Turbomaschinen - Turbomachinery

Turbomaschinen , im Maschinenbau , beschreibt Maschinen dass Transfer Energie zwischen einem Rotor und einem Fluid , einschließlich der beiden Turbinen und Kompressoren . Während eine Turbine Energie von einem Fluid auf einen Rotor überträgt, überträgt ein Kompressor Energie von einem Rotor auf ein Fluid.

Diese beiden Maschinentypen unterliegen den gleichen grundlegenden Beziehungen, einschließlich des zweiten Newtonschen Bewegungsgesetzes und der Eulerschen Pumpen- und Turbinengleichung für kompressible Fluide . Kreiselpumpen sind auch Turbomaschinen, die Energie von einem Rotor auf ein Fluid, meist eine Flüssigkeit, übertragen, während Turbinen und Kompressoren meist mit einem Gas arbeiten.

Geschichte

Die ersten Turbomaschinen konnten als Wasserräder identifiziert werden , die zwischen dem 3. und 1. Jahrhundert v. Chr. im Mittelmeerraum auftauchten. Diese wurden während des gesamten Mittelalters verwendet und leiteten die erste industrielle Revolution ein . Als die Dampfkraft als erste Energiequelle, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs anstelle von erneuerbaren natürlichen Energiequellen angetrieben wurde, eingesetzt wurde, waren dies Kolbenmotoren . Primitive Turbinen und konzeptionelle Konstruktionen dafür, wie der Rauchheber , tauchten mit Unterbrechungen auf, aber die Temperaturen und Drücke, die für eine praktisch effiziente Turbine erforderlich waren, überstiegen die Herstellungstechnologie der damaligen Zeit. Das erste Patent für Gasturbinen wurde 1791 von John Barber angemeldet . Praktische Wasserturbinen und Dampfturbinen erschienen erst in den 1880er Jahren. Gasturbinen erschienen in den 1930er Jahren.

Die erste Impulsturbine wurde 1883 von Carl Gustaf de Laval entwickelt. Kurz darauf folgte 1884 die erste praktische Reaktionsturbine, die von Charles Parsons gebaut wurde . Der erste Entwurf von Parsons war eine mehrstufige Axialflusseinheit, die George Westinghouse 1895 erwarb und mit deren Herstellung begann, während General Electric 1897 die Entwürfe von de Laval erwarb. bis hin zu modernen Kerndampfturbinen mit einer Leistung von mehr als 1500 MW. Heute machen Dampfturbinen etwa 90 % der in den Vereinigten Staaten erzeugten elektrischen Energie aus. Dann wurden Ende der 1890er Jahre die ersten funktionierenden Industriegasturbinen zum Antrieb von Straßenlaternen eingesetzt (Meher-Homji, 2000).

Einstufung

Im Allgemeinen sind die beiden in der Praxis anzutreffenden Arten von Strömungsmaschinen offene und geschlossene Strömungsmaschinen. Offene Maschinen wie Propeller , Windmühlen und nicht ummantelte Ventilatoren wirken auf eine unendliche Menge an Flüssigkeit, während geschlossene Maschinen mit einer endlichen Flüssigkeitsmenge arbeiten, wenn sie durch ein Gehäuse oder Gehäuse strömt.

Turbomaschinen werden auch nach der Art der Strömung kategorisiert. Wenn die Strömung parallel zur Rotationsachse verläuft , werden sie als Axialströmungsmaschinen bezeichnet, und wenn die Strömung senkrecht zur Rotationsachse verläuft, werden sie als Radial- (oder Zentrifugal-) Strömungsmaschinen bezeichnet. Es gibt auch eine dritte Kategorie, sogenannte Mischströmungsmaschinen, bei denen sowohl radiale als auch axiale Strömungsgeschwindigkeitskomponenten vorhanden sind.

Turbomaschinen können weiter in zwei zusätzliche Kategorien eingeteilt werden: solche, die Energie absorbieren, um den Fluiddruck zu erhöhen , dh Pumpen , Ventilatoren und Kompressoren , und solche, die Energie erzeugen, wie beispielsweise Turbinen, indem sie die Strömung auf niedrigere Drücke ausdehnen. Von besonderem Interesse sind Anwendungen, die Pumpen, Lüfter, Kompressoren und Turbinen enthalten. Diese Komponenten sind in fast allen mechanischen Ausrüstungssystemen wie Strom- und Kältekreisläufen unverzichtbar .

Einteilung von Strömungsmaschinen in Arten und Gruppen

Maschinentyp → Gruppe ↓	Maschinen	Kombinationen von Kraft und Maschinen	Motoren
offene Turbomaschine	Propeller		Windräder
Hydraulikflüssigkeit Maschinen (≈ inkompressible Flüssigkeiten)	Kreiselpumpen Turbopumpen und Lüfter	Flüssigkeitskupplungen und Kupplungen (hydrodynamische Getriebe); Voith Turbo-Getriebe ; Pumpturbinen (in Pumpspeicherkraftwerken )	Wasserturbinen
Thermische Turbomaschinen (kompressibles Fluid)	Kompressoren	Gasturbinen (Einlass von GT besteht aus einem Verdichter)	Dampfturbinen ← Turbinenstrahltrieb

Turbomaschinen

Definition

Jedes Gerät, das einem sich kontinuierlich bewegenden Fluidstrom Energie entzieht oder diesem Energie verleiht, kann als Turbomaschine bezeichnet werden. Ausführlich ist eine Turbomaschine eine Kraft- oder Kopferzeugungsmaschine, die die dynamische Wirkung eines rotierenden Elements, des Rotors, verwendet; Die Wirkung des Rotors verändert das Energieniveau des kontinuierlich durch die Maschine strömenden Fluids. Turbinen, Kompressoren und Ventilatoren sind Mitglieder dieser Maschinenfamilie.

Im Gegensatz zu Verdrängermaschinen (insbesondere vom Hubkolbentyp, die aufgrund der mechanischen und volumetrischen Wirkungsgradbetrachtungen langsamlaufende Maschinen sind) laufen die meisten Turbomaschinen mit vergleichsweise höheren Drehzahlen ohne mechanische Probleme und einem volumetrischen Wirkungsgrad nahe hundert Prozent.

Kategorisierung

Energieumwandlung

Turbomaschinen können nach der Richtung der Energieumwandlung kategorisiert werden:

• Nehmen Sie Leistung auf, um den Flüssigkeitsdruck oder die Förderhöhe zu erhöhen (Gelenkventilatoren, Kompressoren und Pumpen).
• Strom erzeugen, indem Flüssigkeit auf einen niedrigeren Druck oder eine niedrigere Fallhöhe expandiert wird (Hydraulik-, Dampf- und Gasturbinen).

Flüssigkeitsströmung

Turbomaschinen können nach der Art des Strömungsweges durch den Durchgang des Rotors kategorisiert werden:

Axial-Turbomaschinen - Wenn der Weg der Durchströmung ganz oder überwiegend parallel zur Rotationsachse verläuft, wird die Vorrichtung als Axial-Turbomaschine bezeichnet. Die radiale Komponente der Fluidgeschwindigkeit ist vernachlässigbar. Da keine Richtungsänderung des Fluids erfolgt, können mehrere axiale Stufen zur Leistungssteigerung eingesetzt werden.

Eine Kaplanturbine ist ein Beispiel für eine Axialturbine.

In der Figur:

• U = Blattgeschwindigkeit,
• V _f = Strömungsgeschwindigkeit,
• V = Absolute Geschwindigkeit,
• V _r = Relativgeschwindigkeit,
• V _w = Tangential- oder Wirbelkomponente der Geschwindigkeit.

Turbomaschinen mit Radialströmung - Wenn der Weg der Strömung ganz oder hauptsächlich in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse verläuft, wird die Vorrichtung als Radialströmungsmaschine bezeichnet. Daher ist die Radiusänderung zwischen Einfahrt und Ausfahrt endlich. Eine Radial-Turbomaschine kann je nach dem zu erfüllenden Zweck ein Einwärts- oder ein Auswärtsströmungstyp sein. Die Ausströmungsart erhöht das Energieniveau der Flüssigkeit und umgekehrt. Aufgrund der kontinuierlichen Richtungsänderung werden in der Regel mehrere Radialstufen nicht verwendet.

Eine Kreiselpumpe ist ein Beispiel für eine Radialströmungs-Turbomaschine.

Mischstrom-Turbomaschinen – Wenn sowohl axiale als auch radiale Strömung vorhanden sind und keiner von beiden vernachlässigbar ist, wird die Vorrichtung als Mischstrom-Turbomaschine bezeichnet. Es kombiniert Strömungs- und Kraftkomponenten sowohl radialer als auch axialer Art.

Eine Francis-Turbine ist ein Beispiel für eine Mixed-Flow-Turbine.

Körperliche Aktion

Turbomaschinen können schließlich nach der relativen Größe der Druckänderungen klassifiziert werden, die über eine Stufe hinweg stattfinden:

Impulsturbomaschinen arbeiten durch Beschleunigung und Änderung der Strömungsrichtung des Fluids durch eine stationäre Düse (die Leitschaufel) auf die Laufschaufel. Die Düse dient dazu, den einströmenden Druck in Geschwindigkeit umzuwandeln, die Enthalpie des Fluids nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit ab. Der Druck- und Enthalpieabfall über den Rotorblättern ist minimal. Die Geschwindigkeit nimmt über den Rotor ab.

Das zweite Newtonsche Gesetz beschreibt die Energieübertragung. Impulsturbomaschinen benötigen keinen Druckflügel um den Rotor, da der Fluidstrahl von der Düse erzeugt wird, bevor er die Beschaufelung am Rotor erreicht.

Ein Peltonrad ist ein Impulsdesign.

Reaktions-Turbomaschinen arbeiten, indem sie auf die Strömung von Fluid durch tragflügelförmige Rotor- und Statorschaufeln reagieren. Die Geschwindigkeit des Fluids durch die Schaufelsätze nimmt leicht zu (wie bei einer Düse), wenn es vom Rotor zum Stator und umgekehrt strömt. Die Geschwindigkeit des Fluids nimmt dann wieder ab, wenn es den Spalt passiert hat. Druck und Enthalpie nehmen durch die Schaufelsätze beständig ab.

Das dritte Newtonsche Gesetz beschreibt die Energieübertragung für Reaktionsturbinen. Zur Aufnahme des Arbeitsmediums ist ein Druckflügel erforderlich. Bei kompressiblen Arbeitsfluiden werden üblicherweise mehrere Turbinenstufen verwendet, um das expandierende Gas effizient zu nutzen.

Die meisten Turbomaschinen verwenden in ihrer Konstruktion eine Kombination aus Impuls und Reaktion, oft mit Impuls- und Reaktionsteilen auf derselben Schaufel.

Dimensionslose Verhältnisse zur Beschreibung von Turbomaschinen

Zur Charakterisierung von Strömungsmaschinen werden häufig die folgenden dimensionslosen Verhältnisse verwendet. Sie ermöglichen einen Vergleich von Strömungsmaschinen mit unterschiedlichen Abmessungen und Randbedingungen.

1. Druckbereich ψ
2. Durchflusskoeffizient φ (inklusive Liefer- oder Volumennummer genannt)
3. Leistungszahlen λ
4. Laufnummer σ
5. Durchmesser Nummer δ

Anwendungen

Energieerzeugung

Hydroelektrisch - Hydroelektrische Turbomaschinen nutzen die im Wasser gespeicherte potentielle Energie, um über ein offenes Laufrad zu strömen, um einen Generator zu drehen, der Strom erzeugt

Dampfturbinen - Dampfturbinen zur Stromerzeugung gibt es in vielen verschiedenen Variationen. Das Gesamtprinzip besteht darin, dass Hochdruckdampf über an einer Welle befestigte Schaufeln gedrückt wird, die einen Generator drehen. Während der Dampf durch die Turbine strömt, strömt er durch kleinere Schaufeln, wodurch sich die Welle schneller dreht und mehr Strom erzeugt.

Gasturbinen - Gasturbinen funktionieren ähnlich wie Dampfturbinen. Luft wird durch eine Reihe von Flügeln hineingedrückt, die eine Welle drehen. Dann vermischt sich der Kraftstoff mit der Luft und verursacht eine Verbrennungsreaktion, die die Leistung erhöht. Dadurch dreht sich die Welle schneller und erzeugt mehr Strom.

Windmühlen - Windmühlen, auch Windturbinen genannt, werden immer beliebter, da sie den Wind effizient zur Stromerzeugung nutzen können. Obwohl es sie in vielen Formen und Größen gibt, ist die häufigste die große Dreiklinge. Die Blätter funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie ein Flugzeugflügel. Wenn der Wind über die Blätter streicht, erzeugt er einen Bereich mit niedrigem und hohem Druck, wodurch sich die Blätter bewegen, eine Welle drehen und Elektrizität erzeugen. Sie ähnelt am ehesten einer Dampfturbine, arbeitet aber mit unendlich viel Wind.

Marine

Dampfturbine - Dampfturbinen in Schiffsanwendungen sind denen in der Stromerzeugung sehr ähnlich. Die wenigen Unterschiede zwischen ihnen sind Größe und Leistung. Dampfturbinen auf Schiffen sind viel kleiner, weil sie nicht eine ganze Stadt mit Strom versorgen müssen. Sie sind aufgrund ihrer hohen Anschaffungskosten, des hohen spezifischen Kraftstoffverbrauchs und der damit verbundenen teuren Maschinen nicht sehr verbreitet.

Gasturbinen – Gasturbinen in Schiffsanwendungen werden aufgrund ihrer geringeren Größe, höheren Effizienz und der Fähigkeit, sauberere Kraftstoffe zu verbrennen, immer beliebter. Sie laufen wie Gasturbinen zur Stromerzeugung, sind aber auch viel kleiner und benötigen mehr Maschinen zum Antrieb. Sie sind auf Marineschiffen am beliebtesten, da sie innerhalb von Minuten auf voller Leistung stehen können (Kayadelen, 2013) und bei einer bestimmten Leistung viel kleiner sind. Luftstrom durch einen Turbolader und Motor

Wasserstrahl - Im Wesentlichen ist ein Wasserstrahlantrieb wie ein Flugzeug-Turbojet mit dem Unterschied, dass das Betriebsmedium Wasser anstelle von Luft ist. Wasserdüsen eignen sich am besten für schnelle Schiffe und werden daher häufig vom Militär eingesetzt. Der Wasserstrahlantrieb hat viele Vorteile gegenüber anderen Formen des Schiffsantriebs, wie z. B. Heckantriebe, Außenbordmotoren, Wellenpropeller und Oberflächenantriebe.

Auto

Turbolader - Turbolader sind eine der beliebtesten Turbomaschinen. Sie werden hauptsächlich verwendet, um Motoren durch Hinzufügen von mehr Luft Leistung zu verleihen. Es kombiniert beide Formen von Turbomaschinen. Die Abgase des Motors drehen ein Schaufelrad, ähnlich wie eine Turbine. Dieses Rad dreht dann ein weiteres Schaufelrad, saugt und komprimiert Außenluft in den Motor.

Ladern - Ladern für Motor-Leistungssteigerung verwendet als gut, aber nur das Prinzip der Kompression abarbeiten. Sie nutzen die mechanische Kraft des Motors, um eine Schraube oder einen Flügel zu drehen, um die Luft in den Motor einzusaugen und zu komprimieren.

Allgemein

Pumpen - Pumpen sind eine weitere sehr beliebte Turbomaschine. Obwohl es sehr viele verschiedene Arten von Pumpen gibt, tun sie alle das Gleiche. Pumpen werden verwendet, um Flüssigkeiten mit mechanischer Kraft zu bewegen, von Elektromotoren bis hin zu Dieselmotoren in voller Größe. Pumpen haben Tausende von Anwendungen und sind die wahre Grundlage für Turbomaschinen (Škorpík, 2017).

Luftkompressoren - Luftkompressoren sind eine weitere sehr beliebte Turbomaschine. Sie arbeiten nach dem Kompressionsprinzip, indem sie Luft ansaugen und in einen Auffangbehälter verdichten. Luftkompressoren sind eine der grundlegendsten Turbomaschinen.

Ventilatoren - Ventilatoren sind die allgemeinste Art von Turbomaschinen. Sie arbeiten im Gegensatz zu Windkraftanlagen. Mechanische Kraft dreht die Klingen, zwingt Luft durch sie und zwingt sie heraus. Einfache Desktop-Lüfter bis hin zu großen Turbofan-Flugzeugtriebwerken funktionieren auf diese Weise.

Luft- und Raumfahrt

Gasturbinen - Luft- und Raumfahrtgasturbinen, besser bekannt als Strahltriebwerke, sind die am häufigsten verwendeten Gasturbinen. Sie sind den Turbinen zur Stromerzeugung am ähnlichsten, da der im Flugzeug verwendete Strom von den Turbinen stammt und gleichzeitig den Antrieb liefert. Diese Turbinen sind die kleinsten unter den Industrieturbinen und meistens die fortschrittlichsten.

Turbopumpen - Raketentriebwerke benötigen sehr hohe Treibmitteldrücke und Massendurchsätze, was bedeutet, dass ihre Pumpen viel Leistung benötigen. Eine der häufigsten Lösungen für dieses Problem ist die Verwendung einer Turbopumpe, die Energie aus einem energetischen Fluidstrom entzieht. Die Quelle dieses energetischen Fluidstroms könnte eine oder eine Kombination von vielen Dingen sein, einschließlich der Zersetzung von Wasserstoffperoxid, der Verbrennung eines Teils der Treibmittel oder sogar der Erwärmung von kryogenen Treibmitteln, die durch Kühlmittelmäntel in den Wänden der Brennkammer geleitet werden.

Teilliste der Turbomaschinen-Themen

Es gibt viele Arten von dynamischen Strömungsturbinen. Nachfolgend finden Sie eine unvollständige Liste dieser Typen. Bemerkenswert an diesen Turbomaschinen ist, dass für alle die gleichen Grundlagen gelten. Sicherlich gibt es erhebliche Unterschiede zwischen diesen Maschinen und zwischen den Analysearten, die typischerweise auf bestimmte Fälle angewendet werden. Dies negiert nicht die Tatsache, dass sie durch die gleiche zugrunde liegende Physik der Fluiddynamik, Gasdynamik, Aerodynamik, Hydrodynamik und Thermodynamik vereint sind.

Siehe auch

• Klingenfestigkeit
• Sekundärströmung in Turbomaschinen
• Schlupffaktor
• Dreidimensionale Verluste und Korrelation in Turbomaschinen

Verweise

Quellen

• SM Yahya. „Turbinenkompressoren und Ventilatoren“. 1987. McGraw-Hügel.
• Meher-Homji, CB (o. J.). Die historische Entwicklung der Turbomaschinen (Tech.). Abgerufen am 10. April 2017 von [https://web.archive.org/web/20170418081057/https://pdfs.semanticscholar.org/6c20/38257b1311073beb15c1a097e40ce394c1b9.pdf ]
• Nagpurwala, Q. (o. J.). Dampfturbine. Abgerufen am 10. April 2017 von http://164.100.133.129:81/eCONTENT/Uploads/13-Steam%20Turbines%20%5BCompatibility%20Mode%5D.pdf
• Soares, CM (nd). GASTURBINEN IN EINFACHEN ZYKLUS- UND KOMBINIERTEN ZYKLUS-ANWENDUNGEN. 1-72. Abgerufen am 10. April 2017 von https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Research/Coal/energy%20systems/turbines/handbook/1-1.pdf
• Perlman, UH (2016, 2. Dezember). Wasserkraft: So funktioniert es. Abgerufen am 10. April 2017 von https://water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html
• Škorpík, J. (2017, 1. Januar). Lopatkový stroj-englische Version. Abgerufen am 9. April 2017 von http://www.transformacni-technologie.cz/en_11.html
• Kayadelen, H. (2013). Schiffsgasturbinen . 7. Internationales Symposium für fortschrittliche Technologien . Abgerufen am 15. April 2017.

Externe Links

• Hydrodynamik von Pumpen
• Ctrend-Website zur Online-Berechnung der Förderhöhe von Kreiselverdichtern