Strömungsmaschinen,
Tụrbomaschinen, Maschinen, die als Kraftmaschinen einem stetig strömenden Fluid (Wasser, Dampf, Gas) in einem beschaufelten Laufrad Energie entziehen und sie in mechanische Arbeit wandeln (Wasser-, Dampf-, Gasturbine) oder als Arbeitsmaschinen Arbeit an dem Fluid verrichten, wodurch der Druck zunimmt (Pumpen, Gebläse, Verdichter). Thermische Strömungsmaschinen arbeiten mit gasförmigen Fluiden, die bei der Verdichtung oder Entspannung merkliche Temperatur- und Dichteänderungen erfahren. Hydraulische Strömungsmaschinen sind Maschinen, in denen die Dichte des Fluids konstant bleibt, axiale Strömungsmaschinen solche, deren Schaufeln achsparallel durchströmt werden, und radiale Strömungsmaschinen Maschinen mit radialer Durchströmung.
Die Energieumwandlung erfolgt durch Änderung der Richtung und/oder Geschwindigkeit des Fluids in den Schaufeln des Laufrads. Als Drall bezeichnet man dabei den Drehimpuls, den das Fluid aufgrund seiner umlaufenden Strömungskomponente trägt und der mit dem Laufrad ausgetauscht wird. Pumpen und Verdichter arbeiten mit Drallvergrößerung. Bei meist drallfreier Zuströmung entsteht am Austritt ein großer Drall, dessen kinetische Energie in einer Leiteinrichtung im Gehäuse, einem Schaufelgitter oder einer Spirale, in statische Energie (Druckumsetzung) gewandelt wird. Bei Turbinen muss für einen Arbeitsgewinn der Drall verkleinert werden. Deshalb ist vor dem Laufrad in einer stationären Leiteinrichtung, einem Leitgitter (z. B. Leitrad) oder einer Spirale, eine Drallerzeugung erforderlich. Wenn die Arbeit nicht einstufig umzusetzen ist, verwendet man mehrstufige Ausführungen. Da die Umfangsgeschwindigkeiten von Radialrädern am Ein- und Austritt unterschiedlich sind, kann mit ihnen in einer Stufe mehr Arbeit umgesetzt werden als mit Axialrädern, bei denen die Umfangsgeschwindigkeiten genau oder annähernd gleich sind. Die wesentlichen Verluste der Strömungsmaschinen sind Strömungsverluste durch Strömungsreibung, Leckagen durch Über- und Rückströmung sowie mechanische Verluste durch Reibung bewegter Maschinenteile und durch Leistungsbedarf von Hilfsaggregaten. Das Funktionsprinzip ist bei Kraft- und Arbeitsmaschinen gleich. Dies nutzt man bei den Pumpenturbinen in Pumpspeicherwerken, die als Turbine Strom erzeugen und in Zeiten niedrigen Stromverbrauchs als Pumpe Wasser in den Speicher fördern.
Physikalische Grenzen beim Betrieb von Strömungsmaschinen: 1) Kavitation im Ansaugbereich von Wasserturbinen und Kreiselpumpen, wenn der örtliche Druck kleiner als der Dampfdruck wird; örtlich entstehende Dampfblasen werden mit der Flüssigkeit gefördert und fallen bei steigendem Druck schlagartig zusammen. Dabei entstehen hohe mechanische Beanspruchungen, die Schaufeln und Wände schädigen. 2) Kondensation als Phasenübergang vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand (in Kondensationsdampfturbinen unvermeidbar); aus Tröpfchen entstehen durch Agglomeration Tropfen, die so schwer sind, dass sie sich auf anderen Bahnen bewegen als der Dampf. Beim Auftreffen auf die Schaufeln kommt es zu Bremsverlusten und Erosion. 3) Die Schallgeschwindigkeit in Gasen begrenzt in durchströmten Kanälen den effektiven Volumenstrom und beeinflusst z. B. die Turboverdichter von Flugtriebwerken bei hohen Fluggeschwindigkeiten.
Arten von Strömungsmaschinen:
Die wesentlichen Strömungsmaschinen sind: 1) Wasserturbinen, im Allgemeinen einstufig, in Wasserkraftwerken zur Stromerzeugung für Leistungen von 1 kW bis 1 000 MW; 2) Dampfturbinen, übernehmen etwa 80 % der Weltstromerzeugung, heute mit Anlagenleistungen bis 1 300 MW; 3) stationäre Gasturbinen bis 100 MW für die Stromerzeugung, v. a. für Spitzenlast und Notstromversorgung; 4) mobile Gasturbinen in Flugzeugen, Schiffen und Panzern; 5) bestimmte Pumpen, Hauptbauart ist die Kreiselpumpe, auch für aggressive oder feststoffhaltige Flüssigkeiten, oft mehrstufig; 6) der Turboverdichter (Verdichter), v. a. für große Volumenströme und mäßige Druckerhöhung für Druckluft und Prozessgase in der Chemie und Hüttenindustrie sowie als Teil von Gasturbinenanlagen; 7) im weiteren Sinn Propeller zur Vortriebserzeugung bei Flugzeugen und Schiffen, zur Schuberzeugung bei Hubschraubern und zur Stromerzeugung bei Windkraftwerken sowie hydrodynamisch Wandler und Getriebe zur Leistungsübertragung.
Im Vergleich mit Kolbenmaschinen eignen sich Strömungsmaschinen wegen der stetigen Durchströmung und wegen der hohen Drehzahlen und Fluidgeschwindigkeiten für das Verarbeiten großer Volumenströme und für pulsationsfreie Förderung. Sie liefern eine Drehbewegung ohne Umweg über einen Kurbeltrieb. Der Aufbau ist deshalb einfacher, das spezifische Bauvolumen und Baugewicht der Strömungsmaschinen ist erheblich kleiner als das der Kolbenmaschinen. Die einstufig verarbeitbaren Energiegefälle sind deutlich geringer als bei den Kolbenmaschinen, können aber durch mehrstufige Ausführungen leicht erhöht werden. Die Strömungsmaschinen eignen sich für größte Maschinenleistungen, mit der Leistung steigt der Wirkungsgrad. So wurde die Kolbendampfmaschine durch Dampfturbinen und der Hochleistungshubkolbenmotor der Flugzeuge durch Gasturbinentriebwerke (Strahltriebwerk) weitgehend verdrängt.
Die Auslegung der Strömungsmaschinen erfolgt für den Auslegungspunkt, d. h. für bestimmte, vorgewählte Betriebsbedingungen. Der Ein- oder Austrittszustand der Strömungsmaschinen kann sich im Betrieb gegenüber dem Auslegungspunkt ändern. Dann ist Anpassung erforderlich, um das Gleichgewicht zwischen Strömungsmaschinen und übriger Anlage wiederherzustellen. Die Anpassung der Anlage erfolgt z. B. über Feuerungsverstellung bei Dampfkesseln, Öffnen oder Schließen von Bypassleitungen, Anpassen der Maschine durch Drehzahländerung oder Schaufelverstellung. Abweichungen vom Auslegungspunkt bewirken eine Wirkungsgradabnahme, die durch verstellbare Leiteinrichtungen begrenzt werden kann. Bei Verdichtern führt steigender Druck zu abnehmendem Volumenstrom. Dabei können die Verluste so wachsen, dass die Strömung sich örtlich ablöst (Grenzschichtablösung). Hierdurch sinkt der Volumenstrom weiter, was bei geringer Ablösung stabilisierend für benachbarte Bereiche wirken kann: Abgelöste Zonen (»rotating stall«) laufen um. Weiterer Druckanstieg bewirkt Pumpen, d. h. periodische Rückströmung im ganzen Querschnitt, wodurch eine sehr hohe Beanspruchung der Schaufeln auftritt, was unbedingt vermieden werden sollte. Die Pumpgrenze ist abhängig von Bauart, Drehzahl und möglicher Drallverstellung; eine besonders hoch liegende Pumpgrenze weisen Axialverdichter auf. Die radikale Änderung der Betriebsbedingungen durch schlagartige Entlastung (»Lastabwurf«) bei Dampf- und Wasserturbinen erfordert Einrichtungen zur Notabschaltung als Schutz gegen Durchgehen. - An- und Abschaltung ist bei großen Strömungsmaschinen zum Teil aufwendig. Das Anfahren ist oft nur mit elektrischem Strom möglich (kein Neustart bei Stromausfall). Bei Gasturbinen wird eine spezielle Anfahrmaschine benötigt.
Geschichtliches:
Als erste Strömungsmaschinen traten um 200 v. Chr. Wasserräder auf. Ein Windrad entwarf Heron von Alexandria im 1. Jahrhundert n. Chr. Windmühlen gibt es in Europa seit dem 12. Jahrhundert L. Euler schlug 1754 erstmals eine Maschine mit dreidimensional gekrümmten Schaufeln sowie mit einer Anordnung aus Leit- und Laufrad vor und lieferte erste Berechnungen hierzu. Den Begriff »Turbine« prägte 1820 der Franzose C. Burdin. Wesentliche Fortschritte beim Bau von Wasserturbinen wurden u. a. von J. B. Francis (1849), L. A. Pelton (1880) und V. Kaplan (1912) erreicht, bei Dampfturbinen von C. G. P. Laval (1883), D. A. Parsons (1884), C. G. Curtis (1896) und A. Rateau (1901). Die ersten Gasturbinen wurden von den Franzosen R. Armengaud und C. Lemâle 1905 gebaut. Weitere Entwicklungen waren Turboflugtriebwerke (z. B. F. Whittle 1930) und geschlossene Gasturbinenanlagen (u. a. J. Ackeret 1935).
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Universal-Lexikon. 2012.