Thema: Falsche Leistungsangaben für Turbinenschiffe der KM in der (Fach)Literatur?

[Smutje Peter]

Hallo Sven

Mal sehen was ich da habe:

Dampfdruck: bis 70 atü
maximale Dampftemperatur: 400-450° C
Leistung der Anlage nach Konstruktion : 29000 WPs
Leistung je Turbine: 16000 WPs max.
Leistung der gesamten Anlage 32000 WPs max.
Wellendrehzahl nach Konstruktion: 463 U/min
max.: 470 U/min

mehr hab ich im Moment nicht sorry

edit:
Die Quelle ist Harnack (Quellenangabe vergesse ich immer wieder)

[Götz von Berlichingen]

Gib doch bitte mal die Leistung Konstruktion und Maximal an. Dazu bitte Dampf-Druck und Dampftemperatur. Dann kann ich dir den Dampfbedarf und den Ölverbrauch berechnen.

...mehr hab ich im Moment nicht sorry.

Die gesuchten Angaben beziehen sich auf Flottentorpedoboot 1939, oder?

Falls die Anlagen der Scharnhorst-Klasse gemeint sein sollten, die im ersten Beitrag des Threads genannt wurden, so gibt Breyer (MA 2 & 3, sowie »Die Schlachtschiffe der Scharnhorst-Klasse«) folgende Werte an:

Dampfdruck 44 atü (bzw. in MA 2 & 3 ata)
Dampftemperatur 470 °C
(jeweils beim Eintritt in die Turbinen)

[Smutje Peter]

Ja ging um das FT-boot 39 aber danke für Deine Daten!

 

[Sven L.]

Dank an euch. Mit den Zahlen kann ich arbeiten.

[Sven L.]

Mit den angegebenen Werten liegt der Dampfbedarf je Turbine, zzgl. 10% für Hilfsaggregate, bei

Normallast: 38,2 t/h (90%)
Höchstlast : 42,4 t/h (100%)

Die Verdampfungsziffer liegt bei 15,38 resp. 15,35

Der Ölverbrauch je Kessel liegt bei
Normallast: 4,96 t/h
Höchstlast : 5,52 t/h

Grundlage der Berechnungen: Dampfkessel und Feuerungen, Arthur Zinzen, zweite Auflage

[Peter K.]

Der Autor heißt Arthur ZINZEN, nicht ZINSEN.

[Sven L.]

Danke Peter, Schreibfehler ist korrigiert.

[Peter K.]

Mit den angegebenen Werten liegt der Dampfbedarf je Turbine, zzgl. 10% für Hilfsaggregate, bei

Normallast: 38,2 t/h (90%)
Höchstlast : 42,4 t/h (100%)

Die Verdampfungsziffer liegt bei 15,38 resp. 15,35

Diese Angaben scheinen im Vergleich zu den Vorgängerbooten (T 13 - 21) zweifelhaft, denn jeder deren 4 Kessel erzeugte 33 t Dampf pro Stunde bei einer Verdampfungsziffer von 12,1 (bezogen auf 9.300 WE / kg)
Quelle: Siegfried BOCK, Kesselanlagen deutscher Kriegsschiffe, in: Schiff und Zeit, Heft 1, Seite 64-65

[Sven L.]

Da das Nachrechnen von Dampfaggregaten ohne vollständige Informationen durchaus fehlerbehaftet sein kann, will ich das ganze etwas aufdröseln.
Ausgangslage sind die Informationen von SmutjePeter:

Dampfdruck               p_a = 70 ata
Dampftemperatur       t  = 450 °C
Konstruktionsleistung  14.500 PSw je Turbine

Für die Berechnung des Dampfbedarfs der Turbine sind die übrigen Angaben nicht relevant. Damit der Dampfbedarf berechnet werden kann wird noch der Enddruck pe benötigt. Hier musste ich eine Annahme treffen. Ich habe p_e = 0,05 ata angenommen. Mittels Mollier (IS-Diagramm oder Tabelle) ergeben sich nun:
i  = 792,5 kcal
i_e = 487,2 kcal

somit ergibt sich ein Wärmegefälle

h_t = i – i_e = 305,3 kcal

Die nächste Unbekannte ist nun der Wirkungsgrad. Hier musste mir Prof. Const. Zietemann weiterhelfen. Er bietet eine Tabelle wo sich abgestuft nach Turbinenleistung Wirkungsgrade (von/bis) finden. Demnach ergibt sich durch Interpolation ein Wirkungsgrad von

η_e = 0,819 = 81,9%

Ausgangswerte für die Interpolation sind:

10.000 PS	15.000 PS
0,790	0,800
0,840	0,845

Ob sich dieser Wirkungsgrad mit dem tatsächlichen der ausgeführten Turbinenanlage deckt weiß ich nicht. Darum auch nur eine Annahme.
Nun errechnet sich der der Dampfbedarf mittels

D_e = 632,3 / (h_t * η_e) = 632,3 / (305,3 * 0,819) = 2,53 kg/PSeh

Somit ist der unzweifelhafte Dampfbedarf einer Turbine bei einer Konstruktionsleistung von 14.500 PS

D = 2,53 * 14.500 = 36.685 kg/h = 36,7 t/h

Ändert sich ein oder mehrere Eingangsparameter, ändert sich ebenfalls das Ergebnis. Wenn z.B. die Dampftemperatur mit 400 °C angenommen wird, ergibt sich ein Dampfbedarf D von 38,65 t/h. Ändere ich hingegen den Dampfdruck von 70 auf 60 ata und belasse die Temperatur bei 450 °C dann ergibt D = 37,1 t/h. Bei 60 ata und 400 °C ergibt D = 39,3 t/h. Hierbei immer p_e zu 0,05 angenommen.
Bei 70 ata und 450 °C aber Enddruck pe zu 0,04 angenommen ergibt sich ein Dampfbedarf von nur noch 35.990 kg/h = 35,99 t/h.

Diese Berechnung ist vom Heizwert des Brennstoffes vollkommen unabhängig!

Das Zweifelhafte kann sich also nur auf die beiden Annahmen beziehen, die ich treffen musste.
Ich habe die Normalleistung der Turbine mit der Konstruktionsleistung des Schiffes gleichgesetzt. Ob dies tatsächlich zutrifft entzieht sich meiner Kenntnis. Auf jeden Fall muss nun noch über den Mehrbedarf an Dampf bei Mehr- oder Minderleistung der Turbine sprechen. Auch hierfür gibt es bei Prof. Const. Zietemann entsprechende Angaben.

Zuschläge für Teilbelastungen

Teilbelastung	3/4	1/2	1/4	Last
Zuschläge zum	3%	9%	21%	bei gleicher Kühlwassermenge
Dampfverbrauch	4%	11%	24%	bei gleichem Vakuum

Zuschläge für Überlastung

Überlastung	10%	15%	20%	25%
Zuschläge in %	0	1	2	3

Tabellen nach Prof. Const. Zieteman, Die Dampfturbinen Teil I, Sammlung Göschen Band 274, 1932, Seite 123

Zu den Dampfkesseln äußere ich mich morgen, da ich mich jetzt auf meine Schicht vorbereiten muss.

[Sven L.]

Erfreulicherweise hat die heutige Orderabfrage ergeben, dass im Hafen zu wenig Schiffe liegen, als dass allen Kollegen eine Arbeit zugewiesen werden konnte. Heißt angenehmer weise - bezahlt die Füße hochzulegen. Ich liebe schlechtes Wetter 

Aber um auf das Thema zu kommen.

Peter K. schrieb das die Kessel bei einem Unteren Heizwert (Hu) von 9.300 kcal/kg eine Verdampfungsziffer von 12,1 gehabt haben sollen. Ich hatte rund 15,3 errechnet. Ich habe dabei nicht angegeben das ich mit einem gänzlichen anderen Hu von rd. 10.260 kcal/kg gerechnet habe. Stellt sich die Frage nach dem Warum.

Klären wir doch erst einmal, wie sich der Untere Heizwert errechnen läßt. In die Formel fließen Anteile von Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Schwefel (S) und Wasser (W) ein. Die Formel lautet:

Hu = 8080*(C)+2210*(S)+28600*(H)-600*(W)-3570*(O)

Wenn nun die chemischen Elemente mit ihrem entsprechendem prozentualem Anteil eingefügt werden, ergibt sich der Untere Heizwert. Hierin liegt nun die Schwierigkeit. Ich hatte ich für eine Aufteilung von (C) 84%, (H) 12%, (O) 0,5%, (N) 0,3%, (S) 2,8% und (W) 0,4% entschieden. Inzwischen habe ich ein Liste verschiedener Heizöle mit entsprechender Aufteilung gefunden. Ich werde morgen die Heizöle nachrechnen und schauen, ob sich da Unterschiede ergeben. Bericht folgt dann.

Bei den von Peter genannten Hu von 9.300 kcal/kg kann es sich eigentlich nur um Steinkohlenteeröl handeln. Also habe ich mit dem Wert von 9.300 kcal/kg neu gerechnet.
Als Ergebnis ergab sich eine Verdampfungsziffer von 14,0! Nach kurzem kratzen am Kopf und weiterem Studium diverser Literatur bin ich im Handbuch für Schiffsingenieure unnd Seemaschinisten von E. Ludwig/K. Illies fündig geworden. Ein umrechen der Verdampfungsziffer auf Normaldampf ist angesagt. 
Durch die von der Turbine her bekannten Grundwerte ergibt sich für den Kessel eine

Erzeugungswärme für den Heißdampf

582,8

kcal/kg

und der weitere Rechengang lautet  -  d = 14,0 * 582,8 / 640 = 12,75

Dies ist zwar nicht die 12,1 welche Peter K. zitiert hat, aber weil z.B. nicht die Abgastemperatur, welche Einfluss auf den Kesselwirkungsgrad und somit die Verdampfungsziffer hat, genannt worden ist, musste hier leider ebenfalls ein Annahme gemacht werden.

[Peter K.]

Meiner Meinung nach darfst du beispielsweise weder die Wellenleistung noch den Kesseldruck ohne Abschläge für die Berechnung des Dampfbedarfs einer Turbine verwenden.

Aus der bereits genannten Quelle noch einmal genauere Angaben zu den Kesseln von T 13 - T 18 für Vergleichszwecke:
Heizfläche je Kessel: 150 m²
Dampferzeugung je Kessel: 33 (erprobt 32,4) t/h
Kesseldruck: 70 (erprobt 70) atü
Dampftemperatur: 284 (erprobt 284) °C Sattdampf, 415 (erprobt 417) °C Heißdampf
Erzeugungswärme je Kessel: 628 (erprobt 631,9) WE/kg
Kesselwirkungsgrad: 82 (erprobt 75,1) %
Abgastemperatur: 360 (erprobt 450) °C
Verdampfungsziffer: 12,1 (erprobt 11,1)
Kesselrauminhalt: 47,22 (erprobt 47,22) m³
Kesselgewicht inkl. Wasser: 23,3 (erprobt 23,3) t

[Sven L.]

Aus der bereits genannten Quelle noch einmal genauere Angaben zu den Kesseln von T 13 - T 18 für Vergleichszwecke:
Heizfläche je Kessel: 150 m²
Dampferzeugung je Kessel: 33 (erprobt 32,4) t/h
Kesseldruck: 70 (erprobt 70) atü
Dampftemperatur: 284 (erprobt 284) °C Sattdampf, 415 (erprobt 417) °C Heißdampf
Erzeugungswärme je Kessel: 628 (erprobt 631,9) WE/kg
Kesselwirkungsgrad: 82 (erprobt 75,1) %
Abgastemperatur: 360 (erprobt 450) °C
Verdampfungsziffer: 12,1 (erprobt 11,1)
Kesselrauminhalt: 47,22 (erprobt 47,22) m³
Kesselgewicht inkl. Wasser: 23,3 (erprobt 23,3) t

Danke für die Zahlen. Aus zwei Gründen sehr hilfreich!

• Die Abgastemperatur hat wesentlichen Einfluss auf den Kesselwirkungsgrad und somit auf die Verdampfungsziffer. Jetzt errechne ich eine Verdampfungsziffer von 12,31 und normalisiert ergibt diese die von dir genannten 12,1. Paßt also 
• Mit der von dir genannten Erzeugungswärme konnte ich die Speisewassertemperatur emitteln. Diese lag/liegt bei ~140 °C

Jetzt kann man in einer sehr langen und umfangreichen Berechnung ausrechnen ob die gewählte Auslegung (Verdampfer, Überhitzer und Vorwärmer)
den Anforderungen entspricht. Hierzu würde man noch die Kesselabmessungen und die Rohrdurchmesser bzw. abstände usw. benötigen.
In jedem Fall reicht das obige aus um den Brennstoffverbrauch der Kessel bei Höchstlast mit 10,68 t/h Dampfleistung (bei 33*4 = 132 t/h) zu beziffern.

Meiner Meinung nach darfst du beispielsweise weder die Wellenleistung noch den Kesseldruck ohne Abschläge für die Berechnung des Dampfbedarfs einer Turbine verwenden.

Was die Wellenleistung betrifft müsste man wissen wo die genau gemessen wurde. Vor- oder hinter dem Getriebe? Im ersteren Fall muss ich nichts von der Wellenleistung abziehen und im letzteren Fall bei einem Einfachen Untersetzungsgetriebe rd. 2% und bei einem Doppelt untersetzem Getriebe rd. 4% auf die Wellenleistung aufschlagen. Da ich von ersterem ausgehe würde, wären es 16.320 statt 16.000 PS je Turbine bei Höchstlast und 14.790 statt 14.500 PS bei Normallast (Grundauslegung der Turbine). Dies entspräche einem Dampfbedarf der Turbinen bei Normallast von 37,99 t/h statt 37,24 t/h. Kein wesentlicher Unterschied.
Viel wichtiger wäre es zu wissen, wie hoch der Dampfbedarf der Hilfsaggregate wäre - Heizöl-, Speisewasser-, Kühlwasser-, Leckpumpen usw. sofern diese Dampfbetrieben gewesen sind. Bei den Leckpumpen tippe ich, nach allem was ich bislang gelesen habe, bei der KM auf elektrischem Antrieb, aber der Rest wurde mit Dampf betrieben. Evtl. beim Anfahren der Anlage elektrisch, da noch kein Dampf zur Verfügung stand. Ausgehend von dem errechneten Dampfbedarf der Turbinen, das sind rd. 86,9 t/h, nochmals 51,9% aufschlagen um auf die 132 t/h Gesamtleistung der Kessel zu kommen.  Nach K. Illies konnte der Dampfbedarf der Hilfsaggregate bis zu 40% des Dampfbedarfes der Antriebsturbinen betragen. Aber wie schon erwähnt, ohne genaue Angaben über die Hilfsaggregate kann ich hierzu keine Aussage treffen, außer das ich den Wert von 51,9% für sehr hoch halte.
Was denn Kesseldruck betrifft stimme ich dir durchaus zu, möchte jedoch anmerken, das beim Hochdruck-Heißdampf die Verluste in den Leitungen durch den geringeren Reibungswiderstand geringer ausfallen als beim Nassdampf. Wenn ich statt der 70 at.abs. nur 65 zum Berechnen nehme, erhöht sich bei Volllast (Normallast) der Dampfverbrauch nur um 0,01 kg/PS_eh, oder um 166 kg/h.

[Peter K.]

Mit der von dir genannten Erzeugungswärme konnte ich die Speisewassertemperatur emitteln. Diese lag/liegt bei ~140 °C

... nach genannter Quelle: 135 (erprobt 133) °C

... Rohrdurchmesser ...

... nach genannter Quelle: 25 mm

Was die Wellenleistung betrifft müsste man wissen wo die genau gemessen wurde. Vor- oder hinter dem Getriebe?

Ganz zweifellos bezeichnet die Wellenleistung jene Leistung, die an den Propeller abgegeben wird. Sie wird also unbedingt hinter dem Getriebe gemessen. Beim einfach untersetzten Rädergetriebe gehe ich gerne mit dem von dir vorgeschlagenen Abzug von 2 % konform, würden aber auch noch einen weiteren Prozentpunkt für Reibungsverluste (Wellenlager, Stopfbuchse, ...) von der Turbinenleistung abziehen. Bei der Wellenleistung eines Turbinensatzes von 14.500 WPS ergäbe sich meiner Meinung nach also eine Turbinenleistung von rund 14.950 PS.

[Sven L.]

Das mit dem Speisewasser passt, weil ich 420 Grad gerechnet hatte.

Hatte von TurboGeorg mal Unterlagen über bei der KM verwendet Kessel bekommen. Da steht's auch 25/20. Also 2,5 mm Wandstärke. Aber zum berechnen werden noch Rohrabstände der einzelnen Gruppen benötigt und ggf die Abstände der Rohrreihen.

Habe im Illies nochmal das Kapitel über Getriebe gelesen. Demnach sind die 14.950 PS vollkommen ok.

[Peter K.]

Diese Kesselunterlagen würden mich bei Gelegenheit interessieren ...