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Autor Thema: Modell-Dampfturbinen. Leerlauftests mit Druckluft?  (Gelesen 4090 mal)

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Offline Turbo-Georg

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  • Beiträge: 657
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Modell-Dampfturbinen. Leerlauftests mit Druckluft?
« am: 05 September 2010, 12:21:32 »
Ich möchte eine entsprechende Fragestellung eines Lesers hier beantworten, in der Hoffnung, dass das Thema ein breiteres Interesse findet.

Nicht selten versuchen die Erbauer von Modell-Dampfturbinen durch Leerlauf-Tests mit Druckluft (Messung der Leerlauf-Drehzahl), Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit ihrer Turbine zu ziehen. Das führt aus folgenden Gründen zu Fehl-Einschätzungen:
Ohne Belastung, also lediglich Reibungsverluste in den Lagern, entwickelt selbst eine ungünstig oder falsch dimensionierte Turbine noch einen Leistungsüberschuss. Trotz schlechtem Turbinen-Wirkungsgrad wird das Laufrad bis zu einer Drehzahl beschleunigt, bei der sich wirksame Energie und Verluste die Waage halten. Auch eine begrenzte Zunahme der Leerlauf-Drehzahl bei Erhöhung des Betriebsdrucks bedeutet nicht unbedingt eine höhere Leistung, sie ist mit entsprechender Zunahme an wirksamer Energie durch das höhere Luft- bzw. Dampfgewicht erklärt. Selbst unter Last werden die Test-Ergebnisse unter Druckluft dadurch beeinflusst, dass einerseits der kritische Druck (Laval-Druck) von Luft deutlich niedriger liegt als der von Dampf und am Ausgang einfacher Düsen bereits bei niedrigem Druck eine starke Verwirbelung verursacht wird, andererseits die im späteren „Echt“-Betrieb unvermeidlich auftretenden Verluste an Wärmeenergie unberücksichtigt bleiben. Bei Tests mit Druckluft wird die Leistung der Turbine darüber hinaus auch von der Luftmenge bestimmt, welche sie durchströmt. Durch unkontrollierte und mitunter unbegrenzte Verfügbarkeit an Druckluft wird das Ergebnis häufig dahingehend verfälscht, dass die Turbine läuft, weil die aufgenommene Luftmenge einem Vielfachen der später verfügbaren Dampfmenge des Modellkessels entspricht.
Das trifft im gewissen Sinne auch für den Leerlauf einer richtig dimensionierten Turbine zu. Richtig dimensioniert heißt, dass für eine bestimmte Nennleistung die Abmessungen und Winkel ihrer Düsen und Schaufeln, sowie die Drehzahl und die Durchmesser ihrer Laufräder, optimal auf die Dampfgeschwindigkeiten in der Turbine abgestimmt sind. Bei Betrieb ohne Nennlast bewirkt der hohe Leistungsüberschuss ebenfalls eine starke Überschreitung der Nenn-Drehzahl. Je stärker die Nenn-Drehzahl überschritten wird, umso mehr vergrößert sich der relative Winkel mit dem der Dampf in die Schaufeln eintritt. Durch Dampfstoß auf den Schaufelrücken entsteht eine mehr oder weniger große, bremsende Wirkung. Der Wirkungsgrad und damit die Leistung verringern sich, bis auch hier eine maximale Leerlauf-Drehzahl erreicht wird, die aber ggf. zum Überdrehen der Turbine und zur Zerstörung führen kann.
Der Wirkungsgrad am Radumfang hängt bei gleichwinkligen Laufschaufeln vom Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit zur Dampfgeschwindigkeit ab.
Steigt die Umfangsgeschwindigkeit (Drehzahl) bei ansonsten unveränderten Werten, so sinkt der Wirkungsgrad nach einem parabolischen Gesetz. Folgen wir diesem Gesetz und gehen von einem Wirkungsgrad gleich Null beim Erreichen der höchsten Leerlauf-Drehzahl aus, so entspricht die maximale Umfangsgeschwindigkeit der Höhe der Dampfgeschwindigkeit. Die ist in der Praxis natürlich niedriger, da hierbei der Einfluss der Lager- und Radreibung berücksichtigt werden muss.
Die Turbinen-Leistung wird einzig vom wirksamen Wärmegefälle des Dampfes (Dampf-Geschwindigkeit), der Dampfmenge (Düsenquerschnitt) und dem Wirkungsgrad der Turbine bestimmt. Nur unter Dampf sind Belastungstests mit einem Bremsdynamometer oder einem Bremsgenerator über die wirkliche Leistung der Turbine aussagefähig.

Zusammenfassend kann gesagt werden:

-   Leerlauf-Tests, besonders die mit Druckluft eignen sich bei mäßiger Drehzahl lediglich zur Kontrolle von Leichtgängigkeit und Laufruhe (Unwucht).

-   Belastungstests mit Druckluft, selbst unter ansonsten völlig identischen Bedingungen durchgeführt, sind nur sehr eingeschränkt aussagefähig.

-   Die maximale Leistung wird unter entsprechender Belastung bei korrekten Dampfwerten und Nenn-Drehzahl entwickelt.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Captain Hans

  • Boardinventar
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  • Beiträge: 3199
Re: Modell-Dampfturbinen. Leerlauftests mit Druckluft?
« Antwort #1 am: 05 September 2010, 14:50:21 »
Hallo Georg

wieder einmal sehr lehrreich und sehr interessant top

viele Grüße

Hans
,Nur wer sich ändert,bleibt sich treu"!!!
,,Nicht was du bist,ist das was dich ehrt,wie du bist,bestimmt den Wert"!!!

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
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  • Beiträge: 657
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
Re: Modell-Dampfturbinen. Leerlauftests mit Druckluft?
« Antwort #2 am: 05 September 2010, 16:55:13 »
Hallo Hans,

ich bin selbst sehr darüber erstaunt, welches Interesse die Beiträge über Modell-Dampfturbinen in der Leserschaft des Forums finden.
Ich freue mich über jede Frage zum Thema, ob öffentlich oder privat.

Grüße über den großen Teich!

Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg

Offline Turbo-Georg

  • Oberleutnant zur See
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  • Beiträge: 657
  • Avatar: Nd-Turbinenschaufel
Re: Modell-Dampfturbinen. Leerlauftests mit Druckluft?
« Antwort #3 am: 09 September 2010, 12:23:54 »
Zeichnung zum Selbstbau eines Bremsdynamometers für Waage oder Gewicht.
Vermeintlich Schwieriges leicht verständlich machen.

Gruß Georg