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

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

Einteilung der Strömungsmaschinen FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 5 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

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

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

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

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

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

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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Betriebsbereiche der verschiedenen Kreiselpumpen /1/ Dieter Reinartz Folie 13 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Radial- und Axialventilatoren (Turbo-Lufttechnik GmbH) Dieter Reinartz Folie 14 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Radialventilator mit Drallregler (Fa. Reitz) Dieter Reinartz Folie 15 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Klimazentralgerät mit freilaufendem Radialventilator (Fa. Rox) Dieter Reinartz Folie 16 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 17 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

Massenstrom/Volumenstrom FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 18 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 19 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 20 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 21 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

Totaldruckerhöhung von Ventilatoren (Dichte=konst.) FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik 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 Dieter Reinartz Folie 22 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

r r FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 23 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 25 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 26 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 28 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 30 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Laufradgitter radialer Bauart mit rückwärts gekrümmten Schaufeln Dieter Reinartz Folie 31 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 32 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 33 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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 34 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Relativierte Kennfelder Dieter Reinartz Folie 37 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

Kammerprüfstand druckseitig nach DIN 24 163/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. Kammerprüfstand druckseitig nach DIN 24 163/T3 Dieter Reinartz Folie 38 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Rohrprüfstand druckseitig nach DIN 24 163/T3 Dieter Reinartz Folie 39 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

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

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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Zusammenspiel Ventilator / Anlage Dieter Reinartz Folie 43 Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau 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. DIN 24163, 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