Thema: Die Dampfturbine im Modellbau

[Turbo-Georg]

Eine Modell-Dampfturbine erbringt die geforderten Werte für Leistung, Drehzahl und Dampfverbrauch unter recht eng tolerierten Betriebs-Bedingungen. Auch kleine Änderungen der zu Grunde gelegten Voraussetzungen haben häufig eine große Auswirkung.
Eine besondere Bedeutung kommt dabei stabilen, exakt nachvollziehbaren Dampfwerten zu.
Betreiber von Modell-Dampfkesseln kennen meisten nur den Dampfdruck. Andere Zustandsgrößen des erzeugten Dampfes sind dagegen unbekannt. Erfahrungsgemäß ist der Dampf aus Modell-Kesseln zu nass. Eine Kolben-Dampfmaschine kann solchen Dampf recht klaglos schlucken. Ein zuverlässiger Turbinen-Betrieb ist aber damit nicht möglich.
Gesättigter Dampf, auch als Sattdampf bezeichnet, ist trocken, das heißt sein Dampfanteil x beträt 100% (…oder x = 1) und enthält keine Wasseranteile. Angaben in Dampftabellen beziehen sich mit ihren verschiedenen physikalischen Werten immer auf den Sattdampf. Dieser seltene Grenzzustand zwischen Nass- und Heißdampf wird aber in der Praxis nicht erreicht, solange der Dampf mit Kesselwasser in Kontakt steht. Die Erreichung dieses Dampfzustandes wäre auch nicht ohne weiteres messbar. Bei der geringsten Abkühlung wird aus Sattdampf wieder Nassdampf. Das Kessel-Manometer, auch in Verbindung mit einem  Dampf-Thermometer gestattet im Nassdampf-Gebiet keinerlei Rückschlüsse auf den Dampfzustand, u.a. auf den Dampfgehalt x und auf die wichtige Höhe des Wärmeinhaltes. Erst im Heißdampfgebiet ist durch die Überhitzungs-Temperatur und den Dampfdruck eine eindeutige Aussage über den Dampfzustand möglich. Es ist also schon aus diesem Grund sinnvoll eine Modell-Dampfturbine mit überhitztem Dampf zu betreiben (von Heißdampf spricht man allgemein erst ab 200 Grad C).
Bei Nassdampf-Betrieb haben die im Dampf enthaltenen Wassertröpfchen eine bremsende Wirkung mit entsprechender Minderung der Turbinenleistung. Die Wassertröpfchen sind schwerer als Dampf und treten mit einer geringeren  Geschwindigkeit als der Dampf in die Schaufeln ein. Ihre relative Eintrittsgeschwindigkeit bekommt eine andere Richtung als die des Dampfes. Die Wassertröpfchen treffen daher auf den Schaufelrücken. Sie hemmen die Bewegung des Laufrades und können durch Erosion die Schaufeloberfläche zerstören.
Die Überhitzungstemperatur wird demnach so gewählt, dass auch der Abdampf noch ausreichen trocken ist. Den höheren Wärmeinhalt des überhitzten Dampfes können wir im Modellbau nur bedingt nutzen. Diese Wärmenergie geht mit dem noch überhitzten, also trockenen Abdampf verloren, aber der Betrieb der Modellturbine ist hierdurch nahezu frei von Leistung minderndem Kondensat. 

[Turbo-Georg]

Zum Abschluss soll noch der, bei Dampfturbinen so wichtige und im Bericht häufig genannte Begriff der „Verluste“, sowie deren Darstellung im Mollier-Diagramm etwas näher erläutert werden; das geht aber nicht ganz ohne einen, für die meisten Leser vermutlich langweiligen, kleinen Ausflug in die Physik.

Dampfturbinen sind Wärmekraftmaschinen. In ihnen soll Wärme in mechanische Arbeit umgeformt werden. Hilfsmittel hierfür ist der Wasserdampf. Die Höhe des Arbeitsvermögens von Wasserdampf ist dabei gleichbedeutend mit der in ihm vorhandenen Wärmemenge.
Überträgt man Wärme auf Wasser so steigt seine Temperatur, damit sein Wärmeinhalt. Die Wärmemenge, die nötig ist um 1kg Wasser bei atmosphärischem Luftdruck um 1 Grad C zu erwärmen, nannte man anfänglich eine Wärmeeinheit (WE), später eine Kilokalorie (kcal) und heute spricht man von Joule (J) bzw. Kilojoule (kJ). Die mechanische Arbeit hingegen wird in Kilogrammmeter (kgm) bzw. Newtonmeter (Nm) angeben. Frühe Versuche erbrachten, dass man in einer verlustfreien Maschine mit der Wärmemenge von 1 kcal eine mechanische Arbeit von 427 kgm (427 kgm = 4186,8 Nm) verrichten kann. Ein wichtigstes Kennzeichen einer Maschine ist der Wert an Arbeit, den sie innerhalb einer Zeiteinheit z.B. einer Sekunde verrichtet, also Kilogrammmeter pro Sekunde (kgm/s). Diesen Wert nennt man Leistung. Die Maßeinheit kgm/s erbrachte bei größeren Leistungen recht unbequeme Zahlenwerte, man benutzte daher größere Maßeinheiten, wie Pferdestärke (1PS = 75 kgm/s) bzw. Kilowatt (1kW = 102 kgm/s). Damit sind auch diese Begriffe und ihre Zusammenhänge kurz dargestellt.
Bei jeder Energieübertragung bzw. Energieumformung wird nur ein Teil der Energie übertragen oder umgeformt. Der übrige Teil verschwindet zwar nicht, kann aber für den jeweiligen Zweck nicht nutzbar gemacht werden und gilt als Verlust.
Das Arbeitsvermögen, welches einer Maschine in Form von Wärme zugeführte wird, ist also nie vollständig in mechanische Arbeit umwandelbar. Das Verhältnis der abgegebenen Nutzarbeit zur zugeführten Wärmemenge ist der Wirkungsgrad. Die nutzbare Arbeit ist stets nur ein Teil des zugeführten Arbeitsvermögens. Der Wirkungsgrad ist deshalb immer kleiner als 1.
Das Arbeitsvermögen des Dampfes beruht auf seinem Bestreben sich auszudehnen; zu expandieren. Diese Expansions-Energie ist in zwei Formen nutzbar: Der potentiellen oder ruhenden Energie in Form von Dampfdruck und der kinetischen Energie bzw. Bewegungsenergie in Form von Dampfgeschwindigkeit.
Den Dampfdruck mit seiner Kraftwirkung auf die Fläche des Kolbens nutzen wir in der Kolbendampfmaschine. In der Dampfturbine hingegen wird der Dampf durch die Expansion in Düsen beschleunigt und die Dampfgeschwindigkeit durch Schaufelräder in mechanische Arbeit umgewandelt. Bei der Expansion des Dampfes verringert sich sein Wärmeinhalt. 
Diese Verminderung des Wärmeinhaltes durch Expansion nennt man das Wärmegefälle des Dampfes. Die Höhe der Dampfenergie, also der Wert an mechanischer Arbeit, der theoretisch während des Umwandlungs-Prozesses in einer Maschine verrichtet werden kann, ist allein abhängig von der Höhe des Wärmegefälles.
Tatsächlich treten jedoch während dieses Prozesses Verluste auf.  Je kleiner diese Verluste sind, umso besser ist der Wirkungsgrad der Turbine und umso weniger Dampf wird für die geforderte Leistung verbraucht.
Wir unterscheiden dabei zwischen äußeren und inneren Verlusten. Äußere Verluste treten, wie der Name schon sagt, außerhalb des Prozesses auf. Zu den äußeren Verlusten gehören:
—   Verluste durch Undichtigkeit,
—   Verluste durch Abkühlung und Strahlung,
—   Verluste durch mechanische Reibung.
Durch geeignete Maßnahmen, wie das Abdichten der Gehäuse- und Leitungsverbindungen gegen Dampfverlust, ausreichende Wärmeisolierung des Turbinengehäuses und seiner Zu- und Ableitungen, sowie der Einsatz von Kugellagern oder reibungsarmen Gleitlagern und Wellendichtringen, können diese Verluste auf ein Minimum reduziert werden.
Innere Verluste entstehen im Dampf selbst, durch die Reibung der Dampfteilchen aneinander und an den Wänden der Düsen- bzw. Schaufelkanäle sowie durch Wirbel und Stöße im Dampfstrahl.
Die Höhe der inneren Verluste hat den erheblich größeren Einfluss auf den Wirkungsgrad.
Die verschiedenen Verluste müssen wenn nicht rechnerisch, so zumindest überschlägig ermittelt werden. Ein wichtiges Hilfsmittel ist hierbei das, nach seinem Erfinder benannte Mollier-Diagramm (…früher i-s-, heute h-s-Diagramm). Hiermit lässt sich der gesamte Prozess, einschließlich aller inneren Verluste mit ihrer Wirkung auf den Dampfzustand sowie den Wirkungsgrad darstellen.
Bevor wir die inneren Verluste in der Reihenfolge behandeln, wie sie bei der Strömung des Dampfes durch die Turbine entstehen, eine kurze Erläuterung am Ausschnitt eines älteren Mollier-Diagramms, sowie einige Hinweise zu seiner Anwendung.

Die Sattdampfkurve oder Sättigungslinie (Grenzlinie x = 1) verläuft etwa quer durch Bild  und ist besonders stark gezeichnet; darunter befindet sich das Nassdampfgebiet, darüber das Heißdampfgebiet. Die Linien, die im Nassdampfgebiet  in etwa parallel zur Sättigungslinie verlaufen, sind Linien gleichen Dampfgehaltes (x = 0,95,  x = 0,90 usw.). Von links unten nach rechts oben verlaufen über das ganze Feld die Linien gleichen Drucks.
Im Heißdampfgebiet teilweise fast waagerecht, verlaufen die Linien gleicher Dampf-Temperatur. Im Nassdampfgebiet sind keine Temperaturlinien eingezeichnet, weil dort zu jedem Druck eine konstante Siedetemperatur gehört, sie ist mit der Temperatur an der Sättigungslinie (Sättigungstemperatur) identisch. Der, für die Turbinenberechnung wichtige Wärmeinhalt des Dampfes, sowie das jeweils verfügbare, theoretische Wärmegefälle, sind auf der senkrechten Achse direkt ablesbar.
Wir sehen hier als Beispiele die drei Linien der verlustfreien Expansion verschiedener Dampfzustände von jeweils 5 ata Dampfdruck auf 1 ata Umgebungsdruck. Wir erkennen die Anfangszustände (i1) von Nassdampf (1) mit 10 % Restfeuchte, also x = 0,9,  Sattdampf (2) und Heißdampf (3) von 200 Grad, sowie die entsprechenden Endzustände (i2) mit dem Feuchtigkeitsgehalt des Abdampfes. Wir erkennen auch die unterschiedlichen Wärmeinhalte am Anfang (i1) und am Ende (i2), sowie die Höhe der Wärmegefälle (h).
Aus dem Wärmegefälle h lässt sich mit der Zahlenwertgleichung c0 = 91,5 ∙ √ h (kcal/kg) oder c0 = 44,7 ∙ √ h (kJ/kg) die theoretische Dampfgeschwindigkeit c0 in m/s ermitteln.

Die beim Durchströmen der Turbine im Dampf auftretenden Verluste werden in einem zweiten Ausschnitt aus dem Mollier-Diagramm dargestellt.
Wir sehen den Verlauf der Expansionslinie einer Turbine für den Betrieb mit Sattdampf bei einem Dampfdruck p1 = 1,7 ata (Punkt A) für Auspuff-Betrieb (p0 = 1 ata). Das theoretische Wärmegefälle ht (gestrichelt, Punkt A0) beträgt 22 kcal/kg. Die Verluste stellen sich als Minderung des theoretisch verfügbaren Wärmegefälles dar und sind im hohen Maße von der Dampfgeschwindigkeit abhängig, denn die geht jeweils mit ihrem Quadrat in deren Berechnungen ein.

Die Düsenverluste hd  entstehen im Düsenkanal durch Reibung und Verwirbelung. Ihre Höhe hängt von der der Länge des Reibungsweges und von der Ausführungsqualität der Düsen ab. Hier sind es etwa 3 kcal/kg. Der Dampf tritt als nicht mit der theoretischen Geschwindigkeit c0 aus der Düse aus, sondern mit der tatsächlichen Geschwindigkeit c1. Den Dampfzustand hinter Düse zeigt Punkt A1.
Die Schaufelverluste hs entstehen ebenfalls durch Reibung, Verwirbelungen und Stöße. Der weitaus größte Verlustanteil wird jedoch durch die Umlenkung des Dampfstrahles hervorgerufen. Die Umlenkverluste entstehen auf den unterschiedlich langen Wegen der Dampfteilchen in der Schaufelkrümmung durch innere Reibung der Teilchen aneinander. Sie hängen vom Umlenkwinkel ab, also von Ein- und Austrittswinkeln der Schaufeln und sind umso größer, je stärker die Umlenkung ist. Auch die Schaufelteilung hat Einfluss auf die Verluste. Ist die Teilung zu klein wird die Wandfläche der Kanäle im Verhältnis zum Querschnitt zu groß. Bei zu großer Teilung wird die Führung und Umlenkung des Dampfstrahles schlecht. Die Verluste in den Schaufeln der Geschwindigkeitsstufen werden meistens zusammengefasst (Punkt A2).
Die Radreibungs- und Ventilationsverluste hrv (Punkt A3) werden im Modellbau meistens vernachlässigt, oder ggf. durch einen geschätzten Wert ersetzt, denn sie sind aufwändig zu ermitteln. Die Laufradscheiben bewegen sich in den sie umgebenden Dampf, hierdurch entstehen Reibungsverluste Um sich einen Begriff von der Wirkung der Radreibung zu machen, stellen wir uns vor, die Radscheibe liefe nicht im Dampf, sondern in einer zähen Flüssigkeit. Eine besonders sorgfältig ausgeführte Oberfläche der Radscheiben, frei von Erhöhungen, Vertiefungen oder gar Speichen, kann deshalb auf keinem Fall schaden.
Die Laufradschaufeln, welche nicht durch Düsen oder Leitkanäle mit Dampf beaufschlagt werden, also nicht von ihm durchströmt werden, verursachen ein Umherwirbeln des Dampfes in der Radkammer (Ventilation). Neben dem Beaufschlagungsgrad sind Dampfdichte und Umfangsgeschwindigkeit von Einfluss. Diese Verluste können recht erhebliche Werte annehmen und die Arbeit des Dampfes nahezu aufheben. Die Abdeckung der nicht beaufschlagten Laufradschaufeln mit feststehenden, so genannten Ventilations-Schutzringen verhindert durch Einschließen des Dampfes in den Schaufelkanälen weitgehend seine Verwirbelung in der Radkammer.
Beide Faktoren haben eine bremsende Wirkung. Diese Bremswirkung ist umso größer, je mehr Laufradscheiben vorhanden sind und umso größer ihr Durchmesser ist.
Der Austrittsverlust ha entsteht, weil der Dampf mit einer gewissen Restgeschwindigkeit die Turbine verlassen muss. Die verlorene Strömungsenergie der Austrittsgeschwindigkeit mindert ebenfalls das theoretische Wärmegefälle ht. Wir erhalten  im Diagramm den Endpunkt A4.  Hier sehen wir, dass der Abdampf die Turbine fast trocken verlässt.
Das innere Gefälle hi ist der tatsächlich in der Turbine in Arbeit umgewandelte Teil des theoretischen Dampf-Wärmegefälles. Das Verhältnis zwischen innerem Gefälle und theoretisch verfügbarem Gefälle nennt man den inneren Wirkungsgrad der Turbine.

Ich hoffe ich habe zum Schluss Eure Geduld nicht noch allzu sehr strapaziert.
Bis zum nächsten Mal!

[Konni]

Hallo Turbo-Georg,
hallo alle Interessierten,

Deine Berichte vom zum Thema " Dampfturbine im Modellbau" sind hochinteressant und sehr lehrreich.
Auch ich beschäftige mich schon sehr lange mit dem Bau von Modelldampfturbinen und habe Anfang des Jahres meine Allererste fertigstellen können.

Es handelt sich hier um eine axial beaufschlagte, 1-kränzige Turbine mit Profilschaufeln aus MS 58, der Kessel einfachster Bauart ist als Durchlaufkessel mit umlaufender Vorheizerschlange konzipiert und wird von einer Eigenbau-Speisepumpe beschickt.

Wie Du schon richtig am 18.08. bemerktest lässt sich so ziemlich jede Fläche mit Dampf bewegen, deswegen ist auch diese Turbine mit Rückwärtsdüsen beaufschlagt.
Klar, dass die Rückwärtsleistung bei weitem nicht der Vorwärtsleistung entsprechen kann, jedoch ist eine Rückwärtsfahrt bedingt möglich.

Anzuschauen ist die Turbine im Netz, unter Videos.

Mittlerweile ist schon eine zweite, kleinere und leichtere Modelldampfturbine entstanden, jedoch kann ich diese noch nicht vorstellen, da hier demnächst ein Bericht in einer einschlägigen Fachzeitschrift erfolgt.

Was im Bereich " Die Bismarck im Maßstab 1:100 " entsteht ist einfach nur genial und ich hoffe dass auch hier maximaler Erfolg beschieden ist. ( Sieht gut aus! )

Letztendlich zahlt sich Geduld und Beharrlichkeit trotz vieler Rückscläge immer aus!

K. Nordmann jun.

[Turbo-Georg]

Hallo Konni,
ich finde es gut, wenn die wenigen Freunde der Modell-Dampfturbine mit ihren Erfahrungen an die Öffentlichkeit treten. Ich bin natürlich sehr interessiert und würde gerne mehr erfahren. Das Video hätte ich mir gerne angeschaut, aber ich vermisse einen Link.
Vielleicht meldest du ich ein mal über meine Email-Adresse.

[Turbo-Georg]

Auf Wunsch noch einen Hinweis auf die Vorgehensweise bei der Berechnung einer Modell-Dampfturbine.
Wer erfolgreich sein will, solltest systematisch vorgehen und auch die Physik nicht ganz ignorieren.
 
Ausgangspunkt ist immer der zur Verfügung stehende Dampf und seine Zustandsgrößen, wie Wärmeinhalt, Feuchtigkeitsgrad und Dichte, denn das Wärmegefälle während der Expansion bestimmt die Dampfgeschwindigkeit am Düsenausgang. Die wiederum muss in einem bestimmten Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrades stehen, um einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erzielen.
Die Wahl der Turbinendrehzahl und des Raddurchmessers entscheiden letztendlich über die geeignete Bauform und die notwendige Anzahl an Stufen, um das verfügbare Wärmegefälle zu verarbeiten.
Man zeichnet die ermittelten Geschwindigkeiten in einen so genannten  Geschwindigkeitsplan und findet mit seiner Hilfe die entsprechenden Relativ-Geschwindigkeiten und die entsprechenden Schaufelwinkel.
Aus dem Geschwindigkeitsplan wird auch der Wirkungsgrad am Radumfang ermittelt.
Der Wirkungsgrad und die gewünschte Turbinen-Leistung bestimmen den spezifischen Dampfverbrauch und in Abhängigkeit vom Zustand des Dampfes (Arbeitsfähigkeit) seine Verbrauchsmenge.
Die Dampfmenge, die die Turbine durchströmen soll, bestimmt den Düsenquerschnitt und  die weiteren Durchtrittsquerschnitte (Schaufelkanäle, Umlenkkammern usw.).in Abhängigkeit vom jeweiligen Dampfzustand (spez.Volumen) sowie den unterschiedlichen Dampf-Geschwindigkeiten (Stetigkeitsgleichung * von Bernuolli). Die Änderungen des Dampfzustandes während des Arbeitsprozesses werden im Mollier-Diagramm ersichtlich.
Mit den nun zur Verfügung stehenden Größen, werden die Laufschaufeln konstruiert und entsprechend der ermittelten Teilung ganzteilig auf das Rad verteilt (…ggf. Korrektur des Raddurchmessers). Es folgen die Leitschaufeln oder Leitvorrichtungen.
Nach der Berechnung der Querschnitte von Dampfzuleitung und Dampfaustritt kann die Turbine konstruiert werden.
Das klingt im ersten Moment recht kompliziert, ist es aber nicht, wenn man neben dem Taschenrechner und dem Zeichenbrett die entsprechenden grafischen Hilfsmittel (…stelle ich gerne zur Verfügung!) nutzt.

*) Physik der 10. Klasse

[Captain Hans]

Hallo Georg

da hab ich in Physik wohl gerade gefehlt

liebe grüße
Hans

[Turbo-Georg]

Hallo Hans,
ich bin mir sicher, du hast es nur vergessen.
Ich hatte in letzter Zeit wenig Gelegenheit mal wieder etwas von mir zu geben, aber für die Beantwortung von Fragen habe ich mir die Zeit genommen.
Beim letzten Fall nahm ich an, dass er von breiterem Interesse ist.

Herzliche Frühlingsgrüße aus der alten Heimat.

[Turbo-Georg]

Hallo Modellbau-Freund,
hier ein weiterer Beitrag von hoffentlich breiterem Interesse.

Hinweise zu Konstruktion und Bau von Modell-Dampfturbinen.
Zur Vereinfachung der Modell-Berechnungen werden einige Verlust-Faktoren nicht oder nur teilweise berücksichtigt.
Die Berechnungen dienen unter festen technischen Vorgaben vorrangig der Bestimmung und der Harmonisierung der wichtigsten physikalischen Größen. Modell-Dampfturbinen erreichen daher im praktischen Betrieb häufig nicht die Leistungsdaten, die ihren Berechnungen zu Grunde liegen.
Die vordringlichte Zielsetzung bei Konstruktion und Bau von Modell-Dampfturbinen muss daher sein, den errechneten theoretischen Werten möglicht nahe zu kommen.
Neben der konstruktiven Umsetzung der ermittelten Maße und Formen, kommt dabei den Vorkehrungen zur Minimierung von Verlusten jeder Art eine besondere Bedeutung zu.

Mit optimierten, einstufigen Dampfturbinen, in den für den Modellbau sinnvollen Abmessungen und Drehzahlen sind günstigsten Falls innerer Wirkungsgrade von ηi  ≈ 0,45 erreichbar. Eigentlich ein recht guter Wert, im Vergleich mit den allgemein in der einschlägigen Literatur beschriebenen oder im Handel angebotenen Modell-Turbinen.
Bei einer, für ein mittleres Modell ausreichenden Antriebsleistung von etwa 20 W, bedeutet das aber immer noch einen recht hohen Dampfverbrauch von etwa 30 g/min, das entspricht ca. 1,8 Liter  verdampfbares Kesselwasser pro Stunde, also einen großen Kessel oder recht kurze Fahrzeit.
Die Berechnung einstufiger Modell-Dampfturbinen wird von mir hauptsächlich beschrieben, um die Vorgehensweise, die Anwendung der grafischen Hilfsmittel, sowie die Zusammenhänge und Abhängigkeiten der physikalischen Größen verständlich zu machen. Es wird aber jedem Interessierten schnell klar, dass mit vergleichsweise geringem Mehraufwand, z.B. wiederholter  Beaufschlagung des Laufrades, bereits bessere Ergebnisse erzielt werden können Der beispielhafte Entwurf  gemäß angehangener Zeichnung, zeigt den Aufbau einer zweistufigen Modell-Dampfturbine mit wiederholter Beaufschlagung des Laufrades. Sie wurde traditionell als Längsstromturbinen ausgelegt und hat aus mehreren Ringsegmenten hergestellte Düsen- bzw. Leitkammern. Die innere Leistung dieser Modell-Dampfturbine beträgt ca. 25 W bei 20.000 U/min mit einem Wirkungsgrad von ηi  ≈ 0,55.

Die Modell-Turbine besteht nach dieser konstruktiven Lösung im Wesentlichen aus folgenden Baukomponenten:

-   Turbinengehäuse (1) mit zwei Gehäusedeckeln (2, 3)
-   Lagergehäuse (4) mit zwei Kugellagern (6), Kontrolldeckel (5)
-   Turbinenwelle (7) mit Laufrad (8 )
-   Leitkammer (10) und Düsenkammer (11)
-   Wärmeisolierung (12)

Wichtigster Aspekt dieser Konstruktion ist der symmetrische Aufbau. Die wahlfreie Anordnung der Hauptkomponenten gestattet nicht nur eine einfache Anpassung an die unterschiedlichen räumlichen Gegebenheiten, sondern erlaubt durch weitgehende Standardisierung ihren einfachen Austausch bei Erweiterung oder Umbau.
Diese Konstruktions-Lösung soll nicht nur eine Herstellung von Düsen und Leitkammern ohne den Einsatz von CNC ermöglichen, sondern durch freimütige, recht einfache Änderungen der Abmessungen und wahlfreien Positionierung der Dampfkanäle die Möglichkeit bieten, eigene Erfahrungen zu sammeln oder eigene Ideen umzusetzen. Also eine Art Baukasten mit Standardkomponenten für unterschiedlichste Leistungsbereiche oder Einsatzfälle
Die Abmessungen wurden so gewählt, dass damit ein breites Leistungs-Spektrum für die verschiedensten Anforderungen im Modellbau abgedeckt werden kann. Als Ausgangsmaterial für die Gehäuseteile eignet sich Aluminium, Messing oder Rotguss. Bezüglich Gewicht und Kosten ist Aluminium am günstigsten; hierbei ist allerdings das Einlöten von  Anschlussflanschen oder Kammern etwas schwieriger, hier empfiehlt sich das Aufsetzen und  Befestigen durch Schrauben. Die Herstellung aus Messing-Vollmaterial ist wegen des hohen Zerspanungsanteils kosten- und zeitintensiv.
Recht gut geeignet ist Rotgussrohr, es wird in den vielfältigsten Durchmessern und Wandstärken angeboten.
Wegen der unterschiedlichen Wärme-Ausdehnung, sollte bei den Bau-Komponenten des Gehäuses, Aluminium nicht mit Kupferlegierungen kombiniert werden.
Die Gehäusedeckel dienen dem dichten Gehäuseabschluss und tragen das Lagergehäuses, den Kontrolldeckel sowie die Düsen- bzw. Leitkammer.
Ausfräsungen an den Seiten der Gehäusedeckel nehmen jeweils die Düsen- bzw. Leitkammer auf. Diese werden am Besten mit geeigneten  Schrauben außen auf den Deckeln befestigt und erhalten somit eine sichere und exakte axiale Positionierung zum Laufrad (Längsspalt).
Der Innendurchmesser des Gehäuses und der Außendurchmesser des Laufrades ergeben den Querspalt. Für den Anschluss eines Abdampfrohres empfiehlt sich ggf. statt einer einfachen Öffnung im Deckel eine weitere aufgesetzte Kammer.
Die äußere Ausdrehung zwischen den Gehäuse-Flanschen wird mit Wärme-Isoliermaterial gefüllt.
Das Lagergehäuse nimmt die beiden Kugel- oder Gleitlager auf. Hier ist auf ausreichend Raum zur Wärmebedingten Ausdehnung der Welle in Richtung Wellenabgang zu achten (Lagersitze, Wellensicherung). Ein O-Ring verhindert das Austreten von Kondensat oder bildet ggf. zweifach (Reibung!) die druckdichte Wellendurchführung bei Hochdruck(HD)- Stufen.
Die Baukomponenten der Turbinenwelle, wie Mutter, Federring, Distanzring und ggf. auch die Kugellager, sollten wie die Welle selbst aus rostfreiem Stahl sein.
Bei der Herstellung der Laufrad-Komponenten kommt aus Festigkeitsgründen nur Automaten-Messing oder hochfestes Aluminium in Frage. Auch Edelstahl wäre hierfür denkbar, jedoch gestaltet sich die Herstellung damit etwas schwieriger. Zur Erhöhung der Rundlaufeigenschaft werden Welle und Laufrad „zwischen den Spitzen“ gedreht.
Die Beschreibung eines geeigneten Verfahrens zur konventionellen Herstellung der Kammern und des Schaufelprofils auf dem Rundtisch einer Fräsmaschine, steht auf Wunsch zur Verfügung.
Die Turbine wird mit Nefalit- oder Polyuretanschaum-Platten isoliert.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades, besonders im höheren Leistungsbereich führt konsequenter Weise zur Druckstufung. Sie gestattet in Kombination mit Geschwindigkeits-Stufung, auch unter Einsatz einfacher Düsen im unterkritischen Druckbereich die Verarbeitung größerer Wärmemengen, bei gleichzeitig besserer Ausnutzung der Wärmeenergie. Unter bestimmten Voraussetzungen sind so innere Wirkungsgrade von 0,6 und besser erzielbar; also bereits beachtlich nahe zum Großbetrieb.
Der gleichzeitige Wechsel zum Querstrom-Prinzip erbringt trotz Mehrstufigkeit eine relativ kurze Baulänge, ein günstigeres Leistungsgewicht und auch eine vereinfachte Herstellung der Laufräder-Beschaufelung sowie der Düsen und Leitkammern.
Neben der Möglichkeit die maximal zwei Druckstufen in getrennten Gehäusen unterzubringen und die beiden Turbinenwellen zu koppeln, bietet sich die zweifellos elegantere Lösung eines gemeinsamen Gehäuses unter Verwendung eines druckdichten Zwischenbodens.

Eine, in jeder Hinsicht optimierte Konstruktion einer vierstufigen Querstrom-Modell-Dampfturbine zeigt die Zeichnung in Antwort # 3.
Bei nur unwesentlich größerer Länge und nur geringfügig höherem Gewicht gegenüber der zweistufigen Turbine, hat sie bei einem inneren Gesamt-Wirkungsgrad ηi = 0,60 und einem Dampfverbrauch Gsec = 0,65 g/s eine Leistung Ni = 64 W.
Sie verfügt über zwei Druckstufen mit je zwei Geschwindigkeitsstufen in einem, durch einen Zwischenboden geteilten Turbinengehäuse.

Es bietet sich also ein breites Spektrum an Lösungen, bis zur Integration einer zweistufigen, freilaufenden Rückwärtsturbine in die ND-Stufe einer vierstufigen 100-Watt-Marschturbine eines größeren Modell-Schiffs, mit zwei Fliehkraft-Kupplungen in der Kupplungsglocke der Antriebs-Welle (...siehe Antwort # 8 ).

[Captain Hans]

danke Georg

liebe Grüße

Hans

[Turbo-Georg]

Liebe Modellbau-Freunde,
ihr solltet euch trauen eure Fragen öffentlich im Forum zu stellen,
denn sie sind in der Regel von allgemeinem Interesse.

Also, mit der so genannten Bernuolli-Gleichung (Antwort # 19) habe ich wohl einen Bock geschossen oder einige Freunde haben wie Hans, ebenfalls gerade im Unterricht gefehlt.
Dabei ist sie ganz einfach. Sie besagt, dass in der Regel beim Durchströmen eines Systems die einströmende Stoffmenge der ausströmenden Stoffmenge entspricht. Der Stoff ändert in Abhängigkeit vom Strömungs-Querschnitt seine Strömungsgeschwindigkeit und u.U. sein spezifisches Volumen.
Wenn wir von einem konstanten spezifischen Volumen v ausgehen, erhöht sich also die Strömungsgeschwindigkeit c bei kleiner werdendem Querschnitt F und bei größer werdendem nimmt sie ab. Das trifft für alle Fluide zu. Bei Gasen oder in unserem Falle, bei Dampf, kann sich u.U. durch die Verlustwärme aus Reibung die Temperatur des Gases oder des Dampfes erhöhen und damit auch das spezifische  Volumen v steigen oder bei Wärmeverlust auch fallen.
Bei Flüssigkeiten kann man normalerweise v  als konstant annehmen.

Kontinuitäts- oder Stetigkeitsgleichung von Bernoulli.

G ∙ v = F ∙ c

Wobei G die Menge, v das spezifische Volumen, F die Querschnittsfläche und c die Strömungsgeschwindigkeit ist.


Eine Modellturbine wird von der konstanten Dampfmenge Gsec (g/s) durchströmt. Die Dampfmenge G  hängt u.a. von der gewünschten Turbinenleistung ab.
Während seiner Expansion nimmt bekanntlich das spezifisches Volumen v (m3/kg) des Dampfes zu. Durch die geleistete Arbeit und die Strömungsverluste in der Turbine ändert sich aber neben dem Dampfzustand (v) auch die Dampfgeschwindigkeit c (m/s). Diesen geringeren Geschwindigkeiten und dem höherem Volumen muss durch Vergrößerung der Durchtritts-Querschnitte ausreichend Raum geschaffen werden.
Die von uns gesuchten Abmessungen der jeweilig durchströmten Querschnittsflächen F (mm2) der Düsen und Kanälen einer Modell-Dampfturbine, ergeben sich nach Umstellung der Gleichung aus:

                                                         Gsec (g/s) ∙ v (m3/kg) ∙ 1000
                                         F (mm2)  =     ———————————                                   
                                                                     c (m/s)

Für die Geschwindigkeit c und das spezifische Dampfvolumen v setzen wir jeweils die Werte am Austritt einer Düse oder eines Kanals ein. Die entsprechenden Geschwindigkeiten c werden errechnet oder dem Geschwindigkeitsplan entnommen. Das spezifische Volumen v entnehmen wir direkt einem i-s –Diagramm mit Volumenlinien oder nach Ermittlung des jeweiligen Stufen-Druckes p, dem etwas genaueren p-v –Diagramm.
Die Gleichung ist besonders wichtig für die Berechnung des Düsenquerschnitts Fmin der im Modellbau vorwiegenden einfachen Düsen.

[iron dog]

Hallo Georg

Ich lese ebenfalls mit grösstem Interesse, was Du über Dampfturbinen schreibst. Um hier aber allenfalls etwas fragen zu können, muss ich erst mal alles lesen, was Du schon geschrieben hast. Und das ist ne ganze Menge, dazu mit fundiertem Hintergrund, also ganz und gar keine seichte Lektüre, die ich mir schnell durchlese    Allein die ganzen Diagramme mit pV-Kurven, Dampfdruckkurven und was alles noch....Dagegen ist eine Gasturbine fast schon wieder einfach zu verstehen!

Seit ich mich in diesem Forum angemeldet habe,  komme ich ohnehin nicht mehr aus dem Staunen heraus. Was Ihr hier so baut ist oft der Wahnsinn! Erst hier wurde mir klar, was für ein grosses Projekt ich mir mit dem Bau eines Schiffes mit DT zumute. Schliesslich sollte man für einen Vierschrauber mehr als eine DT haben Aber ich bleibe dran, versprochen

Eine Frage hätte ich dann aber doch: Hast Du dich schon mit der Tesla-Turbine als Antrieb eines Modells auseinander gesetzt?
Diese hätte einige Vorteile aus meiner (zugegebenermassen noch beschränkten) Sicht. Zum Beispiel kann ohne Problem derselbe Läufersatz für Vorwärts- und Rückwartsfahrt eingesetzt werden, was die Vorwärmung der Rückfahrturbine überflüssig macht und das Gewicht senkt. Dazu sollte der Wirkungsgrad besser ausfallen bei so kleiner Baugrösse, da die Geometrien einfacher sind als bei einer DT mit "richtiger Beschaufelung". Ausserdem kann man ohne Probleme mit den selben Grundbauelementen sowie eine HD- als auch eine ND-Stufe abbilden. Braucht einfach ein breiteres Gehäuse.

Gruss, Iron Dog

[Turbo-Georg]

Hallo Iron Dog,
es gibt offensichtlich eine größere Zahl an „anonymen“ Modell-Turbinen-Freunden, als allgemein vermutet.
Ich habe gerade erst vor ein paar Tagen vom geplanten Vorhaben eines Modellbauers gehört, der den Bau eines 3,5 m - Zerstörer-Modells mit mehreren Dampfturbinen beabsichtigt.
Dein Vorhaben klingt auch nicht unbedingt bescheiden. Es erscheint nicht gerade als ein typisches Anfängerprojekt, aber mit Zeit, Geld und Geduld ist fast alles machbar.
Ich bin aber davon überzeugt, dass die Vorstellungen hierüber noch mehrfach revidieren werden müssen, wenn es daran geht, das Projekt Schritt für Schritt in die Wirklichkeit umzusetzen. Spätestens beim Versuch, die für Dampfturbinen geltenden physikalischen Gesetze mit den Möglichkeiten, vor allem den Abmessungen des Modellbaues in Einklang zu bringen, zeigen sich die Grenzen des Machbaren sehr schnell. 

In den frühen Überlegungen zu solchen Vorhaben, taucht auch immer wieder die TESLA-Turbine als scheinbar ideale Antriebslösung auf.
Ich muss gestehen, dass ich über keinerlei Erfahrung hierüber verfüge, sondern mir die Erkenntnisse anderer Modellbauer zu Eigen gemacht habe.

Obwohl die TESLA-Turbine bereits 1909 patentiert wurde, wird sie in keinem der Klassiker der Dampfturbinen-Fachliteratur, wie von Stodola, Bauer, Zietemann, Dietzel usw. auch nur erwähnt.
Wenn also die TESLA-Turbine auch nur einen Bruchteil ihrer „legendären“ Eigenschaften besäße, währe die Welt voller solcher Turbinen und kein Ingenieur der Welt würde sich der Mühe unterziehen, Turbinen mit aufwändigen Leit- und Laufschaufelrädern zu entwickeln.
Es erscheint auf den ersten Blick faszinierend, eine Turbine zu bauen, die ohne die mühsam herzustellende Vielzahl unterschiedlicher Schaufeln auskommt, sondern der Rotor aus einfachen Scheiben besteht.
Das Prinzip der Energieabgabe von einem bewegten Fluid (z.B. Dampf) an eine drehende Scheibe, durch dessen Anhangskraft (Adhäsion), ist nicht nur seit mehr als 100 Jahren bekannt, nein, die Turbinenkonstrukteure schlagen sich noch heute in Form von möglichst niedrig zu haltenden Radreibungsverlusten bei Dampfturbinen damit herum. Um sich einen Begriff von der Radreibung zu machen, stellen wir uns vor, die Radscheiben laufen nicht in Dampf, sondern in einer zähen Flüssigkeit.
Die TESLA-Turbine entwickelt ihre höchste Leistung bei der halben Leerlauf-Umfangsgeschwindigkeit und die entspricht in etwa der Dampfgeschwindigkeit. Wie man diese errechnet, ist bereits bekannt.
Wir resümieren: Sehr hohe Drehzahlen oder große Raddurchmesser, niedriges Drehmoment, schlechtes Regelverhalten.


Frage an FL: Gehören die letzten beiden Postings nicht besser hierher?

http://forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,12568.0.html

[t-geronimo]

Verschoben! 

[Turbo-Georg]

Danke, Thorsten.

[iron dog]

Dein Vorhaben klingt auch nicht unbedingt bescheiden. Es erscheint nicht gerade als ein typisches Anfängerprojekt, aber mit Zeit, Geld und Geduld ist fast alles machbar.

Hallo Georg

Vielen Dank für Deine Antwort erstmal 

Nein, mein Vorhaben ist ganz schön frech. Ich bräuchte einen ziemlich grossen Kessel mit Überhitzer, ein gutes Feuerungskonzept inkl. Regelung,  verlustarme Regeltechnik auf der Dampfseite, die DT mit brauchbaren Dampfdüsen, einen guten Kondensator und eine Kondensatpumpe als Minimalausrüstung. Ohne Kondensator raucht es zwar schön, wenn man es den Schornstein hochjagt, aber die "Luft" geht einem solchen Modell schnell aus.

Zum Glück bin ich auf dem Gebiet der Turbo-WKM beruflich unterwegs und daher nicht völlig blank. Allerdings bin ich auch kein Entwicklungsingenieur....Modellbautechnisch war ich bis dato auf Baukasten wie die Wiesel von Grau..er (noch nicht vollendet  ) angewiesen, da ich keinen ausreichend grossen Bastelkeller hatte. Du weisst schon: Einen Raum, wo man man auch mal Dreck machen darf 

Spätestens beim Versuch, die für Dampfturbinen geltenden physikalischen Gesetze mit den Möglichkeiten, vor allem den Abmessungen des Modellbaues in Einklang zu bringen, zeigen sich die Grenzen des Machbaren sehr schnell. 

Ja, habe schon mehrfach revidieren müssen. Eine ganz einfache DT aus z.B. einem Sägeblatt war mein erster Gedanke. Dazu gab es mal Lektüre in einem Modellbauerheftchen. Aber das bringt bei genauerer Überlegung nur Probleme und schluckt Dampf wie die Derfflinger in gross bei null Leistung

Auf die Tesla-Turbine bin ich gekommen, weil sie mir für den Modellbau und die damit verbundenen kleinen Abmessungen geeigneter erschien als eine DT mit richtiger Beschaufelung. Das Hauptproblem der Tesla-Turbine ist es meiner Meinung nach, die Scheiben unendlich dünn anfertigen zu können. Deshalb ist sie gerade für grössere Maschinenanwendungen absolut ungeeignet, da solche dünnen und grossen Scheiben zum Wellen neigen (warping). Im Modell wäre es ein kleineres Problem eine 0.3mm bis 0.5mm dicke Scheibe zu bauen, die den verschiedenen Belastungen axial und radial standhält. Sie hätte dann einen Durchmesser von etwa 80mm und würde mit etwas über 20k 1/min laufen. Ich habe das aber nicht ausgerechnet oder ausprobiert, soweit bin ich noch nicht. Besser mit Profis reden (schreiben). Man muss ja nicht immer alle Fehler wiederholen, die Andere schon gemacht oder mitbekommen haben  Diese Vorgehensweise geht für mich nur bei einem Rumpf oder so. Der fliegt mir nicht um die Ohren, wenn das nicht hinhaut.
Turbomaschinen sind kein Spielzeug, das bin ich mir voll bewusst!

In den frühen Überlegungen zu solchen Vorhaben, taucht auch immer wieder die TESLA-Turbine als scheinbar ideale Antriebslösung auf.

Kannst Du Gedanken lesen? Habe lange an einer Kolbendampfmaschine gehirnt, bin aber berufsbedingt langsam der DT und ihrem Reiz erlegen. 

Die TESLA-Turbine entwickelt ihre höchste Leistung bei der halben Leerlauf-Umfangsgeschwindigkeit und die entspricht in etwa der Dampfgeschwindigkeit. Wie man diese errechnet, ist bereits bekannt.
Wir resümieren: Sehr hohe Drehzahlen oder große Raddurchmesser, niedriges Drehmoment, schlechtes Regelverhalten.

Die Sache mit dem schlechten Regelverhalten war mir so nicht bewusst. Ist das den hohen Drehzahlen geschuldet oder der Reaktionsträgheit aufgrund des niedrigen Drehmomentes?

Werde mir mal Gedanken machen, wie ich eine Beschaufelung für eine "normale" Impulsturbine mit meinen Werkzeugen herstellen kann. Das wäre ein erster ernster Knackpunkt für mein Projekt. Dann muss ich wohl das Lehrbuch für Thermodynamik wieder hervorkramen und das Kapitel Dampf erstmal studieren bevor es weiter geht. Wie bereits geschrieben, haben mich spezifische Eigenschaften von Dampf und die daraus resultierenden Probleme im Zusammenhang mit der DT doch etwas überrascht. Eine Kolbendampfmaschine stellt bezüglich Speisedampf viel weniger hohe Anforderungen, das ist schon klar. Dass die aber in diesem Ausmass anspruchsvoller sind, das hätte ich doch nicht gedacht.
Eine DT ist ja eine richtige Diva!! 

Wenigstens hatte ich immer Spass am Thermodynamikunterricht. Da fällt mir die Lektüre nicht so schwer...

Ein lieber Gruss vom Iron Dog