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E-Book

Strömungsmaschinen

Grundlagen und Anwendungen

AutorHerbert Sigloch
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2018
Seitenanzahl454 Seiten
ISBN9783446455573
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis42,99 EUR
Maschinen zur Energieumwandlung praxisnah erklärt
Was passiert in der Anwendung von derartigen Maschinen?
Mithilfe von Pumpen (Turbo-Arbeitsmaschinen) werden Flüssigkeiten oder Gase transportiert, Turbinen (Turbo-Kraftmaschinen) wandeln die zugeführte Energie (Wasserkraft, Energie von Brennstoffen) in elektrische Energie (z. B. im Wasser- oder Dampfturbinenkraftwerk) oder mechanische Fortbewegungsenergie (z. B. bei Flugzeugturbinen) um.
Unterscheidung nach fluidspezifischen Eigenschaften in:
- hydraulische Strömungsmaschinen (Strömungsmaschinen für inkompressible Fluide; also Flüssigkeiten)
- thermische Strömungsmaschinen (Strömungsmaschinen für kompressible Fluide; also Gase und Dämpfe)
In diesem Buch werden die physikalischen und thermodynamischen Grundlagen, dieser Gruppen von Maschinen, ihre Wirkungsweise sowie Berechnung ausführlich mit zahlreichen anwendungsbezogenen Praxisbeispielen erläutert. Umfangreiches Zusatzmaterial mit vielen Übungen inklusive Lösungen, multimediale Darstellung der Anwendungsbeispiele, Richtwerttabellen etc. runden die Arbeit mit diesem Buch ab.
In dieser 6. Auflage finden vor allem die neusten Entwicklungen bei Leitvorrichtungen und Turbomaschinen Berücksichtigung.

Prof. Dipl.-Ing. Herbert Sigloch lehrte an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg in Stuttgart und ist als Berater in der Industrie tätig.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Titelseite4
Vorwort6
Benutzungshinweise7
Inhaltsverzeichnis10
Teil I Grundlagen18
1 Allgemeines18
1.1 Begriffe, Einheiten, Abkürzungen18
1.1.1 Begriffe18
1.1.2 Einheiten19
1.1.3 Formelzeichen, Symbole und Abkürzungen20
1.2 Aufgabe und Bedeutung24
1.3 Unterteilung28
1.4 Wirkungsweise30
1.4.1 Grundsätzliches30
1.4.2 Einzelschaufel (Flügel)30
1.4.3 Schaufelgitter (Schaufel)32
1.5 Bauarten36
1.5.1 Vorbemerkungen36
1.5.2 Hauptteile36
1.5.3 Bezeichnungen36
1.5.4 Aufteilung37
1.6 Vergleich mit Kolbenmaschinen37
1.6.1 Vorbemerkungen37
1.6.2 Übereinstimmende Kennzeichen38
1.6.3 Unterschiede38
2 Strömungsverhältnisse40
2.1 Zusammengesetzte Strömungen40
2.1.1 Grundsätzliches40
2.1.2 Radialrotationshohlräume40
2.1.2.1 Vorbemerkungen40
2.1.2.2 Reibungsfreie Strömungen40
2.1.2.3 Reibungsbehaftete Strömungen41
2.1.3 Beliebige rotationssymmetrische Kanäle42
2.1.4 Axialrotationshohlräume43
2.2 Relativbewegung43
2.3 Energiegleichung der Relativströmung43
2.4 Instationäre Strömung45
2.4.1 Grundsätzliches45
2.4.2 Energiegleichung der instationären Strömung45
2.4.3 Druckstoß47
2.4.3.1 Vorbetrachtungen47
2.4.3.2 Physikalischer Ablauf47
2.4.3.3 Rohrleitung mit konstantem Querschnitt48
2.4.3.4 Rohrsystem mit veränderlichem Durchmesser54
2.5 Laufradströmungen55
2.5.1 Bezeichnungen und Grundsätzliches55
2.5.2 Radial-, Halbaxial- und Diagonalräder57
2.5.2.1 Strömungsverhältnisse57
2.5.2.2 Nabenverengung59
2.5.2.3 Radquerschnittsverengung59
2.5.2.4 Laufschaufelzahl61
2.5.2.5 Schaufeldicke63
2.5.2.6 Umfangsgeschwindigkeit63
2.5.2.7 Geschwindigkeitsverhältnisse64
2.5.3 Axialräder65
2.5.3.1 Vorbemerkungen65
2.5.3.2 Axialräder mit vielen Schaufeln65
2.5.3.3 Axialräder mit wenigen Schaufeln69
3 Energieumsatz74
3.1 Berechnungsverfahren74
3.2 Stromfadentheorie75
3.2.1 Hauptgleichung der Kreiselradtheorie (Euler-Gleichung)75
3.2.1.1 Spezifische theoretische Schaufelarbeit bei unendlicher Schaufelzahl75
3.2.1.2 Spezifische theoretische Schaufelarbeit bei endlicher Schaufelzahl79
3.2.1.3 Spezifische Stufenarbeit und spezifische Stutzenarbeit Y86
3.2.1.4 Spaltdruckarbeit88
3.2.1.5 Gleich- und Überdruckwirkung89
3.3 Tragflügeltheorie91
3.3.1 Ideale Strömung (Kutta-Joukowsky-Gesetz)91
3.3.2 Reale Strömung94
4 Affinitätsregeln und Kennziffern100
4.1 Grundsätzliches100
4.2 Ähnlichkeitstheorie100
4.2.1 Vorbemerkungen100
4.2.2 Ähnlichkeitsbedingungen100
4.2.3 Affinitätsregeln101
4.2.3.1 Maßstabsfaktoren101
4.2.3.2 Proportionalitäten101
4.2.3.3 Ähnlichkeitsbeziehungen102
4.2.3.4 Wirkungsgradumrechnung103
4.2.3.5 Radanpassung104
4.3 Kennziffern106
4.3.1 Grundsätzliches106
4.3.2 Methoden zur Aufstellung von Kennziffern107
4.3.3 Wichtige Kennziffern für Turbomaschinen107
4.3.3.1 Reaktionsgrad107
4.3.3.2 Druckziffer109
4.3.3.3 Lieferziffer110
4.3.3.4 Durchmesserziffer112
4.3.3.5 Radformkennziffern (Laufradkennzahlen)112
4.3.3.6 Relative Drallziffer121
4.3.3.7 Einlaufziffer und Abströmwert122
5 Kavitation und Überschall125
5.1 Vorbemerkungen125
5.2 Kavitation125
5.2.1 Ablauf, Wirkung, Werkstoffe, Einflüsse125
5.2.1.1 Grundsätzliches125
5.2.1.2 Kavitationsablauf127
5.2.1.3 Werkstoffe128
5.2.1.4 Laufradgrößeneinfluss130
5.2.1.5 Kavitationsstufen130
5.2.1.6 Kavitationsformen131
5.2.1.7 Zusammenfassung132
5.2.2 Saughöhe von Flüssigkeitsmaschinen132
5.2.3 Halteenergie134
5.2.4 Saugzahl137
5.2.5 NPSH-Wert138
5.2.6 Thoma-Zahl Th139
5.2.7 Festlegen des Kavitationszustandes140
5.3 Überschall141
5.3.1 Grundsätzliches, Bedeutung141
5.3.2 Dichteänderung im Saugstutzen142
5.3.3 Überschallgrenze, Schallziffer144
6 Laufradformen148
6.1 Radialmaschinen148
6.1.1 Grundsätzliches148
6.1.2 Wirkungsfreie Radialschaufel148
6.1.3 Einfluss der Saugkante152
6.1.4 Einfluss der Druckkante153
6.1.4.1 Grundsätzliches153
6.1.4.2 Unterscheidung154
6.1.4.3 Vergleich154
6.1.4.4 Anwendung154
6.1.5 Schaufelformen156
6.1.5.1 Grundsätzliches156
6.1.5.2 Pumpenschaufeln156
6.1.5.3 Turbinenschaufeln161
6.2 Axialmaschinen162
6.2.1 Vorbemerkungen162
6.2.2 Wirkungsfreie Axialschaufel163
6.2.3 Einfluss der Saugkante164
6.2.4 Einfluss der Druckkante164
6.2.4.1 Grundsätzliches164
6.2.4.2 Unterscheidung164
6.2.4.3 Vergleich165
6.2.4.4 Anwendung165
6.2.5 Schaufelformen166
6.2.5.1 Axialpumpen166
6.2.5.2 Wasserturbinen166
6.2.5.3 Dampf- und Gasturbinen168
7 Leitvorrichtungen172
7.1 Grundsätzliches172
7.2 Pumpenleitvorrichtungen172
7.2.1 Radialmaschinen173
7.2.1.1 Einführung173
7.2.1.2 Ringspalt, Leitkanaleintrittsbreite174
7.2.1.3 Leitrad (beschaufelt)175
7.2.1.4 Leitring (schaufellos)183
7.2.1.5 Spiralgehäuse184
7.2.1.6 Rückführeinrichtungen193
7.2.1.7 Saugseitenleitvorrichtungen195
7.2.2 Axialmaschinen196
7.2.2.1 Grundsätzliches196
7.2.2.2 Spalt zwischen Lauf- und Leitrad198
7.2.2.3 Leitschaufeldicke198
7.2.2.4 Leitschaufelzahl198
7.2.2.5 Leitschaufelkontur198
7.3 Turbinenleitvorrichtungen200
7.3.1 Grundsätzliches200
7.3.2 Wasserturbinen201
7.3.2.1 Gleichdruckturbinen (Aktionswirkung)201
7.3.2.2 Überdruckturbinen (Reaktionswirkung)204
7.3.3 Dampf- und Gasturbinen210
7.3.3.1 Vorbemerkungen210
7.3.3.2 Gleichdruckturbinen (Aktionswirkung)212
7.3.3.3 Überdruckturbinen (Reaktionsprinzip)218
8 Spezifische Stutzenarbeit, Verluste, Leistungen, Wirkungsgrade220
8.1 Vorbemerkung220
8.2 Spezifische Stutzenarbeit220
8.3 Verluste225
8.3.1 Grundsätzliches225
8.3.2 Innere Verluste225
8.3.2.1 Schauflungsverluste225
8.3.2.2 Mengenstromverluste229
8.3.2.3 Radreibungs- und Ventilationsverluste236
8.3.2.4 Austauschverlust242
8.3.2.5 Stoßverluste242
8.3.2.6 Zusammenfassung244
8.3.3 Äußere Verluste245
8.3.4 Gesamtverlust246
8.4 Leistungen246
8.4.1 Grundsätzliches246
8.4.2 Theoretische Leistung247
8.4.3 Innere Leistungen247
8.4.4 Äußere, effektive oder Kupplungs-Leistung247
8.5 Wirkungsgrade248
8.5.1 Grundsätzliches248
8.5.2 Liefergrad248
8.5.3 Schauflungswirkungsgrad248
8.5.4 Innerer Wirkungsgrad248
8.5.5 Mechanischer Wirkungsgrad249
8.5.6 Effektiver Wirkungsgrad249
8.5.7 Weitere Wirkungsgrade bei thermischen Turboarbeitsmaschinen250
8.5.8 Weitere Wirkungsgrade bei Turbokraftanlagen250
8.5.9 Anlagenwirkungsgrad252
8.5.10 Spezielle Wirkungsgrade252
9 Betriebliches Verhalten (Kennlinien, Kennfelder)253
9.1 Grundsätzliches253
9.2 Betriebsverhalten der Strömungsarbeitsmaschinen253
9.2.1 Kreiselpumpen253
9.2.1.1 Drosselkurven253
9.2.1.2 Auslegungs- und Betriebspunkt258
9.2.1.3 Stabiler und labiler Betriebszustand259
9.2.1.4 Affinität der Drosselkurven262
9.2.1.5 Vergleich mit dem Kennverhalten der Kolbenpumpen265
9.2.1.6 Muscheldiagramm265
9.2.1.7 Kennlinien für Leistungen, Wirkungsgrad und Haltedruckhöhe bzw. NPSA266
9.2.1.8 Besonderheiten schnellläufiger Strömungspumpen268
9.2.1.9 Kombination von Strömungspumpen271
9.2.1.10 Regelung von Strömungspumpen272
9.2.2 Kreiselverdichter273
9.2.2.1 Grundsätzliches273
9.2.2.2 Einfluss der Ansaugverhältnisse274
9.2.2.3 Instabilitäten (Strömungsabreißen)276
9.2.2.4 Kennlinien mehrstufiger Verdichter279
9.3 Betriebsverhalten der Strömungskraftmaschinen279
9.3.1 Grundsätzliches279
9.3.2 Wasserturbinen280
9.3.3 Dampf- und Gasturbinen282
9.3.3.1 Vorbemerkungen282
9.3.3.2 Kegelgesetz282
Teil II Turbomaschinenarten286
10 Übersicht über die Strömungspumpen (Turboarbeitsmaschinen)286
10.1 Grundsätzliches286
10.2 Kreiselpumpen286
10.2.1 Vorbemerkungen286
10.2.2 Laufradformen und Kenngrößen287
10.2.3 Wirkungsgrad289
10.2.4 Läuferkräfte291
10.2.4.1 Achsschub (Axialkraft)291
10.2.4.2 Radialkräfte296
10.2.5 Saugverhalten296
10.2.6 Ausführungsbeispiele297
10.2.6.1 Radial- und Halbaxialpumpen (Radform I und II)298
10.2.6.2 Diagonal- oder Schraubenpumpen (Radform III)301
10.2.6.3 Axial- oder Propellerpumpen (Radform IV)303
10.2.6.4 Mehrstufige Radialpumpen (Radform I und II)304
10.2.6.5 Sonder-Kreiselpumpen306
10.3 Kreiselverdichter320
10.3.1 Vorbemerkungen320
10.3.2 Besonderheiten321
10.3.2.1 Drehzahl321
10.3.2.2 Aufbau321
10.3.2.3 Geräuschentwicklung323
10.3.2.4 Thermodynamik der Verdichtung324
10.3.3 Unterteilung330
10.3.4 Druckstufung330
10.3.5 Laufräder-Abstufung331
10.3.6 Ausführungsbeispiele331
10.3.6.1 Ventilatoren332
10.3.6.2 Gebläse338
10.3.6.3 Kompressoren341
10.4 Hinweise für das Berechnen von Strömungspumpen349
10.4.1 Grundsätzliches349
10.4.2 Wellendurchmesser352
10.4.3 Radialrad-Abmessungen354
10.4.3.1 Nabendurchmesser354
10.4.3.2 Saugmund354
10.4.3.3 Überschlägiges Festlegen der Laufradkanäle355
10.4.3.4 Stufenzahl356
10.4.3.5 Laufschaufelzahl356
10.4.3.6 Nachrechnen der Schaufelkanten356
10.4.4 Diagonalrad-Abmessungen356
10.4.5 Axialrad-Abmessungen356
11 Übersicht über die Turbinen (Turbokraftmaschinen)357
11.1 Grundsätzliches357
11.2 Wasserturbinen357
11.2.1 Vorbemerkungen357
11.2.2 Gleichdruck- oder Aktionsturbinen360
11.2.2.1 Pelton-, Becher-, Freistrahl- oder Tangential-Turbinen360
11.2.2.2 Michell-Ossberger- oder Durchströmturbine364
11.2.3 Überdruck- oder Reaktionsturbinen365
11.2.3.1 Gemeinsames365
11.2.3.2 Francis-Turbinen366
11.2.3.3 Propeller- und Kaplan-Turbinen369
11.2.4 Berechnungshinweise373
11.3 Dampfturbinen373
11.3.1 Grundsätzliches373
11.3.1.1 Dampfkraftprozess373
11.3.1.2 Einteilung376
11.3.1.3 Optimaler Energieumsatz376
11.3.1.4 Stufungsarten378
11.3.1.5 Wärmerückgewinn381
11.3.1.6 Kennwerte382
11.3.1.7 Betriebsgrößen382
11.3.1.8 Grenzen386
11.3.1.9 Vergleich mit anderen Turbomaschinen387
11.3.1.10 Konstruktive Besonderheiten387
11.3.2 Betriebsverhalten391
11.3.2.1 Anfahren, Betrieb, Abstellen391
11.3.2.2 Regelung391
11.3.3 Ausführungsbeispiele393
11.3.3.1 Vorbemerkungen393
11.3.3.2 Gleichdruck- oder Aktionsturbinen393
11.3.3.3 Überdruck- oder Reaktionsturbinen396
11.3.4 Vergleich Gleichdruck – Überdruck399
11.3.5 Berechnungshinweise399
11.4 Gasturbinen402
11.4.1 Grundsätzliches402
11.4.1.1 Bezeichnungen402
11.4.1.2 Wirkungsweise402
11.4.1.3 Geschichtliches und Bedeutung402
11.4.2 Vergleich mit Dampfturbinen403
11.4.3 Aufbau403
11.4.3.1 Bestandteile403
11.4.3.2 Unterteilung403
11.4.4 Thermodynamik405
11.4.5 Besonderheiten407
11.4.5.1 Bauteile407
11.4.5.2 Werkstoffe412
11.4.5.3 Brennstoffe413
11.4.5.4 Lebensdauer414
11.4.6 Eigenschaften, Anwendung, Ausführungsbeispiele414
11.4.6.1 Vorbemerkungen414
11.4.6.2 Stationäre Anlagen415
11.4.6.3 Bewegliche Anlagen418
11.4.6.4 Sonderausführungen421
11.5 Windturbinen423
11.5.1 Vorbemerkungen423
11.5.2 Windangebot424
11.5.3 Aerodynamische Grundlagen425
11.5.3.1 Einführung425
11.5.3.2 Windenergie und Windleistung425
11.5.3.3 Windturbinenleistung425
11.5.4 Axialkraft426
11.5.5 Kennwerte426
11.5.6 Ausführungshinweise426
12 Antriebspropeller428
12.1 Vorbemerkungen428
12.2 Strömung, Geschwindigkeiten und Kräfte am Propellerblatt428
12.3 Vereinfachte Propellertheorie429
12.4 Kennzahlen431
12.5 Anwendungsbedingte Besonderheiten431
12.5.1 Flugzeugpropeller431
12.5.2 Schiffsschrauben432
12.5.3 Sonderbauarten432
13 Aggregate434
13.1 Vorbemerkung434
13.2 Funktionsweise434
13.3 Strömungskupplungen435
13.3.1 Aufbau und Arbeitsweise435
13.3.2 Kenngrößen und Eigenschaften435
13.3.3 Ausführungen und Anwendungen437
13.4 Strömungsgetriebe438
13.4.1 Unterschied Kupplung – Getriebe438
13.4.2 Wirkungsweise438
13.4.3 Kenngrößen440
13.4.4 Kennlinien440
13.4.5 Anwendungsbereiche441
13.4.6 Ausführungsbeispiele441
14 Literaturverzeichnis443
14.1 Lehrbücher443
14.2 Spezialwerke443
14.3 Handbücher und Sonstige445
15 Sachwortverzeichnis446

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