Arten von Turbinen

WAS IST EINE TURBINE?

Letzte Woche haben wir uns in unserer Rubrik „ALL ABOUT BLADES“ die Geschichte der Turbinenschaufeln angeschaut. Diese Woche werden wir uns darauf konzentrieren, was eine Turbine ist, wie sie funktioniert und was sie unterscheidet.

Eine Turbine ist eine Maschine zur kontinuierlichen Energieerzeugung, bei der ein Rad oder ein Rotor, der in der Regel mit Schaufeln versehen ist, durch einen schnell fließenden Strom von Wasser, Dampf, Gas, Wind oder einer anderen Flüssigkeit in Drehung versetzt wird. Beispiele dafür sind der Hoover-Damm oder die mächtigen Niagarafälle, wo das Wasser durch Turbinen fließt, die sich unter dem Druck des fallenden Wassers drehen und fast 4,9 Millionen Kilowatt erzeugen, die 3,8 Millionen Haushalte mit Strom versorgen. Wussten Sie, dass es in Deutschland seit 2020 7.254 Wasserkraftwerke gibt? Oder denken Sie an die berühmten alten Windmühlen in Holland, die Vorläufer der heutigen Windturbinen, die eine effektive und kostengünstige Quelle für erneuerbare Energien zur Stromerzeugung sind.

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VERSCHIEDENE ARTEN VON TURBINEN

Als Turbomaschinen werden im Maschinenbau Maschinen bezeichnet, die Energie zwischen einem Rotor und einem Fluid oder Dampf übertragen. Dazu gehören sowohl Turbinen, als auch Kompressoren, die häufig in der Automobilindustrie (Turbolader), in der Luft- und Raumfahrt (Flugzeugturbinen), im Energiesektor (Gas- und Dampfturbinen) und in der Industrie (Kompressoren) eingesetzt werden.

Turbinen können nach der Strömungsrichtung unterteilt werden. Die drei Hauptbereiche sind radial, diagonal und axial, und das Strömungsmedium bestimmt, um welche Art von Turbine es sich handelt. Die vier Haupttypen sind Dampf, Gas, Wasser und Wind. Alle Turbinen sind wichtig und spielen eine große Rolle in der Industrie, aber wir werden uns nur auf Dampf und Gas konzentrieren, was uns dazu führt, die axiale und radiale Strömungsrichtung zu betrachten.

Was ist der Unterschied zwischen axialen und radialen Turbinen? Bei einer Radialturbine ist die Strömung gleichmäßig senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet und treibt die Turbine auf die gleiche Weise an, wie Wasser eine Wassermühle antreibt. Das Ergebnis ist eine geringere mechanische Belastung (und eine geringere thermische Belastung im Falle heißer Arbeitsflüssigkeiten), wodurch eine Radialturbine im Vergleich zu Axialturbinen einfacher, robuster und effizienter (in einem ähnlichen Leistungsbereich) sein kann. Bei der Axialturbine strömt das Arbeitsmedium parallel zum Axialverdichter der Welle und wandelt die Strömung des Mediums in mechanische Rotationsenergie um.

Alle Turbinen sind wichtig, aber es ist das komplexe Profil der Düsenturbine das wir am häufigsten messen.

MEHR ÜBER AXIALTURBINEN UND -KOMPRESSOREN

Bei #allaboutblades geht es im Wesentlichen um Turbinenschaufeln, und deshalb wollen wir uns auf axiale Turbomaschinen konzentrieren. Axialturbinen und -kompressoren bestehen aus mehreren Stufen. Stufen sind die Kombination aus einem Paar rotierender und stationärer Schaufeln (Leitschaufeln). Die Schaufeln sind mit dem Rotor verbunden, die Leitschaufeln mit dem Gussteil. Die Hauptfunktion der Schaufeln besteht darin, die Energieübertragung zwischen dem Gas und dem Rotor zu gewährleisten. Die Schaufeln hingegen bereiten das Gas für den Eintritt in den nächsten Satz rotierender Schaufeln vor und leiten den Strom des durchströmenden Gases vom vorherigen Schaufelsatz auf den nächsten Schaufelsatz um. Dies führt zu einem geführten Strom von Druckluft, energiereichem Dampf oder Abgas durch die Turbine/den Verdichter, um die größtmögliche Energiemenge zu übertragen.

Axialturbinen und Kompressoren sind verschiedene Arten von Turbomaschinen mit denselben Grundprinzipien, nur in umgekehrter Form. Turbinen werden mit energiereichem Gas gespeist, das die Turbine durchströmt. Stufe für Stufe überträgt es seine Energie auf die Schaufeln. Das durchströmende Gas entspannt sich, dehnt sich aus und dadurch vergrößern sich die Schaufeln und Leitschaufeln entlang des axialen Strömungswegs des Gases. Am Ende wird die gesamte Energie auf die Schaufeln und damit auf den Rotor übertragen, um schließlich eine andere Maschine anzutreiben. Bei der Energieerzeugung in Kraftwerken ist die Turbine mit einem Generator verbunden, um Strom zu erzeugen.

Ein Kompressor funktioniert auf umgekehrte Weise und wird von einem Motor angetrieben. Die Luft wird von den rotierenden Schaufeln angesaugt und durch den Verdichter gepresst. Jeder Satz Schaufeln/Ventile ist etwas kleiner, was der Luft mehr Energie und Kompression verleiht.

GASTURBINEN – BEIDE WELTEN KOMBINIERT

Flugzeugturbinen haben sowohl einen Verdichter als auch eine Turbine, und dazwischen befindet sich die Brennkammer. Die Luft wird in die Turbine gesaugt, komprimiert und mit dem Treibstoff vermischt, so dass eine Verbrennung stattfindet, die zu einem Schub führt. Außerdem wird eine Turbine im Abgasstrom durch den Abgasstrom aktiviert. Das Laufrad der Turbine ist mit dem Verdichter verbunden und wirkt somit wie ein mechanischer Verbindungsmotor zum Verdichter, der den Verdichter antreibt. Die Hauptenergie des heißen Abgases wird jedoch zur Schuberzeugung genutzt, indem seine Geschwindigkeit durch die Düse erhöht wird.

Dieses Grundprinzip findet sich auch bei den Turbojet-/Düsentriebwerken, den einfachsten Typen von Flugzeuggasturbinen.

Die Turbofan-Gasturbine ist der häufigste Typ von Turbinentriebwerken, der heute in Flugzeugen eingesetzt wird. Das Grundprinzip ist das gleiche, aber die Komponenten sind komplexer. Zusätzlich gibt es einen Fan und ein Bypass-System, um die Effizienz und Stabilität der Turbine weiter zu erhöhen.

Turbowellenmotoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine anhaltend hohe Leistung, hohe Zuverlässigkeit, geringe Größe und geringes Gewicht erfordern. Sie finden diese Anwendung in Hubschraubern, Hilfstriebwerken, Booten und Schiffen, Panzern, Luftkissenfahrzeugen und stationären Anlagen.

DIE STRUKTUR DES BLATTES

Schaufel und Flügel haben unterschiedliche Funktionen, weisen aber ähnliche geometrische Elemente auf. Die Schaufel lenkt den Strömungsweg um, während die Schaufel die Energie zwischen Gas und Rotor überträgt. Die Schaufeln müssen bei hohen Drehzahlen und Temperaturen arbeiten, während die Leitschaufeln den von den rotierenden Schaufeln angetriebenen Strom mit optimalem Wirkungsgrad zur nächsten Turbinenstufe leiten. Sowohl die Schaufeln als auch die Leitschaufeln müssen oxidations-, korrosions- und verschleißbeständig sein und eine lange Lebensdauer aufweisen.

Dies ist einer der wichtigsten Aspekte, die Unternehmen bei der Verbesserung ihrer Schaufeln berücksichtigen, um die Leistung zu steigern und die Lebensdauer der Schaufeln zu verlängern.

MESSUNG STEIGERT DIE EFFIZIENZ

Die Struktur und Funktion der Schaufel besteht aus drei Aspekten:

1) Die Wurzel dient zur Befestigung der Schaufel am Rotor oder Gehäuse. Je nach mechanischer Belastung, erforderlicher Befestigungspräzision und Herstellungskosten, können die Wurzeln unterschiedlich sein. Wir werden dieses Thema in Zukunft noch einmal eingehend behandeln.

2) Das Schaufelblatt, das funktionell so geformt ist, dass es die richtige Wechselwirkung mit dem Gasstrom gewährleistet, soll den Strömungsweg umlenken, während die Schaufel die Energie zwischen Gas und Rotor überträgt. Das Profil geht über einen Übergangsradius und eine gekrümmte Plattformfläche in die Wurzel und den Mantel über. Das Profil besteht aus einer Druck- und einer Saugseite mit einer Vorder- und einer Hinterkante, die Teil unseres ausführlichen Blogs sein werden.

3) Das Deckband ist optional und hängt von der Anwendung der Turbine ab. Ummantelte Schaufeln dienen der Kontrolle und Minimierung von Leckströmen zwischen Schaufelspitzen und Schaufeln sowie der Begrenzung von Schwingungsamplituden, um die Schaffung eines stabilen Außenrings zu gewährleisten.

WENZEL MEASURES #MOREPARTSFASTER

Bei der Herstellung von Schaufeln gibt es eine große Vielfalt an Formen, Abmessungen und Anforderungen für jede gewünschte Anwendung. Die Profile sind so konzipiert, dass sie die erforderliche Leistung maximieren. Unabhängig von der Größe, der Oberfläche oder der Vorlaufzeit gibt es für CORE keine Einschränkungen. Das optische Hochgeschwindigkeits-Scansystem wurde für die rauen Bedingungen einer direkten Produktionsumgebung entwickelt. CORE M zeichnet sich durch Temperaturstabilität, Schmutz- und Vibrationsresistenz aus. Hochdynamische Linearantriebe und die robuste Basismaschine des 6-Achsen-Messsystems ermöglichen Messungen mit hoher Geschwindigkeit.

Der innovative optische Hochintensitäts-Lichttaster von WENZEL sorgt für eine schnelle Punkterfassung, auch an schwer zugänglichen Bauteilen und hochreflektierenden Oberflächen, ohne zeitaufwändiges Umpositionieren des Bauteils oder Vorbehandeln von Oberflächen.

Die CORE M hat ein Messvolumen von 500 mm x 500 mm x 2.500 mm und ist damit ideal für die Messung großer Bauteile. Innerhalb des Maschinengehäuses befindet sich ein System von dynamischen Ausgleichsgewichten, die den Kräften, die durch die Hochgeschwindigkeitsbewegung des Scanners entstehen, entgegenwirken, so dass auch bei bemerkenswert hohen Messgeschwindigkeiten keine Genauigkeitsverluste auftreten. Das umfangreiche Softwarepaket von WENZEL ermöglicht einfache und schnelle Auswertungen an Schaufeln mit der in Zusammenarbeit mit Industriepartnern entwickelten Schaufelanalysesoftware WM | Blade Analyzer.

Wie Sie vielleicht schon bemerkt haben, lieben wir Messturbinenschaufeln mit ihrem Rotgussgrau und ihrem glatten, anmutigen Design. Diese kleinen Teile haben einen bedeutenden Einfluss, der es uns ermöglicht, die Welt auf Reisen zu erkunden, unsere Wirtschaft aufzubauen und unsere Länder und unsere Lieben zu schützen - all das sind gute Gründe dafür. Ich möchte Sie ermutigen, eine entspannende Flussfahrt auf einem alten Dampfschiff zu genießen, die Größe der großen Windturbinen zu bestaunen, die Niagarafälle zu besuchen und daran zu denken, wie weit wir im Laufe der Jahrhunderte gekommen sind. Erinnern Sie sich daran, dass durch Messungen Verbesserungen erzielt wurden und sich die Technik weiterentwickelt hat.

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