (Darstellung mittels Vergleichsprozesse, isentrope bzw. polytrope Expansionsströmung – math. schwer zu beschreiben – bzw. Verdichtung) s. a. Folie 2

22 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 22 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Totaldruckerhöhung von Ventilatoren (Dichte=konst.) 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

23 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 23 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ 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 a

24 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik = Energiebilanz: zugeführte Energie=abgeführte Energie c 0 =0 (1.) * a : p t = p v ´ (Normalfall) (2.) a : p t p v ´ (feststoffbeladene Fluide) (3.) a : p t p v ´ (Heißgasförderung) * Totaldruckerhöhung = Totaler Anlagenwiderstand (Gesamtverlust) 3 Fälle: Folie 24 Anlagenwiderstand: f(Reibung, Einbauten, Verluste Armaturen, Ausblasverluste) mit

25 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 25 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ A 1 = A 2 p d1 = p d2 : p t = p st2 + p st1 = p st12 A 1 A 2 p d1 p d2 : p t p st2 A 1 A 2 p d1 p d2 : p t p st12 Saug- und druckseitig angeschlossener Ventilator mit Darstellung der Einzel- Drücke und des Totaldrucks 3 Fälle:

26 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 26 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ A 1 = A 2 p d1 = p d2 : p t = p st1 A 1 A 2 p d1 p d2 : p t p st1 A 1 A 2 p d1 p d2 : p t p st1 3 Fälle: Nur saugseitiger Betrieb Mit

27 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 27 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Einlaufdüse gut gerundet!...c 1 =0 p t p st2 Nur druckseitiger Betrieb =0 =p a Mit

28 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 28 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Totale spezifische Förderarbeit y t (nach DIN ) Hinweis: Bis zu einem Druckverhältnis p 2 /p 1 =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!

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

30 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 30 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Betriebliches Verhalten von Ventilatoren Strömungsmaschinen-Hauptgleichung (Leonhard Euler – ) 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!

31 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 31 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Laufradgitter radialer Bauart mit rückwärts gekrümmten Schaufeln

32 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 32 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ EintrittAustritt Repräsentative Geschwindigkeitsdreiecke des Laufrades Vektorsumme der korrespondierenden Geschwindigkeiten: c = u + w Impulsstrommoment (Betrag): Aufzubringendes Schaufelmoment an der Laufradwelle:

33 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 33 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ 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:

34 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 34 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ ( 1 und c 1u in allen 3 Fällen gleich groß!) 2 90° 2 90° 2 90° c 2u u 2 c 2u = u 2 c 2u u 2 Schaufelformen und Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradaustritt

35 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 35 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Wirkliche Schaufelarbeit / Minderleistung: ; Verluste / totale spezifische Förderarbeit: 1 h = f(Laufrad- und Gehäuseform)

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

37 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 37 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Relativierte Kennfelder

38 Dieter Reinartz Folie 38 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Kammerprüfstand druckseitig nach DIN /T3 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.

39 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 39 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Rohrprüfstand druckseitig nach DIN /T3

40 Normkennlinien eines Radialventilators nach DIN Ventilator frei ausblasend D 2 =0,56 m, n=1200 min. -1 Folie 40

41 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 41 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Kanal-Prüfstand mit reflexionsarmen Ausblas-Messkanal der FH D

42 Kennlinien eines Radialventilators mit rückwärts gekrümmten Schaufeln, D 2 =0,447 m, z=9 bei ρ =1,2 kg/m 3, gemessen am Kanal-Prüfstand der FH Düsseldorf (Folie 41) Folie 42

43 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 43 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Zusammenspiel Ventilator / Anlage

44 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Folie 44 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Betriebspunktverlagerung durch Sicherheitszuschlag Einfluss ungünstiger Zuströmung auf die Ventilatorkennlinie

45 FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Dieter Reinartz Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./ Literatur: /1/ Bohl, W., Elmendorf, W.: Strömungsmaschinen 1. Würzburg: Vogel Buchver- lag, 9. Auflage, /2/ KSB-Kreiselpumpenlexikon. Frankenthal, 3. Auflage, Weitere verwendete Literatur: Bommes, L....(Hrsg.). Ventilatoren. Essen: Vulkan-Verlag, 2. Auflage, Reinartz, D.: Abnahme – und Leistungsmessungen, Essen: HdT-Seminar, April Reinartz, D.: Ventilatoren. Düsseldorf: VDI-Wissensforum, Lüftungs- und Klima- technik, Nov DIN 24163, Teil 1, Ausgabe: Ventilatoren – Leistungsmessung – Normkennlinien (Nationale Norm). ISO 5801, Ausgabe: Industrieventilatoren – Leistungsmessung auf genormten Prüfständen (Internationale Norm), Internationale Übereinstimmung mit DIN VDI 2044, Ausgabe: Abnahme- und Leistungsversuche an Ventilatoren (VDI-Ventilatorregeln).


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