Was ist eine Normalstufe?
Spezialfall einer Repetierstufe mit u = const. und c_m = const. Zusätzlich wiederholen sich die
Geschwindigkeitsdreiecke von Stufe zu Stufe. Sie ist ein vereinfachtes Modell für Axialstufen.
Normiertes GDE Verdichter-Normalstufe: φ, ψ, R?
Normierung mit u. Schluckziffer φ = c_m/u ist die vertikale Höhe im GDE. Arbeitsziffer ψ = Δh_t/u² = Δc_u/u ist die
Änderung der Umfangskomponente. Reaktionsgrad R beschreibt, welcher Anteil der statischen Enthalpieänderung im
Laufrad stattfindet.
Schaufelstellung, wenn R von 0,5 auf 1 steigt?
Die Laufschaufel übernimmt mehr Druck-/Enthalpieänderung und wird stärker belastet/diffusierend. Das Leitrad wird
entlastet und muss weniger statische Druckänderung liefern. Die Dreiecke werden unsymmetrischer; Rotoranteil
steigt, Statoranteil sinkt.
GDE Impulsstufe und 50%-Reaktionsstufe bei φ = 1, Abströmung drallfrei?
Impulsstufe R = 0: starke Beschleunigung/Umlenkung im Leitrad, Rotor hauptsächlich Umlenkung, statischer
Rotor-Druck etwa konstant. 50%-Reaktionsstufe: Leitrad und Laufrad teilen sich Enthalpieabfall etwa gleich; Dreiecke
sind bei Normalstufe näherungsweise symmetrisch. Abströmung drallfrei heißt c_u,Austritt = 0.
Verdichterprofil: Geschwindigkeits- und Druckverlauf?
Auf der Saugseite steigt die Geschwindigkeit stark und der Druck sinkt. Danach erfolgt Druckrückgewinn mit
ungünstigem Druckgradienten; dort droht Ablösung. Auf der Druckseite ist c kleiner und p höher. Am Ende entsteht
ein Nachlauf.
Teilungsverhältnis zu groß / warum nicht zu klein?
Zu großes Teilungsverhältnis = zu wenige Schaufeln: hohe Belastung je Schaufel, starke Umlenkung/Diffusion,
Ablösung und Verluste. Zu kleines Teilungsverhältnis = zu viele Schaufeln: hohe Reibungsfläche, Blockage, Gewicht,
Kosten und Fertigungsaufwand.
Axial- vs. Radialverdichter bei gleicher Zuströmung: warum Radial höheres Druckverhältnis?
Axialverdichter ist durch Diffusion/De-Haller und Machzahl pro Stufe stark begrenzt. Beim Radialverdichter wächst u
mit r; bei r2 = 2 r1 ist u2 größer. Nach Euler Δh_t = u2 c_u2 - u1 c_u1 kann dadurch mehr Arbeit und zusätzlich
statischer Druck durch Zentrifugalwirkung umgesetzt werden.
GDE Turbinen-Leitrad bei höherem/geringerem Massenstrom?
Bei verändertem Massenstrom ändert sich c_m und damit der Anström-/Abströmwinkel. Weg vom Auslegungspunkt
bedeutet Inzidenz/Deviation, stärkere Ablösung und höhere Profilverluste. Allgemein: Strömungsmaschinen haben
außerhalb des Auslegungspunkts sinkenden Wirkungsgrad und Betriebsgrenzen.
Wie entstehen Profilverluste und wo überwiegend?
Profilverluste entstehen durch Wandreibung in Grenzschichten, Ablösung, Nachlaufmischung und ggf.
Stoß-Grenzschicht-Interaktion. Stark betroffen sind Saugseite, Hinterkante/Nachlauf und Bereiche mit großem
Druckgradienten.
Inzidenz und Deviation?
Inzidenz = Abweichung zwischen tatsächlichem Eintrittswinkel und Schaufelmetallwinkel am Eintritt. Deviation =
Abweichung zwischen tatsächlichem Austrittswinkel und Metallwinkel am Austritt, verursacht durch endliche
Schaufelzahl, Grenzschicht und Ablenkungsdefizit.
Was sind Sekundärströmungen?
Sekundärströmungen sind Querströmungen zusätzlich zur Hauptströmung. Sie entstehen durch Druckgradienten in
den Wandgrenzschichten und treten besonders an Nabe, Gehäuse, Schaufelenden und in Passagen auf; typische
Wirbel: Hufeisen- und Passagenwirbel.
Radreibungsverluste?
Rotierende Scheiben/Räder scheren das umgebende Fluid. Die dabei aufgewendete Reibungsarbeit wird in
Wärme/Dissipation umgesetzt und trägt nicht zur nutzbaren Arbeitsumsetzung bei.
Warum steigen Verluste mit Umlenkung nach Soderberg?
Stärkere Umlenkung bedeutet stärkere Druckgradienten, höhere Schaufelbelastung, dickere Grenzschichten, mehr
Ablösegefahr und größeren Nachlauf. Sekundärströmungen werden ebenfalls stärker, weil die Quer-Druckgradienten
in der Passage zunehmen.
Impuls- vs. Reaktionsstufe hinsichtlich Verlusten?
Impulsstufe: hohe Geschwindigkeiten und starke Leitradumlenkung -> hohe Profil-/Nachlaufverluste, aber kaum
Rotor-Spaltverlust durch Druckdifferenz. Reaktionsstufe: Druckabfall im Rotor -> Spaltverluste und Axialschub; dafür
ist die Belastung oft besser auf Leit- und Laufrad verteilt.
Warum Euler-Radius statt arithmetisch mittlerer Radius?
Weil die Arbeitsumsetzung von u c_u = Ω r c_u abhängt und damit flächen-/drallgewichtet ist. Der Euler-Radius
repräsentiert die Kreisfläche bzw. mittlere Umfangsgeschwindigkeit für die 1D-Auslegung besser als der arithmetische
Radius.
Form von hohen zu niedrigen spezifischen Drehzahlen?
Hohe spezifische Drehzahl: große Volumenströme bei kleiner Druck-/Enthalpieänderung -> axiale Bauform. Niedrige
spezifische Drehzahl: kleine Volumenströme bei großer Druck-/Enthalpieänderung -> radiale Bauform. Dazwischen
liegen halbaxiale/mixed-flow Maschinen.
Radiales Gleichgewicht und Bedeutung?
Radiales Gleichgewicht bedeutet Kraftgleichgewicht quer zur Hauptströmung, z.B. dp/dr = ρ c_u²/r bei Drall. Es
bestimmt Druck, Geschwindigkeit, Reaktionsgrad und Schaufelwinkel über der Schaufelhöhe und ist bei langen
Schaufeln nicht vernachlässigbar.
Warum Turbinennabe impulsartig, Spitze verdichterprofilähnlich?
Bei langen Schaufeln ändert sich u stark über den Radius. An der Nabe ist u klein: das GDE ähnelt eher einer
Impulsstufe mit großer Umlenkung. An der Spitze ist u groß: Relativströmung und Reaktionsgrad ändern sich so, dass
das Profil stärker wie ein Verdichterprofil/diffusorisch wirkt.
Geschwindigkeitsspitze in Kanalmitte: Wirkung auf Arbeit?
Lokale c_m-Änderungen verändern die GDE und damit Δc_u. Da Δh_t = u Δc_u gilt, wird die Arbeit radial ungleich
verteilt. In der Mitte mit höherer Geschwindigkeit verschiebt sich der Anströmwinkel in eine Richtung, an
Nabe/Gehäuse mit niedriger Geschwindigkeit in die andere; Folge: Fehlanströmung, ungleichmäßige Arbeit,
Sekundärströmungen und Verluste.
Was passiert im Verdichter bei fester Drehzahl und sinkendem Volumenstrom?
Die Strömung wird stärker verzögert, es kommt zu Ablösung. Zuerst droht rotierender Abriss; bei starker Kopplung mit
einem Speichervolumen entsteht Verdichterpumpen/Surge mit periodischer Rückströmung
Wovon hängt Stärke/Ausprägung ab?
Von Kennliniensteigung, Geometrie, Stufenzahl, Drehzahl, Mach-/Reynolds-Zahl, Spalt, Verschmutzung und vom
angeschlossenen Systemvolumen bzw. der Verbraucherkennlinie.
Sperrgrenze und warum im Verdichter?
Sperren/Choking heißt: lokal M = 1, der Massenstrom kann trotz stärkerem Druckgefälle nicht weiter steigen. Im
Verdichter kann das in engen Schaufelkanälen oder bei hohen relativen/absoluten Geschwindigkeiten auftreten,
besonders bei großem Volumenstrom.
Stufencharakteristik Turbine?
Turbine: mit zunehmendem Massenstrom steigt die Druckziffer bzw. das Druckverhältnis bis zur Sperrgrenze. Der
Wirkungsgrad hat ein Maximum nahe Auslegung und fällt bei zu kleinem oder zu großem Massenstrom wegen
Fehlanströmung und Verlusten ab.
Verdichterkennfeld: Eintrittsdruck sinkt?
Im Kennfeld nutzt man korrigierte Größen: ṁ_korr = ṁ √T_t1 / p_t1 und n_korr = n / √T_t1. Sinkt p_t1, steigt ṁ_korr;
n_korr bleibt bei gleicher T und n gleich. Der Punkt wandert tendenziell nach rechts Richtung Sperrgrenze.
Verdichterkennfeld: Eintrittstemperatur steigt?
Wenn T_t1 steigt, steigt ṁ_korr und gleichzeitig sinkt n_korr. Der Arbeitspunkt wandert tendenziell nach rechts und
auf eine niedrigere korrigierte Drehzahllinie; das Druckverhältnis sinkt meist.
Fortgeschritten: Regelstufe bei Teillast?
Bei Teillast übernimmt die Regelstufe oft einen größeren Anteil des Druckgefälles; ihr
Druckverhältnis/Expansionsverhältnis weicht stark vom Auslegungspunkt ab. Dadurch ändert sich die
Leitrad-Austrittsgeschwindigkeit und das Laufrad wird mit falscher Geschwindigkeit/Winkel angeströmt -> höhere
Inzidenz und Verluste.
Wo ist die Fliehkraftbelastung einer Laufschaufel am höchsten?
Am Schaufelfuß bzw. Nabenquerschnitt. Dort muss der Querschnitt die gesamte radial äußere Schaufelmasse tragen.
Zwei Maßnahmen zur Reduktion der Fliehkraftbelastung?
1) Masse am großen Radius reduzieren: verjüngte/hohle Schaufel, leichter Werkstoff. 2) Umfangsgeschwindigkeit bzw.
Drehzahl oder Schaufellänge reduzieren. Entscheidend ist: weniger Masse weit außen und kleineres u.
Wofür Campbell-Diagramm und was an Schnittstellen?
Campbell-Diagramm zeigt Eigenfrequenzen über Drehzahl und Drehzahlharmonische als Erregerlinien. Schnittpunkte
sind Resonanzstellen; Betrieb dort vermeiden oder Dämpfung/Schaufelkopplung/Sicherheitsabstand vorsehen.
Warum Schubausgleich bei Reaktionsturbinen?
Bei Reaktionsstufen fällt statischer Druck im Laufrad ab. Dadurch entsteht eine axiale Druckkraft auf Rotor/Schaufeln.
Ausgleich durch Schubkolben/-trommel, gegenläufige/doppelflutige Anordnung,
Entlastungsbohrungen/Leckageführung und Axiallager.
Vorteile Labyrinth-Dichtung gegenüber glattem Dichtspalt?
Labyrinth = mehrere Drosselstellen mit Kammern. Kinetische Energie wird wiederholt dissipiert, der
Durchflusskoeffizient und die Leckage sinken. Vorteil: berührungslos, verschleißarm, toleriert thermische Dehnung
besser als Kontakt-Dichtungen.
Zuletzt geändertvor 18 Tagen