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Autor Thema: Die Dampfturbine im Modellbau  (Gelesen 33355 mal)

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Offline Turbo-Georg

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Die Dampfturbine im Modellbau
« am: 18 August 2010, 10:12:10 »
Die Dampfturbine im Modellbau
Wer hätte voraussagen können, dass eines Tages Flugmodelle mit Kerosin betriebenen Strahltriebwerken fast zur Selbstverständlichkeit würden. Der Weg, den hier Modellbauer mit Pioniergeist begangen haben, war gewiss lang und steinig und die zu lösenden Probleme bestimmt nicht gering. Umso erstaunlicher ist, dass die ältere Schwester von Strahltriebwerk und Gasturbine, nämlich die Dampfturbine, als Antrieb im Modellbau so ein Aschenbuttel-Dasein fristet.
Die Modell-Dampfturbine hat jedoch als Antrieb oder als Standmodell auf Dauer eine gute Chance, wenn sie ihre zweifelsfrei vorhandenen Vorteile auch zur Geltung bringen kann.
Der niedrigere Bauaufwand, sowie der geringere Platzbedarf sind im Vergleich zu einer Kolbenmaschine gleicher Leistung ebenso wichtige Faktoren, wie günstiges Leistungsgewicht und Laufruhe. Die Dampfturbine lässt sich leicht in Gang setzen und erfordert kaum Wartung.

Die funktionellen Abläufe in einer Kolben-Dampfmaschine sind auch von technisch weniger Vorbelasteten gut nachvollziehbar. Das richtige Verständnis über die Wirkung des Dampfes in den Düsen und Schaufeln einer Dampfturbine ist etwas schwieriger.
Bei den nicht sehr zahlreichen „Turbinen-Freunden“ sind die Vorstellungen über die Funktion der Dampfturbine häufig vom Wasserrad oder der Wasserturbine geprägt. Man findet daher mitunter Modell-Turbinen mit einfachen Zahnrädern, Zahnrad ähnlichen oder dem „Pelton-Rad“ nachempfundenen Laufrad-Konstruktionen.
Dieser verbreiteten Nutzung des Energieimpulses, also der Stoßkraft des Dampfes sind aber leistungsmäßig schnell Grenzen gesetzt. Die hierbei verwendeten Schaufeln sind zwar vergleichsweise einfach und leicht herzustellen, aber bei etwas höheren Leistungen werden der Wirkungsgrad und damit der Dampfverbrauch sehr ungünstig. Dampf verhält sich nämlich anders als Wasser. Das zeigt u.a. auch die Erfahrung der Betreiber derartiger Turbinen beim häufig vergeblichen Versuch  durch Druckerhöhung  eine wesentliche Leistungssteigerung zu erzielen.
Bei größeren Leistungen wird man daher wohl auf die, dem Großbetrieb sehr ähnlichen Bauformen mit Strahlumlenkung in Profilschaufeln zurückgreifen müssen. Die benötigen allerdings hochwertige Strömungswege, frei von Stoßkanten, Strömungshindernissen oder vermeidbarer Reibung. Der Dampf wirkt hier nicht durch Stoß auf die Schaufelflächen, sondern durch die Zentrifugalkraft der Dampfteilchen beim Durchströmen der Schaufelkrümmungen, als Bahndruck bezeichnet. Der Dampf wird durch Entspannung in den Düsen beschleunigt, also seine ruhende Energie in Form von Dampfdruck in Bewegungsenergie in Form von Dampfgeschwindigkeit umgesetzt.
Grundvoraussetzung hierbei ist ein geschlossener, wirbelfreier Dampfstrahl. Der ist aber bei den im Modellbau vorwiegend einfachen Düsen nur bis zu einem bestimmten Druckverhältnis gegeben. An der Düsenmündung stellt sich immer nur ein bestimmter Minimal-Druck ein, kritischer Druck oder Laval-Druck genannt.
Bei Überschreitung des kritischen Drucks expandiert der Dampf erst hinter der Düsenmündung explosionsartig. Der Dampf kann die Düse nicht mehr in einem geschlossenen Strahl verlassen und ist durch starke Verwirbelung für eine wirkungsvolle Arbeitsleistung in den Schaufeln ungeeignet. Die Grenze zum kritischen Druck liegt bei Auspuffbetrieb bereits weit unterhalb des Betriebsdrucks von 1 bar. Auch die Dampf-Geschwindigkeit erreicht nur einen bestimmten Maximalwert, die kritische Geschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit des Dampfes). Um einen optimalen Wirkungsgrad am Laufrad zu erzielen, muss wiederum die Dampf-Geschwindigkeit am Düsenaustritt in einem bestimmten Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit, also dem Durchmesser und der Drehzahl des Laufrades stehen. Dem richtigen Schaufelprofil kommt zwar eine besondere Bedeutung zu, aber erst die optimale Abstimmung aller mechanischen und thermischen Größen, sowie die Minimierung jeder Art von Verlusten bringen bei Dampfturbinen die geforderte Leistung und einen akzeptablen Dampfverbrauch.
Als Antrieb für ein Schiffsmodell zeigt die Dampfturbine nicht nur die o.a. Vorteile gegenüber der Kolbendampfmaschine.
Nachteilig ist zweifellos, dass sie sich nicht umsteuern lässt, das heißt sie kann nicht rückwärts laufen. Weiterhin ist die, zumindest für einen Schiffsantrieb, recht hohe Drehzahl und die eingeschränkte Drosselbarkeit problematisch.  
Nutzt man diese vermeintlichen Schwächen der Dampfturbine jedoch als Stärken, so wird man erstaunliche Resultate erzielen.
Wie im früheren Großbetrieb bietet neben dem konventionellen Antriebsstrang (Getriebe) der turbo-elektrische Antrieb nicht nur die günstigsten Betriebsbedingungen für eine Dampfturbine, sondern ermöglicht neben einer direkten Generator-Motor-Kopplung über ein Pol-Wenderelais (…falsche Leonard-Schaltung.) ggf. auch die Nutzung der elektronischen Antriebs-Regelung. Ein mechanisches Getriebe zur Reduzierung der Schraubendrehzahl sowie dem Wechsel der Drehrichtung würde hier entfallen. Das Gewicht des Generators und der Elektromotoren müsste allerdings in Kauf genommen werden. Die Möglichkeit der besseren Gewichtsverteilung, sowie der Einsatz von Querstrom-Propeller oder Aktivruder würden aber gewissermaßen den Aufwand rechtfertigen.
Eines sollte aber grundsätzlich bedacht werden: Die vermeintlichen Vorteile eines Turbinen- Antriebes können nur zu Geltung kommen, wenn der gesamte Antrieb mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad arbeitet. Das erfordert vorrangig einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Turbine selbst, also eine ausreichende Antriebsleistung bei niedrigem Dampfverbrauch, sowie einem leistungsfähigen Kessel und ggf. den Einsatz eines verlustarmen Generators sowie verlustarmer Antriebsmotoren.  
Das steht aber erst einmal im krassen Widerspruch zu den häufigsten Erfahrungen mit Modell-Dampfturbinen, denn sie kennzeichnen sich meistens durch geringe Leistung bei recht hohem Dampfverbrauch. Die Ursachen hierfür liegen oft an Unzulänglichkeiten der Konstruktion und den häufig sehr ungünstigen thermischen Betriebsbedingungen.
Mit der Energie eines Dampfstrahls lässt sich so ziemlich alles was irgendwelche Angriffsflächen bietet und sich dreht, auch in Bewegung versetzen. Aber mit welchem Nutzen und um welchen (Dampf-)Preis.
Beim Antrieb durch eine Dampfturbine sind deshalb vor dem Bau einige Überlegungen anzustellen. Frust und Enttäuschung über das Bauergebnis sind bis zu einem gewissen Maße vermeidbar, wenn man sich bereits in der Planungsphase eines Projektes über die wesentlichen Eckdaten des Antriebs Klarheit verschafft.
Ein Vorgehen nach dem „Gefühl aus dem Bauch“ wird eine Kolbenmaschine bis zu einem gewissen Maß tolerieren, ein befriedigender, vor allem wirtschaftlicher Turbinenbetrieb im erhöhten Leistungsbereich ist aber damit schwer möglich. Man wird also vor der Turbinenkonstruktion um einige ggf. auch rechnerische Festlegungen nicht herum kommen.
Bei der Konstruktion und dem Betrieb von Modell-Dampfturbinen gelten wie im Großbetrieb vorrangig die Gesetze der Wärmelehre sowie der Strömungslehre. Es ist also von Vorteil, wenn man die wichtigsten physikalischen Zusammenhänge kennt und ein wenig mit der Anwendung von Dampftafeln und Wärme-Diagrammen vertraut ist.

Georg W. Held
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Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #1 am: 19 August 2010, 18:20:56 »
Die Dampfgeschwindigkeiten und deren Winkel am Schaufeleintritt einer Dampfturbine werden an Hand der Grafik (Geschwindigkeits-Parallelogramm) erläutert.
Der Dampf wird bei seiner Entspannung in der Düse auf eine bestimmte Austritts-Geschwindigkeit beschleunigt. Die Höhe der Dampfgeschwindigkeit (rot) ist vom Energieinhalt (Wärmegefälle) des Dampfes abhängig. Unterschiedliche oder instabile Dampfwerte bewirken verschieden hohe Geschwindigkeiten. Würde das Rad still stehen, würde der Dampf unter dem Düsen-Winkel in die Schaufeln eintreten. Unter realen Bedingungen bewegt sich das Rad aber mit einer bestimmten Umfangs-Geschwindigkeit (gelb). Zusammen bewirken die beiden Geschwindigkeiten an der Schaufelkante eine relative Dampfgeschwindigkeit (orange). Der Dampf bekommt eine neue Richtung, den Dampf- bzw. Schaufel-Eintrittswinkel
Jede Änderung der Geschwindigkeits-Werte bewirkt eine Änderung des Eintrittswinkels und damit eine mehr oder weniger große, bremsende Wirkung durch Dampfstoß auf den Schaufelrücken oder in die Schaufelkrümmung (Bauchstoß).
Die Bewegungsenergie des Dampfes soll in der Schaufelkrümmung möglichst verlustfrei auf das Rad übergehen (Bahndruck). Der Dampf soll dabei die Schaufelkanäle möglichst ohne Stöße, Wirbel oder Reibung durchströmen. Der ideale Schaufelkrümmungsradius entspricht dabei in etwa der doppelten Kanalbreite. Die Kanalbreite und die Schaufelhöhe hängen wiederum von der Dampfmenge ab, die die Turbine durchströmen muss, um eine bestimmte Leistung zu erbringen.
Der höchste Wirkungsgrad am Radumfang wird z.B. bei einer einstufigen Turbine erzielt, wenn die Dampfgeschwindigkeit am Düsenaustritt der zweifachen Umfangs-Geschwindigkeit des Rades entspricht. Jede Abweichung von diesem Verhältnis bedeutete eine Minderung des Wirkungsgrades. Die mitunter noch recht hohe Schaufel-Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes würde ggf. in weiteren Schaufelrädern (Stufen) zur Arbeitsleistung heran gezogen.
Man spricht dann von Geschwindigkeitsstufung. Es gibt noch andere Bauformen zur Verarbeitung größerer Wärmegefälle, z.B. die Druckstufung oder eine Kombinationen von Beiden.

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Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #2 am: 20 August 2010, 10:20:27 »
Wir unterscheiden die Bauformen der Dampfturbinen im Wesentlichen nach,
1.   dem Druck-Verhältnis an den Schaufeln, in Gleichdruck- oder Überdruckturbinen,
2.   nach der Richtung des Dampfstromes, in Längs- oder Querstromturbinen und
3.   der Art der Stufung bei mehreren Stufen, in Geschwindigkeits- oder Druckstufen

Die Dampfkanäle zwischen den Schaufeln von Gleichdruck-Turbinen haben einen fast unveränderlichen Querschnitt. Vor und hinter den Schaufeln, also in der gesamten Radkammer herrscht der gleiche Druck p0; bei überwiegendem Auspuffbetrieb im Modellbau, ist das der atmosphärische Umgebungs-Druck. Das erspart die aufwendige Abdichtung von Gehäuseteilen und der Wellendurchführung. Gleichdruck-Turbinen gestatten eine partielle, also teilweise Beaufschlagung ihrer Schaufelnkränze durch eine oder mehrere Düsen.
Die Dampfkanäle der Schaufeln von Überdruck-Turbinen dagegen, haben die Form einer Düse, in ihnen erfolgt Umwandlung von Druck in Geschwindigkeit. An ihren jeweiligen Schaufelkränzen entsteht ein Druckgefälle (Druckstufung) mit kaum vermeidbaren Dampf-Verlusten durch Druckausgleich an den Längs- und Querspalten. Die Schaufeln sind auf Grund ihrer Form schwieriger in der Herstellung und benötigen darüber hinaus die volle Beaufschlagung des gesamten Schaufelkranzes mit  Dampf. Eine Vielzahl von Düsen muss hierzu über den gesamten Umfang verteilt werden. Überdruck-Turbinen sind u.a. aus diesen Gründen für den Modellbau ungeeignet.
Die Turbinenschaufeln werden am häufigsten auf dem Umfang eines Rades oder einer Trommel angeordnet. Der Dampf durchströmt die Schaufeln in Achsrichtung. Diese häufigste Bauweise nennt man Längsstrom- oder Axialturbine. Werden die Schaufeln auf der Stirnseite eines Rades aufgebracht und der Dampf strömt quer zur Achsrichtung, sprechen wir von der Querstrom- bzw. Radialturbine.
Bei Turbinen mit Geschwindigkeitsstufen wird, wie bei der einstufigen Laval-Turbine das gesamte Dampf-Druckgefälle p1 – p0 durch die Düse oder die Düsen in die Dampf-Geschwindigkeit c1 umgesetzt. Der Dampfstrahl gelangt mit dieser Geschwindigkeit in den ersten Schaufelkranz des Laufrades, nach seinem Erfinder auch Curtis-Rad oder C-Rad genannt. Der Dampf verlässt die ersten Schaufeln mit der noch recht hohen Geschwindigkeit c2’. In feststehenden, so genannten Leitschaufeln wird der Dampf umgelenkt und tritt mit der Geschwindigkeit c1’ in den zweiten Laufschaufelkranz. Durch den Übergang von Bewegungsenergie des Dampfes auf das Schaufelrad, erfolgt eine stufenweise Herabsetzung der Dampf-Austritts-Geschwindigkeit c2 auf einen genügend niedrigen Wert. Durch die niedrigeren Dampf-Geschwindigkeiten in den Stufen, kann die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades, das heißt, Drehzahl und Raddurchmesser in zweckmäßigen Grenzen gehalten werden.  Eine, für Modellbauer günstigere Möglichkeit der Geschwindigkeitsstufung biete die Turbine mit wiederholter Beaufschlagung eines Laufrades. Sie zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus und wurde früher im Großbetrieb häufig für den Antrieb von kleineren Hilfsmaschinen  verwendet. Wie bei der Laval-Turbine ist nur ein Laufschaufelkranz erforderlich und die aufwendigen Leitschaufeln sind durch Leitkammern ersetzt; hier wird der Dampf umgelenkt, nachdem er die Laufschaufeln durchströmt hat. Der Dampf wird von der anderen Seite, aber an einer anderen Stelle erneut dem Schaufelkranz zugeführt.

Gleichdruck-Turbinen mit Druckstufung werden nach ihren Erfinder auch als Zoelly-Turbinen bezeichnet. Bei ihnen wird das Dampfdruckgefälle p1 – p0, oder was richtiger ist, das verfügbare Wärmegefälle des Dampfes, in einzelne, gleiche Stufengefälle aufgeteilt. Sie bestehen aus mehreren hintereinander angeordneten Kammern mit je einem Laufrad. Die Laufräder der einzelnen Kammern sind auf einer gemeinsamen Welle befestigt. Durch so genannte Zwischenböden sind die Kammern von einander getrennt. Die Zwischenböden sind gegen die Welle abgedichtet und beinhalten die Düsen der nächsten Stufe. Diese Bauform stellt also eine Hintereinanderschaltung von mehreren einstufigen Turbinen dar.
In den Düsen der einzelnen Stufen wird der Dampfdruck nur bis zum jeweiligen nächsten Stufendruck entspannt (p1 → p1’, p1’→ p1’’, p1’’→ p0). An den Düsenmündungen kann sich daher nur eine, dem Stufendruck-Gefälle entsprechend geringere Dampfgeschwindigkeit c1 einstellen.
Für große Modelle sind wie im Großbetrieb, auch Kombinationen verschiedener Bauformen denkbar. So etwa ein besonders leistungsfähiger und wirtschaftlicher Antrieb mit zwei Druckstufen (HD und ND), gebildet durch zwei, hintereinander geschaltete Einzel-Turbinen mit Geschwindigkeitsstufung durch wiederholtes Beaufschlagen ihrer Laufräder.
« Letzte Änderung: 20 August 2010, 14:02:04 von Turbo-Georg »
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Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #3 am: 20 August 2010, 15:47:42 »
Bei der Berechnung von Modell-Dampfturbinen sind die Regeln des Großbetriebes mit seinen besonderen Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit und seinen darauf ausgerichteten Betriebsbedingungen, nur sehr eingeschränkt übertragbar. Auch Herstellbarkeit und Kosten nötigen dem Modell-Konstrukteur Zugeständnisse und Kompromisse ab.
Im Gegensatz zur Kolben-Dampfmaschine toleriert eine Dampfturbine Abweichungen von den optimalen thermischen und konstruktiven Vorgaben sehr ungern. Selbst die qualitativen Anforderungen an den Dampf gehen deutlich über die der Kolbenmaschine hinaus. Auf Veränderungen der Dampfwerte, z.B. bei Drosselung reagiert sie äußerst widerstrebend.
 
Die, für Modellbauer deutlich vereinfachte Turbinenberechnung beschränkt sich auf die Anwendung einer überschaubaren Anzahl an Zahlenwertgleichungen, sowie grafischer Berechnungshilfen. Mit einem Schul-Taschenrechner sind unter Anwendung einfacher Grundrechenarten in etwa einem Dutzend Rechengängen bereits alle erforderlichen Werte zur Konstruktion einer einstufigen Modell-Dampfturbine, sowie der nötigen Kesselleistung zu berechnen. Mit Hilfe grafischer Konstruktionshilfen, dem so genannten Geschwindigkeitsplan und einem Mollier- bzw. h-s-Diagramms, werden Abmessungen, Formen und Winkel von Düsen und Schaufeln ermittelt.
Modell-Dampfturbinen erreichen im praktischen Betrieb häufig nur annähernd die Leistungsdaten, die ihren Berechnungen zu Grunde liegen, da zur Vereinfachung ihrer Berechnung einige Verlust-Faktoren nicht oder nur teilweise berücksichtigt werden.
Die vordringlichste Zielsetzung bei der Konstruktion und dem Bau von Modell-Dampfturbinen, sind daher Vorkehrungen zur Minimierung von Verlusten jeder Art, um den errechneten theoretischen Werten möglicht nahe zu kommen.
Die angehangene Zeichnung zeigt eine vierstufige Querstrom-Modell-Dampfturbine mit zwei Druckstufen in einem Turbinengehäuse mit Zwischenboden. Jede Druckstufe verfügt über  zwei Geschwindigkeitsstufen durch wiederholte Beaufschlagung des jeweiligen Laufrades über eine Umlenk- bzw. Leitkammer.
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Offline Captain Hans

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #4 am: 20 August 2010, 19:01:23 »
Hallo Turbo Georg

wie immer, deine Beschreinungen und Erklärungen sind einfach Klasse  top top top

viele Grüße

Hans
,Nur wer sich ändert,bleibt sich treu"!!!
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Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #5 am: 20 August 2010, 20:26:59 »
Hallo Hans,
es freut mich immer, gerade aus Deinem Munde Lob zu hören. Danke!


Herzliche Grüße nach Costa Rica
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Offline Nobody

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #6 am: 21 August 2010, 14:45:05 »
Sehr schön geschrieben, und die Bilder sind auch sehr hilfreich.

Wenn ich das richtig verstanden habe, handelt es sich bei den für den Modellbauer interessanten Turbinenvarianten um andere als die die Beispielsweise in Großkraftwerken eingesetzt werden?


Ein Turboelektrischer Antrieb für ein Modell hört sich für mich ebenso faszinierend wie kompliziert an. Nicht nur das man Turbine und Kessel genau aufeinander abstimmen muss, jetzt braucht man noch einen passenden Motor bzw. Generator dazu. (oder aber umgekehrt, Anpassung an einen bestimmten Generator)
Aus reiner Neugier: Wie groß ist eine solche Modellturbine, was leistet Sie und bei welcher Drehzahl? Wie groß ist ein dazu passender Kessel? (ein paar Beispiele wären nett falls verfügbar)

Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #7 am: 21 August 2010, 17:30:26 »
Hallo Nobody, hallo Freunde.

Die Fragestellung berührt ein wesentliches Problem bei Modell-Dampfturbinenturbinen.
Während eine maßstäbliche Verkleinerung einer Kolbendampfmaschine eine gute Chance hat auch zu laufen, ist das bei der einfacher Verkleinerung einer Dampfturbine des Großbetriebes nahezu unmöglich. Zumindest trifft das auf Großturbinen zu. Die auch heute noch   eingesetzten Dampfturbinen für den Antrieb kleinerer Hilfsmaschinen (Pumpen, Gebläse, Kleingeneratoren usw.) wären da schon eher geeignet. Je höher der Dampfdruck und die Dampftemperatur sind, umso günstiger werden bei Kraftwerksturbinen (…mehr als 250 bar und 500 Grad C), der Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit. Es wird durch den Einsatz von Hochtechnologie um jeden Bruchteil von Prozent gekämpft. Bei Kleinturbinen werden hier zu Gunsten des Preises deutliche Abstriche gemacht. Die Bedingungen des Modellbaus erfordern bezüglich Technologie und Wirtschaftlichkeit noch weiter gehende Zugeständnisse. Eine leistungsfähige Modell-Dampfturbine unterliegt jedoch den gleichen physikalischen Gesetzen (Wärmelehre, Strömungslehre) wie eine Großturbine, sie müssen nur den Gegebenheiten und den Anforderung des Modellbaus entsprechend angewendet werden.
Wer etwas tiefer einsteigen möchte, den verweise ich auf meinen Bericht „Die Dampfturbine im Modellbau" im „Journal Dampf + Heißluft“ Ausgabe 1/2010 oder an entsprechende Fachliteratur.
Die Sache mit dem turbo-elektrischen Antrieb gestaltet sich jedoch vergleichsweise einfach.
Die Dampfturbine treibt hier nicht über ein Getriebe die Schraubenwelle, sondern ist direkt mit einem geeigneten Generator (z.B. drehzahlfester Gleichstrommotor mit Permanentmagneten) gekoppelt. Der erzeugte Strom wird am einfachsten über einen doppelpoligen Umschalter (Drehrichtungsänderung) direkt auf den Antriebsmotor geschaltet. Man kann den Aufwand aber auch höher treiben.

Ich werde weiterhin zum Thema berichten und an Hand eines Beispiels (…der Dampfturbine für Reiners Bismarck 1 : 100) die wesentlichen Eckpunkte der Turbinenberechnung erläutern.
Hier der Link zu Reiners Bericht: http://forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,9114.0.html
« Letzte Änderung: 21 August 2010, 17:42:52 von Turbo-Georg »
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Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #8 am: 22 August 2010, 13:28:26 »
Das Modell der „Bismarck“ im Maßstab 1 : 100, also mit einer Länge von ca. 2,5 m und einem Gewicht von etwa 58 kg, dem Vorbild entsprechend durch eine Dampfturbine anzutreiben, stellt eine besondere modellbauerische Herausforderung dar. Ein Turbinen-Antrieb für ein Modell dieser Größenordnung ist vermutlich ohne Beispiel und bedeutet in vieler Hinsicht die Beschreitung von Neuland. Ein solches Projekt erfordert eine gehörige Portion Mut, Geduld und großes Durchstehvermögen.
Die wenigen Veröffentlichungen zum Thema Modell-Dampfturbinen erwiesen sich hier nicht nur als wenig hilfreich, sonder führten sogar in eine Sackgasse. Auch Reiner musste neben einigen anderen Turbinenfreunden diese leidvolle Erfahrung machen (nachzulesen auf  Reiners Homepage): http://schiffsmodell-bismarck.de/index.html
Die räumlichen Voraussetzungen im Rumpf der „Bismarck“ 1 : 100 erschienen auf den ersten Blick günstig. Der vorgesehene Kessel, auszuführen als dreizügiger Flammrohrkessel, füllt jedoch mit seinen Hilfsvorrichtungen und Armaturen den Raum in voller Breite aus. Dennoch würde auf Grund des zu erwarteten Dampfverbrauchs die nutzbare Kesselwassermenge nur für eine kurze Fahrzeit ausreichen. Deshalb wurde eine Nachspeisung des Kessels als notwendig erachtet. Die Frage: Nachspeisung durch mitgeführtes, chemisch aufbereitetet Frischwasser, Gewinnung des Speisewassers aus gefiltertem Seewasser oder Gewinnung von warmen Kondensat zur Kesselspeisung, wurde zu Gunsten des Letzteren entschieden. Um auf  zusätzliche Pumpen verzichten zu können, wurde auf die Nutzung der Schwerkraft gesetzt. Das erfordert eine Anordnung des Kondensators unter der Turbine und einen Kondensat- bzw. Speisewassertank im Doppelboden. Unter Berücksichtigung einer guten Zugänglichkeit bei Inbetriebnahme und Wartung ragte die Turbine hierdurch bereits über das Hauptdeck in die Aufbauten und musste auf einen max. Durchmesser (mit Wärmeschutz-Verkleidung) von etwa 100 mm begrenzt werden. Der, bei Modell-Dampfturbinen nicht unwichtige Durchmesser des Laufrades wurde somit auf ca. 80 mm festgesetzt. Unter zu Grunde Legung einer Turbinen-Nenndrehzahl von 20.000 U/min ergab sich eine mittlere Umfangs-Geschwindigkeit u am Schaufelkranz von etwa 80 m/s. Bei den vorgesehenen einfachen Düsen musste die Dampfaustrittsgeschwindigkeit c1 aus bekannten Gründen auf 400 m/s begrenzt werden. Das Verhältnis u/c1 ist damit 0,2 und der Wirkungsgrad von etwas mehr als 0,4 liegt somit weit ab vom höchstmöglichen Wirkungsgrad von 0,75 bei einstufigen Turbinen (u/c1 = 0,5). Die Nenndrehzahl von 20.000 U/min kann nicht erhöht werden, denn sie gestattet mit gerade noch vertretbarem Aufwand die Herabsetzung auf die Schraubendrehzahl durch ein verlustarmes Getriebe und stellt auch für andere Komponenten des Antriebsstranges die Grenze einer sinnvollen Belastung dar. Bei zweistufigen Turbinen ergibt sich der günstigste Wirkungsgrad von 0,58 bei u/c1 = 0,25. Damit erfordert unsere Turbine fast zwangsläufig zwei Geschwindigkeitsstufen. Die geforderte Turbinenleistung von etwa 90 W würde aber damit eine zu große Dampf-Verbrauchsmenge ergeben, denn der Dampf ist wegen der Begrenzung von c1 = 400 m/s nicht sehr energiereich (22 kcal/kg = 92 kJ/kg). Wir erhöhen deshalb das verfügbare, theoretische Wärmegefälle des Dampfes auf 44 kcal/kg = 184 kJ/kg, u.a. durch nachträgliche Überhitzung und verteilen das höhere Wärmegefälle auf zwei Druckstufen. Die gleiche Dampfmenge des allerdings energiereicheren Dampfes durchströmt nun nacheinander die vier Stufen beider Druckstufen (HD und ND), die bekanntlich nichts anderes darstellen als zwei hintereinander geschaltete Einzelturbinen.
« Letzte Änderung: 22 August 2010, 13:52:26 von Turbo-Georg »
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Offline Tri

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #9 am: 22 August 2010, 14:55:00 »
Hallo Turbo-Georg,

vielen Dank für dieses überaus interessante Thema und für die tolle Beschreibung eines sehr komplexen Themas.  top
Da ich mal vor einigen Jahren (eigentlich Jahrzenten) vorhatte Maschinenbau zu studieren mit Blick auf Wasserturbinen, hatte die Erwähnung der "Pelton-Turbine", bzw. des "Pelton-Rades", sofort mein lange verschüttetes Interesse geweckt.   
Jede bisherige Zeile war lesenswert und sehr lehrreich.


Grüße
Tri
Wozu brauchen wir Bürgerrechte, wir leben doch in der EU.

Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #10 am: 22 August 2010, 15:40:14 »
Hallo Tri,

schön, dass das Thema Dein Interesse findet. Es handelt sich jedoch um eine sehr allgemein gehaltene Darstellung, um möglichst viele Leser zu erreichen. Ich bin immer bestrebt neue „Turbinenfreunde“ zu finden.
Normalerweise wird man für „bekloppt“ gehalten, wenn man sich freiwillig mit einem so trockenem Thema, wie der Wärmelehre befasst, den sie galt selbst unter Maschinenbau-Studenten nicht unbedingt als Lieblingsfach.

« Letzte Änderung: 22 August 2010, 15:49:05 von Turbo-Georg »
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Offline Captain Hans

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #11 am: 22 August 2010, 16:40:03 »
Hallo Turbo-Georg

die Turbinentechnik war und ist auch in der Handelksschiffahrt kaum mehr vertreten.
Auf unseren Turbinen - Tanker hatten wir schottische Ingenieure, die auch mir die
sehr interessante und komplexe Dampftechnik näher brachten.

Ich lese deine Berichte jedenfalls sehr gerne und lerne viel dabei.

liebe Grüße

Hans

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Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #12 am: 23 August 2010, 08:06:42 »
Hallo Hans, hallo Freunde,

das ist nun mal der Lauf der Zeit, die Technik entwickelt sich weiter.
Unser Hobby lebt von der Faszination der alten Technik und vom Bemühen, sie in Erinnerung zu halten. Die Kolben-Dampfmaschine ist als Antrieb noch vor der Turbine verschwunden, trotzdem begeistert sich eine vergleichsweise große Anzahl von Modellbauern dafür. Die Dampfturbine wird im Gegensatz hierzu, von den Modellbauern recht stiefmütterlich behandelt. Vielleicht liegt es an der Komplexität dieser Technik. Es ist also noch viel Aufklärungsarbeit zu leisten. 
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Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #13 am: 23 August 2010, 11:51:20 »
Hier einige ergänzende Angaben zu der Zeichnung „Modell-Dampfturbine mit Kondensator“.
Es handelt sich um den Entwurf zur Dampfturbine für Reiners „Bismarck“. Die ungefähren Größenverhältnisse können an Hand des eingezeichneten Maßstabes ermittelt werden. 
Man erkennt, dass es sich auch hier um eine Dampfturbine mit zwei Druckstufen (HD und ND) mit je zwei Geschwindigkeitsstufen durch wiederholtes Beaufschlagen des jeweiligen Laufrades handelt. Bekanntlich kann man eine Turbine mit Profilschaufeln nicht rückwärts laufen lassen. Um dennoch ein, dem großen Vorbild ähnliches Fahr- bzw. Manövrierverhalten zu erzielen, wurde zusätzliche in die ND-Radkammer eine zweistufige Rückwärtsturbine integriert. Es ist aber nicht sinnvoll, die jeweils nicht in Betrieb befindlichen, also nicht vom Dampf durchströmten Schaufelräder mit laufen zu lassen, denn sie verwirbeln den Dampf in der Radkammer und bewirken hohe, so genannte Ventilationsverluste. Wir haben deshalb sowohl die Marschturbine als auch die Rückwärtsturbine frei laufend gestaltet. Die Welle der Marschturbine läuft durch die Hohlwelle der Rückwärtsturbine. Beide Wellen verfügen über je eine Kupplungsscheibe in der, beiden gemeinsamen Glocke einer Fliehkraft-Kupplung. Die Kupplungsglocke ist mit der Abtriebswelle verbunden. Die jeweilige Kupplungsscheibe kuppelt erst bei > 4.000 U/min ein. Der Drehzahlbereich unterhalb 4000 U/min dient dem Vorwärmen bei der Inbetriebnahme und als Fahrstufe „stand-by“, das heißt sowohl bei der Fahrstufe „Stopp“, als auch während des Manövrierens in der jeweiligen Gegenrichtung.  Durch diese Maßnahme werden die Turbinen, besonders die, vergleichsweise selten geschaltete Rückwärtsturbine „betriebswarm“ gehalten. Wir erhoffen uns hierdurch eine kürzere Reaktionszeit bei Richtungswechsel und einen geringen Anfall von Leistung mindernden Kondensat bei ansonsten kalten Turbinen.
Der Drehzahlbereich 4000 bis 20.000 U/min wird auf die entsprechenden Fahrstufen aufgeteilt. Wobei die Höchstlaststufen (Äußerste Kraft und Marschfahrt) mit Heißdampf von 170 Grad und die unteren Fahrstufen mit leicht überhitztem Sattdampf von 145 Grad gefahren werden. (… wir berichteten hierüber bereits in Reiners Thraed).
Die Turbine ist in Böcken gelagert, vorne fest und hinten zum Ausgleich der Wärmedehnung gleitend. Der Abdampfstutzen der Turbine ist über eine dampfdichte, elastische Verbindung mit dem Dampfstutzen des Kondensators verbunden.
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Offline Turbo-Georg

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Re: Die Dampfturbine im Modellbau
« Antwort #14 am: 23 August 2010, 18:44:49 »
Etwas zum Thema Kondensator. Bei dem Kondensator der o.a. Zeichnung handelt es sich um einen so genannten zweiflutigen Kondensator, das heißt, das Kühlwasser fließt wegen der Flusstrennwand in der rechten Wasservorlage, durch einen Teil der Rohre hin und durch den anderen zurück. Hierdurch werden die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Wärmeübergang erhöht.

Sowohl bei Schiffsantrieben mit Dampfturbinen als auch solchen mit Kolbendampfmaschinen dient bzw. diente der Kondensator in erster Linie der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, denn die Expansions- und somit die Arbeitsfähigkeit des Dampfes wird durch das entstehende Vakuum im Kondensator besser genutzt. Bei See-Schiffen war die zweite wichtige Aufgabe, die Rückgewinnung des wertvollen Kondensats als salzfreies Kesselspeisewasser.
Wir unterscheiden im Schiffsmaschinebau zwei verschiedene Kondensationsverfahren, nämlich die Oberflächenkondensation und die Mischkondensation. Die Kondensation des Dampfes findet dabei entweder an der Oberfläche von Kühlrohren statt, die hierzu von Kühlwasser durchströmt werden; daher die Bezeichnung Oberflächenkondensation, oder eine hinreichende Menge Kühlwasser wird bei der Mischkondensation unmittelbar in den Abdampf eingespritzt; die Mischung aus Kühlwasser und Kondensat wird abgeführt, das Kondensat geht verloren. Mischkondensation kam weitgehend in Süßwasserrevieren bei Schiffen mit Kolbenmaschinen zur Anwendung. Im Gegensatz hierzu befinden sich die Kühlrohre zur Oberflächenkondensation in einem geschlossenen Behälter. Der Abdampf tritt durch einen großen Stutzen von oben in den Behälter (Kondensator) ein, schlägt sich auf den Kühlrohren nieder und sammelt sich als Kondensat an der tiefsten Stelle des Kondensators. Kühlwasser und Kondensat bleiben dabei völlig von einander getrennt.

Der physikalische Vorgang im Oberflächenkondensator wird kurz zusammengefasst.
Der Abdampf gelangt in den Behälter und füllt seinen gesamten Raum aus. Der  Dampf hat bei atmosphärischem Umgebungsdruck (etwa 1bar absolut) eine Temperatur von 99,61 0C und ein spezifisches Volumen von 1,694 m3/kg. Der Behälter hätte Beispielweise ein Fassungs-Vermögen von 1m3. Er würde dann 1 m3 : 1,694 m3/kg = 0,59 kg Dampf enthalten. Diesem Dampf wird nun durch das Kühlwasser Wärme entzogen, so dass er kondensiert, also verflüssigt wird. Die 0,59 kg Dampf nehmen nach der Kondensation als Kondensat nur noch einen Raum von 590 cm3 = 0,59 Liter ein. Der Behälter mit einem Fassungsvermögen von 1m3 = 1000 Liter ist praktisch leer, also auch luftleer. Es entsteht ein Unterdruck den man als Vakuum bezeichnet. Würde nun weiterer Dampf nachströmen, trifft er im Behälter nicht mehr auf den Umgebungsdruck von 1 bara, sondern auf ein Vakuum von mehr als 99 %, also einen Kondensatordruck von weniger als 0,01 bara. Der Dampf könnte nun statt auf 1 bara auf ca. 0,01 bara expandieren. Expandiert Wasserdampf auf einen niedrigeren Druck, als dem atmosphärischen Druck, ist auch seine Sättigungs-Temperatur niedriger. Sättigungstemperatur bzw. Siedetemperatur nennt man die vom Druck abhängige Temperatur, wo Dampf wieder zu Wasser oder Wasser zu Dampf wird. Bei einem Druck von 0,01 bara wäre die Sättigungstemperatur nur noch ca. 6,5 0C. Solch ein Vakuum wäre in einem Kondensator nur mit sehr hohem Aufwand erreichbar. Das wirtschaftlichste Vakuum lag bei Kolbenmaschinen bei etwa 85%, entsprechend einem Kondensatordruck von ca. 0,15 bara, einer Sättigungs-Temperatur von ca. 55 0C und einer Kondensattemperatur von etwa 45 0C; das Vakuum in den Kondensatoren von Dampfturbinen ist mit bis zu 0,05 bar dagegen deutlich niedriger (…Sättigungstemperatur etwa 33 Grad C). Das verfügbare, in der Maschine in mechanische Arbeit umzuwandelnde (Temperatur-) sprich Wärmegefälle des Dampfes, wird  durch die Expansion im Vakuum größer.
Oder vereinfacht: Bei einem Modell-Kessel mit einem Dampfdruck von 3 bar wäre nach unserem Beispiel nun das nutzbare Dampfdruck-Gefälle nahezu 4 bar. Der erzeugte Dampf würde also besser ausgenutzt. Es ergäbe sich bei gleichem Dampfverbrauch eine höhere Leistung.

Durch Undichtigkeiten des Kondensators und der unter Vakuum stehenden Maschinenteile, aber auch durch die im Speisewasser gelöste, damit auch im Dampf enthaltene Luft, wird das Vakuum im Kondensator gestört und muss deshalb durch eine Luftpumpe dauernd entfernt werden. Die eingedrungene Luft verschlechtert auch den Wärmeübergang im Kondensator und damit seine Wirksamkeit.
Das Vakuum im Kondensator wird also nicht durch die Luftpumpen erzeugt, das wäre viel zu unwirtschaftlich, sondern durch den niedrigen Sättigungsdruck beim Wärmeentzug durch Kühlung. Das so genannte Wasserverhältnis sagt uns, welche Kühlwassermenge für die Kondensation einer bestimmten Menge Dampf erforderlich ist. Je größer das Kühlwasser-Verhältnis ist, umso größer wird das Vakuum, weil sich die Dampftemperatur bei genügend großer Kühlfläche immer mehr der Kühlwasser-Austrittstemperatur  nähert; die ist wiederum umso niedriger, je mehr Kühlwasser verwendet wird oder je niedriger die Kühlwasser-Eintrittstemperatur  ist.

In Modell-Dampfanlagen mit Kondensator wird meistens auf den Aufbau eines Vakuums verzichtet, da hier der Gewinn an Wärmegefälle im Allgemeinen nicht ausgenutzt werden kann. Die Erläuterung der Gründe hierfür, dürfte aber den Rahmen sprengen. Der „belüftete“ Kondensator dient somit nur der Kondensatgewinnung und nur die Oberflächenkondensation bringt im Modell-Schiffbau einen Vorteil.

In „Dampf- und Gasturbinen“ von Stodola, 5. Auflage von 1922, wird bereits von interessanten Untersuchungen über den Einfluss unbeweglich im Kondensator verharrender, feuchter Luft auf den Wärmeübergang zu den Kühlrohren berichtet. Stodola geht davon aus, dass der davon betroffene Teil der Kühlfläche völlig ausgeschaltet wird. Günstiger sieht es wohl aus, wenn die Luft im Kondensator quer zu den Rohren bewegt wird.
Ich empfehle, die berechnete, wirksame Kühlfläche bei einem belüfteten Kondensators um 25 % zu vergrößern. Unter Umständen ist aber sinnvoll, auch bei Verzicht auf ein Vakuum (Sättigungstemperatur > 99 0C) die Luft zu entfernen.
Sollte sich bei den Tests herausstellen, dass die Kühlleistung des Kondensators mit Belüftung unzureichend ist, wird die Luftleitung des Kondensators  über einen Luftkühler (z.B. Kühlschlange im Seewasserkasten) zu einer kleinen Piezo-Luftpumpe (Medizintechnik) geführt und die Luft mit geringem Unterdruck (ca. -500 Pa) abgesaugt.
Mehr über den Kondensator und seine Berechnung findet Ihr in meinem Bericht „Der Kondensator in Modell-Dampfanlagen“. Der Bericht erscheint in der nächsten Ausgabe des „Journal Dampf + Heißluft“ (vermutl. 4/2010). Wer nicht warten kann, erhält von mir auf Wunsch das Manuskript als PDF-Datei.
« Letzte Änderung: 23 August 2010, 18:59:44 von Turbo-Georg »
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg