Einführung in die Energietechnik WS07/08

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Einführung

Energietechnik

A. Lohmberg

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0. EinleitungInhalt

Inhalt der Vorlesung – unter Vorbehalt (I)

1. EinleitungBekannte Strömungsmaschinen, typische Merkmale, Bauformen,Vergleich mit Kolbenmaschinen

2. Gemeinsame Grundlagen2.1 radiales Schaufelgitter und Geschwindigkeitsdreiecke2.2 axiales Schaufelgitter und Geschwindigkeitsdreiecke2.3 Energieumsetzung im Laufrad: Drallsatz, Deutung der

Hauptgleichung, Energiegleichung der Relativströmung2.4 Grenzen der Energieumsetzung im Laufrad: Ablösung, Überschall2.5 Formen spezifischer Arbeit

3. Grundlagen der Maschinen3.1 Verluste und Wirkungsgrade3.2 Modellgesetze und Kennzahlen: Ähnlichkeitsbedingungen,

Maßstabsfaktoren, Kennzahlen für Wasserturbinen, Pumpen, Ventilatoren

3.3 Kavitation: Entstehung, Wirkung, Flächen- und Wirbelkavitation, Abschätzung der zulässigen Saughöhe

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0. EinleitungInhalt

Inhalt der Vorlesung – unter Vorbehalt (II)

4. Bauarten der Maschinen für inkompressible Medien4.1 Pumpen:Laufradformen, Bauarten, mehrstufige und

mehrflutige Pumpen, Auslegung, Betriebsverhalten mit Anlagekennlinie und Pumpenkennlinie, instabiler Betrieb

4.2 Ventilatoren: Einsatz, Cordier-Diagramm, Laufradformen, Bauarten, konstruktive Merkmale, Auslegung

4.3 Wasserturbinen: Übersicht, Einsatz, Laufradformen, Bauarten, konstruktive Merkmale

5. Bauarten der Maschinen für kompressible Medien5.1 Wiederholung der Grundlagen: Gasgleichung, Energiegleichung,

isentrope und polytrope Zustandsänderung, spezifische Arbeit, Wirkungsgrade

5.2 Verdichter: isentrope und isotherme Verdichtung, Einsatzgebiete, Bauarten

5.3 Dampfturbine: Keisprozess, Einsatzgebiete, Gleichdruck- und Überdruckstufen, Bauarten

5.4 Gasturbine: Kreisprozess, Wirkungsgrad, Einsatzgebiete, BauartenDazu 2 Laborversuche: Tragflügel im Windkanal und Kreiselpumpe

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1. EinführungAllgemeines

� Grundlagen für die Vorlesung: Strömungstechnik� Weiterführung in der Energietechnik im Hauptstudium

� Ziel• Kenntnis der verschiedenen Strömungsmaschinen• Kenntnis des Arbeitsprinzips• Möglichkeiten zur Grobauslegung• Kenntnis des Betriebsverhaltens

� Klausur: Einführung KFZ-Technik und Einführung Energietechnik über 90 Minuten ohne Unterlagen (aber mit Formelsammlung)

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1. EinführungAllgemeines

Beispiel Strömungsmaschine

Beispiel Kolbenmaschine

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1. EinführungAllgemeines� Vergleich Turbomaschine - Verdrängermaschine

schlechtgutRegelverhalten

stationärperiodischStrömung

StrömungskräfteDruckkräfte, VerdrängungWirkungsprinzip

Relativ einfach, eine Welle mit LagernKompliziert, Pleuel, Kolben..Aufbau

Mittel bis großKlein bis mittelVolumenstrom

Klein bis mittelSehr hochErreichbare

Drücke

hochNiedrigDrehzahl

Gut bei großer LeistungGut für alle LeistungenLeistung

Rotierend

(kontinuierlich)

Keine Vibrationen

Hin- und hergehend

Langsam

Vibrationen

Bewegung

Strömungs- (turbo)maschineVerdränger(-Kolben)maschineVergleich

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1. EinführungEinteilung der Strömungsmaschinen

Einteilung ob Fluidenergie zu oder abnimmt

OberwasserLeitapparatLaufradGenerator/Motor

Potentielle EnergieKin. EnergieMechanische EnergieElektrische Energie

Turbine Pumpe

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1. EinführungEinteilung der Strömungsmaschinen

Einteilung aufgrund der Strömungsrichtung am Laufradaustritt

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1. EinführungEinteilung der Strömungsmaschinen

Einteilung aufgrund Aufbau der Komponenten

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1. EinführungEinteilung der Strömungsmaschinen

Einteilung aufgrund der Kompressibilität

Hydraulische Strömungsmaschinen:inkompressibles Medium bei konstanter Temperatur und Dichte

Thermische Strömungsmaschinen:kompressibles Medium, merkliche Dichte- und Temperaturänderung

Grenzfälle: Lüfter und Ventilatoren mit näherungsweise inkompressiblerStrömung

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1. EinführungWasserkreislauf

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1. EinführungDampfkraftanlage

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1. EinführungTurbolader

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1. EinführungKälteanlage

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1. EinführungBeispiele

Suzer Axialverdichter

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1. EinführungBeispiele

Kaplanlaufrad

Pumpturbinenlaufrad

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1. EinführungBeispiele

Zeichnung des 2400-MW Wasser-kraftwerks Atatürk am Euphrat in der Türkei

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1. EinführungBeispiele

� Baustelle Atatürk

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1. EinführungEinsatzbereiche von Wasserturbinen

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1. EinführungEinschub: Absolut-/Relativgeschwindigkeit

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1. EinführungEinschub: Absolut-/Relativgeschwindigkeit

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2. Gemeinsame GrundlagenLaufradansichten

� Ein Laufrad besteht aus 1 bis N Schaufeln, die in der Regel alleidentisch sind

� Die Schaufeln sind gleichmäßig über dem Umfang verteilt� Zur Darstellung werden geeignete Transformationen gewählt:

• Radialräder: Seitenriss und Meridianschnitt

• Axialräder: abgewickelter Zylinderschnitt und Meridianschnitt

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2. Gemeinsame Grundlagen

Laufradansichten

Seitenriss

Meridianschnitt (Zirkularprojektion)

Bezeichnungen:

• Nabe; Tragscheibe; Hub

• Deckscheibe; Gegenkontur; Kranz; Gehäuse; Shroud

• Saugkante und Druckkante

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2. Gemeinsame Grundlagen

Geschwindigkeiten

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2. Gemeinsame Grundlagen

Geschwindigkeiten

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2. Gemeinsame Grundlagen

Geschwindigkeitsdreiecke

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2. Gemeinsame Grundlagen

Geschwindigkeitsdreiecke

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2. Gemeinsame GrundlagenGeschwindigkeitsdreiecke

Meridianschnitt Seitenriss

mc

rr

c

r

ac

r

mc

rr

c

r

ac

r

w

r

u

r c

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r

uc

rRadial

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2. Gemeinsame GrundlagenGeschwindigkeitsdreiecke

w

r

u

rc

r

w

r

u

rc

r

1

2

Axiales Profil

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Definitionen: : Absolutgeschwindigkeit: Meridiankomp. der Absolutgeschwindigkeit (Meridiangeschwindigkeit): Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit: Umfangsgeschwindigkeit: Relativgeschwindigkeit: Meridiankomponente der Relativgeschwindigkeit: Umfangskomponente der Relativgeschwindigkeit: Absolutwinkel: Relativwinkel

2. Gemeinsame GrundlagenGeschwindigkeitsdreiecke

Zerlegung der Dreiecke

βα

u

m

u

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w

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mmcw

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r

αβ

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2. Gemeinsame GrundlagenGeschwindigkeitsdreiecke

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2. Gemeinsame GrundlagenAxialverdichter

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2. Gemeinsame GrundlagenAxialturbine

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2. Gemeinsame GrundlagenRadialverdichter

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2. Gemeinsame GrundlagenRadialturbine

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3. Modellgesetze und Kennzahlen

Cordier-Diagramm

CORDIER - Diagramm

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3. Modellgesetze und KennzahlenCordier-Diagramm

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3. Modellgesetze und KennzahlenDiagramme

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3. Modellgesetze und KennzahlenDiagramme

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3. Kavitation

Kavitationsschäden

Quelle: Bohl

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3. KavitationEinfluß auf die Förderhöhe einer Pumpe

45

50

55

NPSH

HeadA

15

0 5 10

BC

D

A (Inception):

Auftreten der erstenKavitationsblasen

C:

Verschmelzen derKavitationsblasen

D:

Vollständiger Zusammen-bruch der Förderhöhe

B:

Anwachsen derKavitationsblasen

Zusatzblaseinfolge Inzidenz

45

50

55

NPSH

HeadA

15

0 5 10

BC

D

45

50

55

NPSH

HeadA

15

0 5 10

BC

D

A (Inception):

Auftreten der erstenKavitationsblasen

C:

Verschmelzen derKavitationsblasen

D:

Vollständiger Zusammen-bruch der Förderhöhe

B:

Anwachsen derKavitationsblasen

Zusatzblaseinfolge Inzidenz

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3. KavitationEinfluß auf die Förderhöhe einer Pumpe

Ermittlung des NPSH-Wertes

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4. Bauarten für inkompressible MedienPumpen Betriebsbereiche

� Quelle: Bohl

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4. Bauarten für inkompressible MedienPumpen Pumpenauslegung

Quelle: Menny

nq=9.48 nq=31.6 nq=63.2 nq=158 nq=316

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4. Bauarten für inkompressible MedienPumpen mehrstufig / mehrflutig

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4. Bauarten für inkompressible MedienBeispiel Oschenik I

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4. Bauarten für inkompressible MedienBeispiel: Rücken-Rücken Anordnung

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4. Bauarten für inkompressible MedienKennlinie

Kennlinie einer Pumpe

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4. Bauarten für inkompressible MedienKennlinien

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4. Bauarten für inkompressible MedienRegelung

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4. Bauarten für inkompressible MedienRegelung

Axialventilator

Radialventilator

Querstromventilator

Cordierdiagramm für VentilatorenAus Menny

Prinzipbild des Querstromventilators

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4. Bauarten für inkompressible MedienWasserturbinen

Laufwasserkraftwerk

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4. Bauarten für inkompressible MedienWasserturbinen

Pelton Laufrad

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4. Bauarten für inkompressible MedienWasserturbinen

Francis Turbine

Kaplan Turbine

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5. Maschinen für kompressible MedienMollier-Diagramm für Wasserdampf