Überlegungen zu einer direkt beheizten Modell-Dampfturbine mit Stumpf-Schaufeln

[Turbo-Georg]

Die angehangene Zeichnung zeigt den Verlauf der Temperaturen im Wärmeübertrager, wie z.B. in unserem Fall als Vorwärmer eingesetzt.

Auf der Ordinate finden wir die Temperatur t in °C und auf der Abszisse Heizfläche F.
Wir sehen oben die Temperaturen t₁ des Wärme abgebenden Mediums (...Verbrennungsgas) und darunter die niedrigeren Temperaturen t₂ des Wärme aufnehmenden Mediums (...Wasser).
Wir sehen auch, dass die Differenz zwischen t₁ und t₂ (∆t) mit zunehmender Fläche F kleiner wird, wobei wir zwischen Gleichstrom (grau) und Gegenstrom unterscheiden.

Bei Wärmeübertragern nach dem Gleichstromprinzip ist die Strömungsrichtung beider Medien gleich (►►), beim Gegenstromprinzip ist sie entgegengesetzt (►◄).

Die grau gezeichnete Kurve des Verlaufs von t₂ bei Gleichstrom zeigt, dass die Temperaturen beider Medien zwar der gleichen Austrittstemperatur zustreben, doch letztlich die Differenz t₁' - t₂' größer ist, als die Differenz t₁ - t₂' im Gegenstrom.
Das bedeutet, dass bei gleicher Heizfläche die Übertragungsleistung bei Gegenstrom höher ist.
Bei unseren quer angeströmten Rohren spricht man auch von Kreuzstromprinzip, bzw. einer  Mischung von Gegenstrom und Kreuzstrom; die Temperaturen sind dann unterschiedlich verteilt und man verwendet bei der Berechnung kommerzieller Anlagen einen Korrekturfaktor.

[Turbo-Georg]

Bei unseren Heizflächenberechnungen haben wir zunächst grob voraus geschätzte Wärmeübergangskoeffizienten zu Grunde gelegt. Auch im Großbetrieb wird so verfahren, bevor erste Entwürfe und ggf. mehrfache, genauere Nachrechnungen erfolgen. Somit verfügen nach einiger Zeit die häufig auf bestimmte Produkte spezialisierten Hersteller über eine Menge an Erfahrungswerten.

Unser Vorhaben ist aber zumindest bezüglich der Verdampfer, ihrer optimalen,  konstruktiven Gestaltung sowie der erzielbaren Werte ohne Beispiel.
Uns fällt also die Aufgabe zu, mit viel kreativer Kraft die besten Werte experimentell zu ermitteln.
Aber hierin besteht schließlich einer der Reize unseres schönen Hobbys.

Veränderung der Abmessungen der Heizflächen, z.B. Rohrlänge, Rohrdurchmesser o.ä. verändern auch die Wärmeübergangskoeffizienten.

Wenn wir die Gleichung der Wärmedurchgangszahl k betrachten stellen wir fest, dass sie immer kleiner ist als die kleinste Wärmeübergangszahl α. Es ist daher von Vorrang den kleinsten α-Wert zu erhöhen.
Neben der Vergrößerung der Heizfläche bieten u.a. die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder die Verwirbelung des Mediums die Möglichkeiten den Wärmeumsatz zu verbessern.
Allerdings ist wie gesagt, wenig sinnvoll die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers zu erhöhen, wenn seine Wärmeübergangszahl α größer ist als die des Wärme abgebenden Mediums, z.B. Verbrennungsgas. Wäre das Wärme abgebenden Medium  hingegen Dampf mit seinem höheren α-Wert, so würde die Erhöhung der Wassergeschwindigkeit eine Verbesserung erwarten lassen.
Die Wärme austauschende Oberfläche kann auch durch die Anordnung von Rippen vergrößert werden. Solche Rippen werden dann auf der Oberfläche des kleineren 
α-Wertes angebracht.

Liebe Modellbaufreunde,
ich hoffe ich habe euch mit dem kleinen Ausflug auf das komplexe Gebiet der Wärmeübertragung nicht allzu sehr gelangweilt. Mir erschien es aber wichtig, auf eine möglichst verständliche Weise die wichtigsten Zusammenhänge darzulegen, um damit eine Basis für erfolgreiches Experimentieren zu bilden.

[Trimmer]

Hallo Georg - von " langweilig " kann wohl keine Rede sein . Ich lese Deine Beiträge sehr gerne und dümmer wird man bestimmt nicht davon. Aber mir fehlen einfach die/Deine Fachkenntnisse - also einfach bitte weiter machen auch wenn Du hier wenige direkte Reaktionen erhälst

Gruß - Achim - Trimmer

[Turbo-Georg]

Hallo Achim, hallo Modellbaufreunde,
es wird immer eine Besonderheit dieses Forums sein, für einen so speziellen und letztlich auch stofflich nicht unbedingt leicht verdaulichen Beitrag, eine so große Zahl der vielseitig interessierten Leser zu finden.

Ich habe zwar den Teil der theoretischen Untersuchung, aber nicht den Beitrag an sich abgeschlossen.
Als Nächstes werde ich mich mit der konstruktiven Umsetzung meiner Überlegungen befassen und kann hoffentlich zur gegebenen Zeit auch einige brauchbare Hinweise liefern.

Ich würde mich freuen, wenn es mir wieder gelingen würde, wie bei der Stumpf-Turbine, einen oder auch mehrere ambitionierte Modellbauer mit der entsprechenden technischen Ausstattung zu finden, die meine theoretischen Überlegungen in die Praxis umsetzen.
Meine vollste Unterstützung wäre ihnen gewiss.
Es wird kein leichter Weg, aber die Chance mit der ersten Gas-Dampf-Turbine als Antrieb in die ,,Annalen der Modellbau-Geschichte" einzugehen, dürfte ein zusätzlicher Anreiz sein.

[Turbo-Georg]

Schon bei der ersten Idee zu einer direkt beheizten Modell-Dampfturbine hatte ich vor meinem geistigen Auge ein recht klares Bild von ihrer äußeren Erscheinung.

Aber leider kann man vom „Kopfkino“ noch keine Kopien anfertigen.
Ich greife deshalb gerne auf die gute, alte Freihandskizze zurück, um vor allem nächtliche Gedanken am nächsten Tag wieder aufgreifen zu können.

Obwohl die Hände etwas „zittriger“ geworden sind und die Zeiten eines gerade geführten Freihand-Strichs längst vorbei sind, benötige ich mit ein paar kleinen Korrekturen hierfür nur wenige Minuten.
Mein altes Becker-CAD ist viel langsamer und auch umständlicher.

Im Anhang findet ihr eine solche Handskizze als Design-Entwurf.
Sie bildet in der Regel die Grundlage für das Herantasten an die endgültige konstruktive Gestaltung.

[Turbo-Georg]

Vor einem ersten Konstruktionsentwurf, fassen wir die bisher rechnerisch ermittelten Größen nochmals zusammen:

1 Laufrad, Durchmesser 80 mm,
3 Düsen mit einem Querschnitt von 2 mm², demnach
3 Verdampferkammern F_Vd ≈ 20 cm²,
1 Vorwärmer F = 26 cm².

Der Außendurchmesser unserer Turbine wird weitgehend vom Rad-Durchmesser bestimmt.

Das Turbinengehäuse wird zur Senkung der Außenhaut-Temperatur wiederum doppelwandig ausgeführt; ähnlich unserem geregelten Durchlaufkessel.
Im Gegensatz hierzu leiten wir aber zur Kühlung nicht die vorzuwärmende Gebläseluft durch die Doppelwand, sondern den Abdampf der Turbine.
Der Dampf verlässt die Turbinenschaufeln mit ca. 100 °C und wird auf seinem Weg zum Schornstein weitere Wärme von den Brennraumwänden aufnehmen. Hierdurch wird der Abdampf zwar überhitzt, aber frei von Kondensat sein.
Die Außenhaut wird deshalb deutlich mehr als „handwarm“, aber der Isolieraufwand wird sich auf eine Lage Nefalit oder Kork beschränken lassen.

Unsere Verdampferkammer soll eine innere Heizfläche von ca. 20 cm² haben.
Bekanntlich haben Kugeln bzw. Geschoss- oder Torpedo-Formen nicht nur eine günstige Aerodynamik, sondern auch die größte Oberfläche im Verhältnis zu ihren Raumbedarf.

Wir entscheiden uns also für eine, den Letztgenannten sehr ähnliche Form.

Durch außen angebrachte Rippen wird nicht nur die Heizfläche vergrößert, sondern der Verdampfer im Brennraum fixiert.
Neben der von außen zugeführten Verbrennungsluft für die drei Standard- Gasbrenner wird dem  Brennraum über einen Luftverteiler Gebläseluft zugeführt und mit den Verbrennungsgasen gemischt. Diese mäßige Zusatzluftmenge sorgt einerseits für die so genannte „erzwungene, turbulente Konvektion“ und andererseits neben einer ausreichenden Abgasgeschwindigkeit für die Überwindung der Strömungswiderstände des Vorwärmers.
Die Abgase werden vor dem Eintritt in den Vorwärmer durch Drall-Diffuser verwirbelt.

Der Vorwärmer besteht aus acht, hintereinander geschalteter Flachspiralen aus Kupferrohr; er arbeitet im Gegenstrom-Verfahren und seine Rohre werden vorwiegend quer angeströmt.
Ein Speisewasserverteiler führt das Speisewasser zu den Sprühdüsen in den Verdampfern.

Eine vereinfachte Darstellung dieser Turbine zeigt die angehangene Zeichnung.
Zum Größenvergleich dient der Skalier-Maßstab.

[iron dog]

Hallo Georg

Woher nimmst Du nur immer die guten Ideen für solche Konstruktionen?

So eine DT habe ich noch nie auch nur als Konzeptskizze gesehen und konnte mir ehrlich gesagt nicht viel darunter vorstellen. Das wird ja wieder interessant werden hier 

Gruss, Doggie

[Turbo-Georg]

Hallo Doggie,

so ist das eben mit den ,,Erfindungen".
Vor der Realität steht immer erst eine entscheidende Idee.

Mein Freund und Partner, unserer Forenmitglied Konni, ist der Meinung:
,,... das Ding wird ein Riesen-Wurf".

Es ist noch einiges an ,,Gehirnschmalz" und an Arbeit zu investieren, aber wir sind guten Mutes, damit dem Antrieb von Echtdampf-Modellen neue Möglichkeiten zu eröffnen.

Beim ersten Start kurz vorwärmen und ab geht  die Post.

Ha, ha, ha! ... und du, mein lieber Erik könntest deinen Enkeln erzählen, dass du dabei warst.

[iron dog]

Ha, ha, ha! ... und du, mein lieber Erik könntest deinen Enkeln erzählen, dass du dabei warst.

Das mit den Enkeln wird wohl noch etwas dauern 
Aber die Geschichte wird wohl dereinst erzählenswert sein.

Ich glaube auch, dass das Ding ein Riesenwurf ist. Vor allem, da diese Auslegung einer DT den knappen Bauraum in Modellbooten sehr effizient nutzt.

Da Du ja nach Modellbauern mit ausgeprägtem Hang zur Dampfturbine suchst; Ich habe mir bereits überlegt, ob ich diese Konstruktion mit meinen Mitteln (Zeit, Finanzen und Ausrüstung) bauen könnte. Könnte gehen. Werde mich bei Dir melden, wenn ich darf...

Gruss, Doggie

[Turbo-Georg]

Hallo Doggie,
du kämst deinem alten Wunsch, das Modell eines ,,Vierschraubers mit mehreren Turbinen" zu bauen, damit deutlich näher.
Meiner vollsten Unterstützung kannst du gewiss sein.
Ich würde mich auf eine Zusammenarbeit freuen.

[Turbo-Georg]

Liebe Modellbaufreunde,
im Gegensatz zur Modelldampfturbine mit Stumpf-Schaufeln, für die ich nahezu komplette Angaben zum Bau eines Prototyps gemacht habe, werde ich bei der direkt beheizten Dampfturbine hiervon Abstand nehmen.
Stattdessen werde ich mich auf grundlegende Bauhinweise beschränken.
Ich möchte damit nicht nur den unterschiedlichen, technologischen Gegebenheiten Rechnung tragen, sondern auch der eigenen Phantasie und Kreativität der Modellbauer Raum schaffen.
Ein Hauptaugenmerk wird dabei den wichtigen Experimenten zur optimalen Dimensionierung der Verdampfer gelten.

Der Turbinenteil ist für uns im Augenblick in sofern von zweitrangiger Bedeutung, als dass wir hier im Wesentlichen auf die Bauhinweise zur einstufigen Version der Stumpf-Turbine zurück greifen können.
Aus Gründen der Einfachheit verzichten wir anfangs auf Mehrstufigkeit ebenso, wie auf eine integrierte Rückwärtsturbine.
Wie bereits eingangs begründet, setzen wir stattdessen auf die Beaufschlagung über mehrere Düsen bzw. mehrere Verdampfer und greifen zum Manövrieren des Modells auf Wendegetriebe oder Verstellpropeller zurück. Für modernere Modelle wäre auch eine Kombination mit Pod- oder Jetantrieben denkbar.

Ich bin mir ziemlich sicher, dass sich irgendwann die Frage nach höherer Leistung stellen wird.
Die Gestaltung des Schaufelrades bietet noch einige Möglichkeiten zur optimalen Anpassung an den speziellen Einsatz in der direkt beheizten Dampfturbine.
Ein erster Schritt in diese Richtung ist die geänderte Schaufelanordnung gegenüber dem Rad des Stumpf-Prototyps.
Diese radiale Beschaufelung ist zwar für die Abdampfführung strömungsgünstiger, wird aber mit dem Nachteil erkauft, dass nur noch 30 Schaufeln auf dem Schaufelkranz unterkommen, damit sinkt der Gesamtwirkungsgrad um weitere 15 %.

[Turbo-Georg]

Eine erfolgreiche Umsetzung der Idee zu einer direkt beheizten Modelldampfturbine steht und fällt mit der Funktion der Verdampfer.

Es ist unbedingt ratsam, Form und Größe der Verdampfer, die erforderlichen Mengen an Gas und an Zusatzluft, ggf. auch die Form der Befeuerung vorher auf einem kleinen, externen Prüfstand  zu ermitteln.

Um erfolgreich Tests durchzuführen, müssen nicht nur die Ziele der Tests klar umrissen werden, sondern die einzelnen Testergebnisse müssen dokumentiert werden, um sie  nachvollziehbar zu machen.
Auch ungünstige Ergebnisse liefern letztlich wertvolle Erkenntnisse.
 
Gegenstand weiterer Untersuchungen wären darüber hinaus eine betriebssichere, elektronische  Zündanlage, vor Allem vor dem Gesichtspunkt einer späteren Leistungsregelung durch Abschaltung einzelner Brenner und ihrer sicheren erneuten Zündung, sowie für den Dauerbetrieb geeignete Zahnradpumpen zur Speisewasserförderung und Gebläsen für die Zusatzluft.

[halina]

Hallo  Georg  ,

Eine sehr hochinteressante Projektstudie die von Dir nun als Realisierung ansteht , ideal auch für diejenigen Modellbauer
die kleinere Schiffseinheiten bauen und damit räumlich begrenzt sind .  Ich glaube die grössten Schwierigkeiten bereiten
wohl die Entwicklung der Brennkammern und des damit verbundenen Dampferzeugungssystems .
Als Laie möchte ich mal die Frage stellen , welche Vorteile die von Dir bevorzugte externe Speisewasserversorgung gegenüber eines geschlossenen Systems mit Kondensator bringt , dieser hätte doch den Vorteil das bereits warmes Wasser
wieder in den Kreislauf gepumpt werden könnte ,  der Nachteil wäre dann das von aussen kommende See-Kühlwasser .


                                              Lieber Georg  , für Dein Projekt wünsche ich Dir den bestmöglichen Erfolg  ,         Grüsse  Günter

Edit :  Da mein Beispiel eines GUD-Blocksystems für Wirbel sorgte , habe ich dieses wieder aus meinem Beitrag gelöscht , ich
          hoffe dass damit wieder Ruhe einkehrt und das Thema wieder ohne störende Einflüsse weiterentwickelt werden kann
                                         

[Turbo-Georg]

Hallo Modellbaufreunde,
ich hoffe, dass irgendjemand auf den letzten Beitrag antwortet.

Ich will nicht unhöflich sein, aber unser Freund hat mal wieder überhaupt nicht verstanden, worum es geht.
Unsere direkt beheizte Dampfturbine hat mit einem GUD-Kraftwerk absolut nichts zu tun.

Die Idee ist offensichtlich noch zu neu, als dass man sich darüber bei Wiki schlau machen könnte oder sich ,,etwas zusammengoogelt".

Ich bitte auf Grund schlechter Erfahrung aber von endlosen ,,Off-Topik-Diskussionen" abzusehen.

Ich würde diesen Beitrag sehr gerne fortsetzen

[halina]

Moin  ,  das GUD - Blocksystem habe ich mal als Beispiel gebracht wie die Hochtemperatur-Abgase für die Dampferzeugung
genutzt werden für die Dampfturbine , und diese 2. Stufe ist ja in etwa Teil des neuen Projektes . Schön wäre es wenn ich
auf meine Frage auch eine Antwort bekommen könnte . Sollte Dein neues Thema nun nur noch Monolog- Beiträge beinhalten
so gebe bitte bekannt , dass zukünftig keine Fragen mehr erwünscht sind .