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gasturbinenanlage
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iiks
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Anmeldungsdatum: 04.11.2005
Beiträge: 204

BeitragVerfasst am: 19 März 2011 - 18:21:40    Titel:

Lothol hat folgendes geschrieben:
Zitat:
das meine Überlegung mit dem Druckanstieg in der Brennkammer falsch ist.

Wieso sollte die falsch sein?
Ohne Druckerhöhung würde doch die Turbine "verhungern". Wink

Zitat:
Aber auf die Frage "Auf welche physikalische Grundlage lässt sich die Tatsache zurückführen, dass die Turbine weniger Stufen als der Verdichter hat?" Habe ich immer noch keine klare Antwort.


In der Brennkammer liegt doch eine rasante Drucksteigerung vor.
Nimm z.B. Kerosin als Brennstoff her:
- Zündtemperatur: 200° C (liefert der Verdichter)
- Verbrennungstemperatur: 600° C

Da jagt die Temperatur hoch => Drucksteigerung (wird zügig umgesetzt in Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit)

Jetzt stell Dir vor, da wären so viele Turbinenschaufeln/-stufen vorhanden, daß der Druck nicht schnell genug abgebaut werden kann.

Was würde geschehen?
Wohin würde er sich abbauen?



naja... laut Fachliteratur findet die Temperaturerhöhung in er Brennkammer isobar statt... also nix mit Druckerhöhung!

Würde der Druck in der Brennkammer steigen wäre er IMMER größer wie der vom Verdichter gelieferte Druck:

Angenommen der Verdichter liefert einen Druck von 100 bar. Nachdem das Fluid in der Brennkammer erhitzt wird steigt der Druck um den Faktor 10 (willkürliche Zahlen!). Somit hätte man einen Druck in der Brennkammer von 1000 bar > der vom Verdichter gelieferte Druck.

Nicht das du mich da falsch verstehst, ich will dich nicht verbessern, aber irgendwie passt das doch nicht zusammen?!




Cheater! hat folgendes geschrieben:
Die Antwort ist so simpel wie kompliziert. Das Druckverhältnis einer Verdichterstufe ist grundsätzlich niedriger wie das Druckverhältnis einer Turbinenstufe, bei sonst gleichen Rahmenbedingungen. Woran das liegt, kann ich womöglich heute Abend beantworten, wenn ich meine Unterlagen vorliegen habe



ich glaube hier verbirgt sich die Antwort, die ich suche... warum ist das Druckverhältnis einer Turbinenstufe größer wie die einer Verdichterstufe?


Danke!
Lothol
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Anmeldungsdatum: 08.03.2009
Beiträge: 1124

BeitragVerfasst am: 19 März 2011 - 21:58:23    Titel:

iiks hat folgendes geschrieben:
naja... laut Fachliteratur findet die Temperaturerhöhung in er Brennkammer isobar statt... also nix mit Druckerhöhung!

naja...zunächst bedeutet Temperaturerhöhung immer Druckerhöhung;

ES SEI DENN: es findet gar keine Druckerhöhung statt, weil diese sofort in Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit umgewandelt wird.
Dann kann die Abströmung auch durchaus isobar sein. Smile

Das versuchte ich Dir w.o. mit dem Vergleich Schiffsdiesel/Turbine zu verdeutlichen. Wink

Was die Druckverhältnisse anbelangt, siehst Du das am besten über die ganze Turbine:
- Verdichter erhöht Druck + Temp.
- zwar sackt der Druck in der Engstelle etwas ab, erhöht sich aber sofort wieder durch Expansion in der Brennkammer, wobei die Temperatur etwas absackt
- das reicht aber immer noch aus, um den Brennstoff zu entzünden
- dann strömt das durch die Verbrennung expandierende Gemisch (Druckerhöhung wird dabei in Strömungsgeschwindigkeitserhöhung umgewandelt) in Richtung Turbine ab
- jedenfalls muß der Druck in der Strecke Brennkammer/Turbine auf einem etwas niedrigeren Druckniveau liegen als dem, das der Verdichter liefert (nach der Expansion in die Brennkammer)

Nur wenn sich der in der Brennkammer erzeugte Druck gegen den Verdichterdruck "abstützen" kann, schlägt der Druck nicht in Richtung Verdichter zurück, sondern baut sich in Richtung Turbine ab.
Ob das nun wirklich isobar ist oder nicht, sei dahingestellt. Smile

Jedenfalls muß - auch durch entspr. Mengenzufuhr an Treibstoff - sichergestellt sein, daß der ausgangsseitige Druck (Strecke Brennkammer/Turbine) niemals auch nur annähernd in den Bereich des eingangsseitigen Druckes (kurz vor der Brennkammer) gelangen kann.
iiks
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Anmeldungsdatum: 04.11.2005
Beiträge: 204

BeitragVerfasst am: 19 März 2011 - 22:40:24    Titel:

Ok das kann ich nachvollziehen.

Was ich noch nicht so ganz verstehe: wie kann der verdichter einen größten Duck liefern wie er in der brennkammer herrscht? Da der Druck in der brennkammer gegenüber dem am verdichtet steigt ist er doch höher... ?!? Verstehst du wo mein gedankenproblem liegt?
Lothol
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Anmeldungsdatum: 08.03.2009
Beiträge: 1124

BeitragVerfasst am: 20 März 2011 - 00:30:19    Titel:

iiks hat folgendes geschrieben:
Verstehst du wo mein gedankenproblem liegt?

Natürlich.
Dauerte (früher) bei mir auch etwas, bis ich das richtig begriff. Wink

Also nochmal zum eingangs Gesagten zurück:

Zitat:
Druck bleibt Druck. Wink
D.h. der Verdichter muß so viel Druck aufbauen, daß der in der Verbrennung entstehende Druck auf die nachgelagerten Schaufeln wirkt (und sich nicht nach vorne - in Richtung Verdichter entwickeln kann).

Eingangsseitig baut der Verdichter (bezogen auf eine bestimmte Drehzahl) einen konstanten Druck auf.
Ausgangsseitig wird durch die Verbrennung Druck aufgebaut, der auf die Turbine wirken soll.
Daß der ausgangsseitige Druck sofort in erhöhte Strömungsgeschwindigkeit umgewandelt wird, ist im Prinzip unerheblich; denn es ist ja den Turbinenschaufeln völlig egal, ob Du auf höherem Druckniveau und niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit liegst oder auf niedrigerem Druckniveau und höherer Strömungsgeschwindigkeit: die entnehmbare Arbeitsleistung bleibt in Summe gleich. Smile

Bzgl. Verdichter ist es aber nicht egal.
Folglich müssen konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, daß der Ausströmdruck IMMER unterhalb des Verdichterdruckes liegt.

Denn nur dann kann sich der Ausströmdruck gegen den Verdichterdruck abstützen.
iiks
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Anmeldungsdatum: 04.11.2005
Beiträge: 204

BeitragVerfasst am: 21 März 2011 - 17:36:42    Titel:

Also, da die Druckdifferenz zwischen der Umgebung und dem Verdichter größer wie die zwischen Turbine und Umgebung ist, benötigt die Turbine weniger Stufen. Das ist dann wahrscheinlich mit "geringerer Enthalpiedifferenz" gemeint...


In einem weiteren Buch habe ich jetzt, glaube ich zumindest, den physikalischen Grund gefunden:

Da in der Turbine eine starke Strömungsbeschleunigung zulässig ist, im Verdichter aber nicht, da sich die Grenzschicht sonst ablöst, braucht man in der Turbine weniger Stufen...
iiks
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Anmeldungsdatum: 04.11.2005
Beiträge: 204

BeitragVerfasst am: 23 März 2011 - 13:20:14    Titel:

Irgendwie komm ich mir gerade sau-dumm vor... ich studiere Maschinenbau im 6. Semester (bisher ohne größeren Probleme) aber immer wenn es an Thermodynamik, Fluidmechanik sonstige Strömungsdinge geht schaltet sich bei mir das Verständnis aus... das is zum kotzen xD

Zahlenwerte habe ich keine für dich... aber ich zitiere mal die Stelle aus dem Buch:

"Axialverdichter sind im Aufbau den axialen Turbinen ähnlich, jedoch ist die Stufenzahl viel größer. Während in den Turbinengittern eine starke Beschleunigung zulässig ist, darf die Verzögerung im Verdichtergitter nur gering sein, weil sich die Grenzschicht sonst ablöst. Die Schaufelprofile sind deshalb nur schwach gewölbt, ähnlich wie die Tragflügelprofile von Flugzeugen. Sie ergeben nur eine geringe Umlenkung der Strömung, sodass das Stufengefälle viel kleiner ist als in einer Turbine"

ich verstehe es einfach nicht...
Lothol
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Anmeldungsdatum: 08.03.2009
Beiträge: 1124

BeitragVerfasst am: 23 März 2011 - 23:03:15    Titel:

Zitat:
Irgendwie komm ich mir gerade sau-dumm vor... aber immer wenn es an Thermodynamik, Fluidmechanik sonstige Strömungsdinge geht schaltet sich bei mir das Verständnis aus... das is zum kotzen

Darum mach Dir mal keine Gedanken, iiks. Smile

Denn das ist ganz normal: kennt jeder, der etwas lernen/sich erarbeiten will. Ist das ganze Leben lang so. Smile

Mit dem Verständnis ist das so eine Sache.
Es hängt m.E. nicht nur häufig sondern maßgeblich davon ab, wie etwas erklärt wird.

Heisenberg sagte (sinngemäß):
jeder noch so hoch spezialisierte Fachmann sollte in der Lage sein, einem Laien einen Sachverhalt in Worten, welche dieser verstehen kann, zu erklären.

Und wenn wir mal diesen Maßstab an das o.g. Zitat anlegen würden, wäre ich fast geneigt, zu sagen:

jeder, der Begriffe wie "Turbinengitter" und "Verdichtergitter" prägt, verwendet oder in Umlauf bringt, wird mit einem Zwangsaufenthalt im Deutschen Patentamt bestraft, um dort zwischen 50 und 100 Patentschriften zu Turbinen durchzulesen.
Damit er lernt, sich verständlich und sachgerecht auszudrücken. Laughing

Zitat:
ich verstehe es einfach nicht...

Das wundert mich überhaupt nicht; denn es ist m.E. komplett bescheuert erklärt. Wink

Fangen wir mit dem Verdichter an:
in Analogie zum Kolbenverdichter soll eine Verdichterwand (an Stelle der Oberseite des Kolbens) aufgebaut werden.
Zur Verfügung stehen:
- eine rotierende Welle
- beliebig geformte Schaufeln
- beliebige Länge der Schaufeln
- beliebige Stellung der Schaufeln (bezogen auf die Längsrichtung der Welle)
- beliebige Anzahl von Schaufel-Stufen
- beliebig gestaltbare Geometrie

Haken wir die Geometrie ab:
nachdem es sich um eine Turbine handelt, ist dominant Strömungsgeschwindigkeit erforderlich:http://de.wikipedia.org/wiki/Venturi-Effekt

Aus dem Venturi-Effekt ergibt sich zwingend:
- konische Form der äußeren Hülle des Verdichters
- konische Form des die Schaufeln tragenden Grundkörpers
- kurze Schaufeln
- Anzahl der Schaufel-Stufen (so viele, bis der erforderliche Druck erreicht wird)

Zu den Schaufeln selbst:
Vorab:http://de.wikipedia.org/wiki/Verstellpropeller
Da siehst Du bei den Schiffsschrauben das grundsätzliche Wirkungsprinzip:
die Schaufel greift (durch ihre Drehung) in das Wasser ein und verdrängt es dann (über die Drehung), was zur Vorwärtsbewegung des Schiffes führt.

Grundsätzlich ist das bei Turbinen-Schaufeln auch nicht anders.
Allerdings mit dem Unterschied, daß sie anders geformt sein müssen, weil die Zähigkeit der Luft eine völlig andere ist, als die von Wasser.
Im Prinzip ist das zwar auch wieder relativ - weil eine Frage der Luft-Geschwindigkeit - aber die Turbine soll ja auch bei niedrigen Drehzahlen so leidlich funktionieren.
Da kommt sie eher in kritische Bereiche als bei hoher Drehzahl.

Folglich wählt man im Verdichter-Bereich eine Schaufel-Geometrie, die vom Tragflächen-Profil insofern abweicht, als sie etwas gerader und auch in ihrer Verdickung ausgeprägter ist.
Warum?

Einerseits soll sie in den Luftstrom (analog zur Schiffsschraube) einschneiden und andererseits diesen aber auch in Richtung Verengung (sowohl bezogen auf die konische Gehäuse-Form als auch auf die Verdickung der Schaufel) bzw. zur nächsten einschneidenden Schaufelstufe beschleunigen.
Und zwar rasant, weil sonst die "Übergabe" von Stufe zu Stufe (= Druckerhöhung + Geschwindigkeitserhöhung) nicht funktioniert (v.a. bei niedriger Drehzahl).

Daraus folgt wiederum die Anordnung der Schaufeln zur Längsrichtung der Welle: sie müssen die Luft einschneiden und gleichzeitig beschleunigen können.

Wenn ich jetzt nicht etwas vergessen habe, können wir zu den Haken an der ganzen Konstellation kommen:

- dadurch, daß die Schaufeln anordnungsbedingt Spalte haben, ist ein gewisser Kompressionsverlust unvermeidbar. Den versucht man zwar durch geschickte Umlenkungs-/Schaufelanordnungen zu minimieren, was aber nichts daran zu verändern vermag, daß er im Verhältnis zu einem Kolbenverdichter höher ist.
- die zu leistende Verdichter-Arbeit muß von der Turbine erbracht werden. Auch dort liegen unvermeidbare Verluste vor

Somit addieren sich die jeweiligen Verluste zum Gesamtverlust.

Zurück zum Zitat:
Zitat:
"Axialverdichter sind im Aufbau den axialen Turbinen ähnlich, jedoch ist die Stufenzahl viel größer. Während in den Turbinengittern eine starke Beschleunigung zulässig ist, darf die Verzögerung im Verdichtergitter nur gering sein, weil sich die Grenzschicht sonst ablöst. Die Schaufelprofile sind deshalb nur schwach gewölbt, ähnlich wie die Tragflügelprofile von Flugzeugen. Sie ergeben nur eine geringe Umlenkung der Strömung, sodass das Stufengefälle viel kleiner ist als in einer Turbine"

- Höhere Stufenzahl im Verdichter ist klar: der muß ja den Umgebungsdruck "hochkeuchen", während die Turbine von der erheblich höheren Strömungsgeschwindigkeit "lebt".
- starke Beschleunigung in den "Turbinengittern"?
W.o. bereits erläutert: Quatsch. Die Beschleunigung findet in der Brennkammer statt und die Turbine setzt die Strömungsgeschwindigkeit in erhöhte Drehzahl bzw. Drehmoment um
- Verzögerung im "Verdichtergitter"?
Quatsch: wo soll da was verzögert werden?
Im Gegenteil: die Luft wird von Stufe zu Stufe beschleunigt.
Die Druckerhöhung erfolgt ja weniger über die konische Geometrie als vielmehr über das "Vorwärts-Peitschen" der Luft.
Würde das nicht erfolgen, würde die Druckerhöhung in Richtung Verdichter-Eingang absäuseln.
- Bzgl. Grenzschicht-Ablösung muß ich passen. Ich kenne dazu keinen Wert.
Allerdings liegt es auf der Hand, daß es bzgl. "Vorwärts-Peitschen" der Luft einen Grenzwert geben muß, der letztlich entweder die genaue Schaufel-Geometrie oder den Grenzeinsatzbereich der Turbine bzgl. oberer Drehzahl bestimmt.
- Stufengefälle kleiner: s.o. höhere Stufenzahl im Verdichter Wink

Jetzt ist es lang geworden.
Auch klarer, iiks?

mfG
iiks
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Anmeldungsdatum: 04.11.2005
Beiträge: 204

BeitragVerfasst am: 24 März 2011 - 10:20:30    Titel:

oh mann... Vielen Dank!!! Ich finde es sehr nett von dir, dass du dir so viel Zeit nimmst Smile

Zu dem Thema Verständnis hat mein alter Matheprof mal was gesagt, was den Nagel auf den Kopf trifft:

"Autoren von Fachliteratur haben im Allgemeinen nur zwei Ziele: Entweder wollen Sie verstanden werden oder Sie wollen Anerkennung... und leider vollen die meisten lieber Anerkennung..."

Es ist wirklich schwer ein Buch zu finden was einem die Materie verständlich näher bringt ohne das man zum Verständnis gleich jede Formel herleiten muss^^

Kennst du vllt das ein oder andere gute Buch zu den Themen Thermodynamik, Fluidmechanik und Strömungsmaschinen?



so, btt:

Ich muss deine Ausführliche Erklärung erstmal sacken lassen... aber evtl. habe ich jetzt schon was verstanden:

Um Verluste im Verdichter zu minimieren und um eine optimale Druckerhöhung zu haben, muss ich die Schaufeln so anordnen, dass an ihnen keinen Strömngsabriss auftritt.

Als Vergleich das Flugzeug: Wenn ich die Tragflügel zu steil (bezogen auf die Flugrichtung) anstelle, reißt die Strömung ab -> schlecht

Stelle ich nun die Schaufeln im Verdichter zu Steil an, habe ich zwar pro Stufe eine größere Druckerhöhung, aber die Gefahr das mir die Strömung abreisst -> auch schlecht.
Darum ordnet man die Stufen so an, dass pro Stufe nur eine geringere Druckerhöhung stattfindet. Dafür habe ich eine saubere Strömung im Verdichter, brauche aber mehr Verdichterstufen um auf meinen geforderten Durch zu kommen.

Im Gegensatz dazu ist es der Turbine "egal" wie die Strömung durch sie hindurch strömt, da sie nur von der Strömungsgeschwindigkeit lebt?
Lothol
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Anmeldungsdatum: 08.03.2009
Beiträge: 1124

BeitragVerfasst am: 24 März 2011 - 21:59:02    Titel:

Zitat:
oh mann... Vielen Dank!!! Ich finde es sehr nett von dir, dass du dir so viel Zeit nimmst Smile

Danke für die würdigende Anerkennung. Smile

Die Zeit nehme ich mir gerne, denn mir wird sowohl hier als auch unter bildungs-foren auch immer wieder geholfen, wenn ich anderweitig "saudumm" bin. Wink

Zitat:
"Autoren von Fachliteratur haben im Allgemeinen nur zwei Ziele: Entweder wollen Sie verstanden werden oder Sie wollen Anerkennung... und leider vollen die meisten lieber Anerkennung..."

Nicht nur letzteres: teilweise entsteht fast der Eindruck als bestehe ein Wetteifer, simple Sachverhalte so kompliziert wie nur irgend möglich darzustellen.

Zitat:
Es ist wirklich schwer ein Buch zu finden was einem die Materie verständlich näher bringt ohne das man zum Verständnis gleich jede Formel herleiten muss^^

Kennst du vllt das ein oder andere gute Buch zu den Themen Thermodynamik, Fluidmechanik und Strömungsmaschinen?

Gute Bücher zu finden ist so schwer nicht: man muß nur wissen, wo man sie suchen muß. Wink
In Antiquariaten, auf Flohmärkten und bei gewerblichen Wohnungsauflösern/Gebrauchtwarenhändlern findet man immer wieder wahre "Leckerbissen" an Büchern bzgl. Technik.

Wenn Dich Technik generell interessiert, kannst Du alles aus den Verlagen: Sammlung Göschen, Teubner und Springer blind kaufen.
Egal was die Bücher kosten: das Geld sind sie immer wert. Smile

Ich denke, es reicht auch, wenn Du Dich mit guten Büchern zur Thermodynamik eindeckst: Strömungsmaschinen sind da eh mit enthalten und die Fluidmechanik ist an sich weniger problematisch.

"Überholt" sind selbst sehr alte Thermodynamikbücher nicht: ist ja alles ein alter Hut. Smile
Mein ältestes ist von 1910: Die thermodynamischen Grundlagen der Wärmekraft- und Kältemaschinen, M. Röttinger, Sammlung Göschen.

Sehr empfehlenswert: Technische Wärmelehre, Hans Faltin, VEB Wilhelm Knapp Verlag, Halle (Saale) 1953

Zitat:
Ich muss deine Ausführliche Erklärung erstmal sacken lassen... aber evtl. habe ich jetzt schon was verstanden:

Im Nachfolgenden hast Du den Sachverhalt so weit richtig beschrieben.

Cheater! hat folgendes geschrieben:
Die Antwort ist so simpel wie kompliziert. Das Druckverhältnis einer Verdichterstufe ist grundsätzlich niedriger wie das Druckverhältnis einer Turbinenstufe, bei sonst gleichen Rahmenbedingungen. Woran das liegt, kann ich womöglich heute Abend beantworten, wenn ich meine Unterlagen vorliegen habe Smile


Ist Dir jetzt auch völlig klar, wie das gemeint war bzw. zu verstehen ist?
iiks
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Anmeldungsdatum: 04.11.2005
Beiträge: 204

BeitragVerfasst am: 26 März 2011 - 12:11:44    Titel:

also:

Ein Verdichter hat einen kleineren Reaktionsgrad (welcher doch genau das Druckverhältnis einer Stufe beschreibt, soweit ich das verstanden habe) wie eine Turbine. Daher kann in einer Verdichterstufe weniger Enthalpie umgesetzt werden wie in einer Turbinenstufe. Folglich benötige ich im Verdichter mehr Stufen wie in einer Turbine.

Der kleinere Reaktionsgrad bei Verdichtern folgt daraus, dass in einer Verdichterstufe nur kleine Umlenkungen des Fluids zulässig sind, da bei größeren Umlenkungen Strömungsablösungen auftreten. Erschwerend kommt hinzu, dass die Strömung im Verdichter verzögert wird, was die Strömungsablösung ebenfalls begünstigt.
Diese führen zu erheblichen Einbusen im Wirkungsgrad und müssen daher vermieden werden.

Da die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennkammer stark zunimmt und die Turbine die kinetische Energie des Fluids mehr durch den Impuls wie durch das Umströmen der Schaufeln umsetzt kann man die Schaufeln stärker anstellen ohne das es zu Strömungsablösungen kommt, da die Geschwindigkeite viel höher ist.


Sollte ich die Bezeichnung "Reaktionsgrad" doch falsch verwendet haben, dann ersetzte sie bitte durch "Druckverhältnis"
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