Table Of ContentDie Dampfturbinen
mit einem Anhange tiber die
Aussichten der Warmekraftmaschinen
und iIbel' die
Gasturbine.
VOll
Dl'. A. Stodola,
Professor am Eidgenossiscben Polytechnikum in ZUrich.
Zweite, bedeutend el'weitel'te Auflage.
Mit 241 Textfiguren und 2 lithogr. Tafeln.
Berlin.
Ve rIa g von J u 1 ius S p r i n g e r.
1904.
ISBN-13: 978-3-642-90436-3 e-ISBN-13: 978-3-642-92293-0
001: 10.1007/978-3-642-92293-0
Alle I-techte, insbesondere das der
t"bersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1904
V orwort zur erste n Auflage.
Auf Anregung eImger FreUllde aus del' Praxis wird hiermit
llie gleiehnamige Stud ie des Verfassers in del' Zeitschrift des Vereins
deutscher 1ngenieure, Jaln'gang' 1903, mit erlauternden Zusatzen ver
,.;ehen, als Sonderabdruck del' Offentlichkeit ubergeben. Dank dem
Entgegellkommen me111'e1'er Turbinenbaufirmen ist del' Verfasse1' in
del' Lage, eine ~\Veite1'e Reihe wichtiger konst1'uktiver Einzelheiten,
die zum gro13en rreil unl)ekannt sein cHtrften, mitzut eil en , und hofft
so seinem Ziele, eine Konstruktionslehre del' Dampfturbinen zu
schaffen, einen Schritt naher g'ekommen zu sein.
1m gegenwa.rtigen Stadium des Dampfturbinenbaues mu13 in
clessen das Haupt~'ewicht auf die Erorterung del' wissenschaftlichen
Grundlagen diesel' hohe Bedeutung erlangenden Motorellart gelegt
werden, ,Vir 1ngenieure wissen ja sehr wohl, da13 del' Maschinellbau
<lurch das gro13 angeIegte praktische Experiment vielfach mit spielell
del' Leichtigkeit Aufgaben gelOst hat, welchen die Forschung jahre
lang ratlos g'egenuben;tand. AIlein das "Probieren " , wie del' 1n
genieur das Experiment ironisch -gemi.itlich gerne nennt, ist haufig
ilber aIle :J:[a13en kostspielig', lInd einer del' obersten Gesichtspunkte
aller teclmischen Tatigkeit, das wirtschaftliche Moment, soUte uns
clazu flthrell, auch die Ergebnisse del' wissenschaftlichen teehllischell
Arbeit nicht zu unterschatzen, VOl' aHem auf so neuen Gebieten
wie das vorliegellcle.
Hin und wieder tauchen Stimmungen auf, die unverkenn bar
elm'auf hinzielen, den Maschinenbau ganz auf die dureh das GroI~
experiment unterstutzte Empirie zu begriinden. Umnoglieh ware
ein solches Beg'innen nieht, abel' aueh nicht wirtschaftlieh, mithin
nieht techniseh. Die 1ndustrie kann die wissenschaftliehe lVIitarbeit
nie entbehren; nicht aus 1dealismus, sondern weil diese lInter ge
wif'sen Umstanclen das "billig'ere Verfahren" bildet, ans Ziel zu
l'"
IV VorWOl't zur el'sten Auflage.
gelangen. Gegentibel' del' el'wi:ilmten sehr einseitigen Auffassung
dar! wieder einmal daran erinnert werden, vvelche bedeutenden Opfer
schon lngeniem'e und .lYIaschinenbauanstalten fl'uchtlos dargebracht
haben, weil zufolge mangelnder Einsicht in die wissenschaftlichen
Grundlagen del' unternommenen Aufgabe cin von Anfang an gTund
falscher "\Veg eingeschlagen wurdc. Die Gesamtheit mag' ruhig' zu
sehen, wie del' Einzelne an einem aussichtslosen Experiment okono
misch verblutet, die Einsichtigen werden den Vorgang, del' sicll
leider so haufig wil"derholi, als volkswirtschaftlichen Schaden empfin
den, abgesehen davon, da£ niemand sich gel'ne in del' Lage del'
Betreffenden befinden mochte, Del' Dampfturbinenbau bietet be
sonders zahlreiche Beispiele fitr die N otwendigkeit, die konstruktive
Tatigkeit mit wissenschaftlichen Gesichtspunkten zu verknitpfen.
So dad darauf hingewiesen werden, wie wichtig es ist, die Dimen
sionen del' Laufrader, deren Umfange fast die Geschwindigkeit eines
Geschosses erreichen, genau vorher zu bestimmen, damit die herr
schende .lYIaterialbeanspruchung an keiner Stelle die zulassige Grenze
tiberschreitet. OdeI' wie unvorteilhaft es ware, bei den neuerdings
in Aufnahme kommenden horizontal rotierenden Scheibenl'adern,
die bedeutende Durchmesser erhalten, etwa erst nach del' Ausfithrung
experimentell ermitteln zu wollen, wie stark sich die Scheiben unte1'
ihrem Eigengewicht durchbiegen, und urn wieviel sie durch die Flieh
kraft wieder gerade gerichtet werden, was mit Rticksicht auf das
St1'eifen im engen Spiel zwischen den Schaufeln von Wichtigkeit ist.
Welchen Gefahren geht ein Konstrukteur entgegen, del' sich an den
Bau von Dampfturbinen heranwagt, ohne gellaue Kenntnis vOn den
Erscheinung'en del' sogenannten kritischen Geschwindigkeit zu haben!
Schlie£lich kann man fragen, ob es "wirtschaftlich" ist, auch nul'
die Patentgebtihr fitr gewisse Turbinensystemc zu erlegen, bei wel
chen die grO£ere HaUte des erzielbaren A1'beitsgewinnes vernichtet
wird, bevor noch del' Dampf das Laufrad e1'1'eicht hat?
Selbstverstandlich dad anderseits dem im praktischen Leben
stehenden vielbeschaftigten lngenieur nicht zngemutet werden, da£
er del' wissenschaftlichen Arbeit in ihre verwickelten Einzelheiten
folge. Auch fitr Studierende technischer Hochschulen ist es ratsam,
sich erst in die Grundbegriffe nach .lYIoglichkeit einzuleben, bevo1'
sic zur Behandlung schwierigerer Aufgaben schreiten. Hingegell
von den Ergebnissen del' Forschung Kenntnis zu nehmen,
hierzu dad wohl jeder Beteiligte eillgeladen werden, und
diesem Zwecke mochte vorliegendes Werklein ebenfalls dienen. Es
Vorwort znr ersten Anflage. v
ist stets darauf Bedacht genommen worden, die Ergebnisse durch
den Versuch nach 1\1oglichkeit zu kontrollieren und sichel' zu stellen.
So dad angefiihrt werden, daB auBer den schon verOffentlichten
Versuchen weitere tiber die Ausstromung durch Di1sen ins Freie,
tiber die Widerstande del' Turbinenschaufeln, und eine Reihe von
Versuchen uber die kritischen Umlaufzahlen mehrfach belasteter
1Vellen angestellt worden sind.
Unter den Zusatzen wird vielleicht Interesse erweckell das Auf
find en del' bisher unbekannt gewesenen kritischen Geschwindigkeit
"zweiter Art"; die 1Virkung del' "Resonanz" del' Umlaufzahl mit
del' Fundamentschwingung; die Verbiegung horizontaler Scheib ell
und die Wirkullg ihrer Fliehkrafte; die strenge Losung del' Fl'ag'e
nach del' Druckverteilung bei del' Stromung einer elastischen Flitssig
keit, u. a.
Die Darstellung muBte auBel'st knapp gehalten werden und be
schrankt sich vielfach auf bloBe Andeutungen in del' Entwicklung;
doch durfte dem sich naher interessierenden Leser auch die Be
grtindung uberall klar werden.
Um die Ubersicht zu erhohen, erfolgte eine Trennung in drei
Teile; im erst en ist das eigentliche Tnrbinenthema behandelt, im
zweiten finden sich einige weitergehende, mehl' mathematische Vor
bercitung el'heischende Untersuchungen vel'einigt. Del' dritte Teil
ist stark erweitert und bietet einen kurzen AbriB del' Wal'memechanik,
denn es ist unzweifelhaft, daB ein tieferes Verstandnis del' Energie
umwandlung in del' Dampfturbine nul' auf thel'modynamischel' Grund
lage gewonnen werden kann. Die theoretische Abstl'aktion wider
standsloser Stromungen muB aufg'egeben werden, wenn es sich um
die Wil'klichkeit handelt; diesel' zu folgen gibt es abel' nul' ein an
schauliches Hilfsmittel: den Begriff del' Entropie, welche mit Hilfe
un serer Entropietafel aIle 1Varmerechnungen leicht zu erledigen ge
stattet. Urn dem praktischen Ingenieur Anregung zu bieten, die
vielleicht etwas verblaBten Grundlehren del' Thermodynamik auf
zufrischen, sind die beiden Hauptsatzedieser eigentlichen vVissen
schaft del' Warmemotoren lmrz entwickelt. Fur den tiefer ein
dringenden Leser mii.Bte mithin die Lekture dieses Abschnittes als
Einleitung empfohlen werden. Ich benutzte die Gelegenheit, den
zweiten Hauptsatz in einer den modernen Anschauungen entsprechen
den Form wiederzugeben, yom perpetuum mobile zweiter Art aus
gehencl. Die Plancksche Herleitung, del' bei naherem Zusehen
noch einige Unklarheiten anhaften, wurde durch eine, wie ich hoffe,
VI Vorwort zur ersten Auflage.
befriedigel1c1e Fassung ersetzt. ,J e mehl' del' zweite Hauptsatz an
gefochten wurde, um so gefestigter gil1g er jedesma1 aus dem
Streite he1'vor, und so durfte den Erfinderl1 bei diesem An1aB zu
g·erufen werden, daB sie ihren aussichts10sen Fe1dzug gegen clieses
Fundament unserer "lVissel1schaft einstellen mochten. Den Sch1u1.l
hilLlet eine kurze Ubersicht neue1'er Vorschlage fitr Arbeitsver
fah1'en von \Y~1rmekraftmaschinen, unter we1che es mil' bei den
Fortschrittell del' Koh1enverg·aser zeitg·ema1.l schien, auch die Gas
turbine aufzunehmen.
Zi.trich, August 1903.
Del' Vedasser.
Vorwort zur zweiten Auflage.
Die zweite Auflage unterscheidet sich von del' e1'sten durch
folgonde Einzelheiten:
Zunachst wurde im Intoresse dol' Leser aus del' Praxis eine
elementare Einleitung in die TheOl'ie del' Dampfturbine aufgenommen,
welche von del' Verfolgung des vYarmezustandes absieht, indessen
trotzdem mit Hilfe empirischer Ansatze einen guten Teil del' Rei
bungsvorgange zu beritcksichtigen gestattet,
Den Hauptteil del' mil' zur Verftigung stehenden Zeit verwen
dete ich auf die Durchftihrung oiner Versuchsreihe uber den
Reibungswiderstand von Turbinenradern in Luft, aus welchen
mit ziemlicher Sicherheit auch auf den Widerstand in Dampf ge
schlossen werden kann. Durch dieso Versuche wird die ftihlbarste
Liicke in del' TheOl'ie dol' Dampfturbine wenigstens zum Teile aus
geflillt, und fur zukunftige Analysen von Versucbsergebnissen eine
zuverUissigere Grundlage gescbaffen.
l\Ut Genehmigung des Herm Prof. Mollier-Dresden durfte seine
Hix Turbinenrechnungen vorzuglich geeignete Tafel del' ,,",Varme
inhalte" des ",Vasserdampfes dem Buche beigegeben werden.
Eine weitere Zutat, die dem Konstrukteur gerade im gegen
wal'tigen Zeitmoment ebenfalls gelegen kommen durfte, besteht in
del' Wiedergabe von recht ausgedelmten Versuchen mit den viel
stufigen Aktionsturbinen von Zally und Rateau, welche Verfassel'
durchzuftihren Gelegenheit hatte. Da ihm hierbei in dankenswerter
Weise volle Freiheit in del' Aufstellung des Versuchsprograll1mes
gewahrt wurde, konnten auch Versuche wissenschaftlichen Charakters
angestellt werden, und man darf behaupten, daB wir uber das Ver
halten diesel' Turbinenart unter verschiedenen Betriebsumstanden
bessel' unterrichtet sind, als uber dasjenige irgend eines anderen
Systemes.
VIn Vorwort zur zweiten Auflage.
Die intensive }<'ortentwickelung del' Dampfturbine durch die
ilIaschinenindustrie ermoglichte dem Verfasser, auBer del' schon
e1'wiUmten Zolly-Turbine, Mitteilungen tiber die zur Zeit neuen
Turbinen von Riedler-Stumpf, Lindmark, Gelpke, Schulz
zu bringen, wahrend eillige in allerletzter Zeit auftauchende Aus
fiihrungen nicht mehr aufgenommen werden konnten.
Del' Text ist im ganzen, soweit die Ktirze del' Zeit es gestattetc,
durchgesehen und mit zahlreichen Erweitel:ungen yersehen. So
wurde eine Untersuchung des Einflusses, \velchen ungleiche Er
warmung auf die Beanspruchung del' Scheibenrader austibt, weil
yon besonderer praktischer Wichtigkeit, eingefilgt. Einige Mit
teilungen tiber die Schiffsturbine und ihl'e gyroskopische Wirkung
8chienen unerlamich. Die kritische Umlaufszahl "zweiter Art" wurde
auf yereinfachte Weise abgeleitet, und die 8chonen Untersuchungen
yon Dunkerley tiber die kritische Umlaufszahl von ,Yellen auf
genommen.
Das Konst1'uktive e1'fuh1' eine groBe1'e Betonung und del' Ver
fasser freut sich, be1'eits eine Anzahl von We1'kzeiclmungen dem
Bii.chlein einve1'leiben zu konnen. Es sei den freisinnigen Fil'men,
die sich so vol'urteilsfrei tiber die vielfach zn weit gchellde Ge
heimhaltung hillwegsctzten, an diesel' Stelle ve1'billdlichster Dank
ausg·espl'ochen.
Die Dampfturbine zcitigt auch auf dem Gebiete des wil'tschaft
lichen Lebens denkwiirdige E1'eignisse, da sie Ve1'anlassung geworden
ist zur Grtindung del' bekannten "Interesscngemeinschaften", von
einer Ausdelmung, die man in den Kreisen del' europaischen
Maschinenindustric ftir nnerreichbar gehalten hatte. Del' zu er
vmrtende machtig'e Wettbewerb del' verschiedenen Systeme be
rechtigt nns zur Folgerung, daB del' Konstrukteur sich durch die
Macht der Umstande vel'anlaBt sehen wird, fill' seine Werke die
hochste Stufe praktischcr und wissenschaftlicher V ollendung an
zustreben, l1l11 sich jede Burgschaft des Erfolges zu slchern. Mage
sich auch die zweite Anflage dieses Buches seinen Zwecken als
dienlich erweisen.
Ztirich, Enc1e April 1904.
Del' VeriasSel'.
Inhaltsiibersicht.
Seite
VOl'lVOl't ZUl' el'sten Auflage III
Vorwort zur zweiten Auflage. . . VII
Haufiger gebrauchte Bezeichnungen . XIII
I.
Elemelltal'e Theol'ie del' Dampftul'bine.
1. Die Adiabaten des "\Vasserdampfes . 1
2. Die Formel von de Saint-Venant 3
3. Das Druckgefalle. . . . . . . 6
4. Die Lavalsche Diise . . . . . 7
5. Einteilung der Dampfturbinen . 10
A. Axiale Turbinen 11
6. Die ideale einstufigc Druckturbine ... . . . 11
7. Die einstufige Drucktul'bine mit Bel'iicksichtigung del' Reibung 13
7 a. Bestimmung del' Quel'schnittsabmessungen HiI' die einstufige Druck-
turbine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
8. Die einstufige Uberdruckturbille. . . . . . . . . . . . . . . .. 15
8 a. El'mittelung del' Quel'schnitte fill' die einstufige tTberdruckturbine 17
9. Bestimmung del' Leistung und des Wirkungsgrades durch das Prinzip
des Antriebes . . . . . . . . 19
10. Die mehrstufige Dl'uckturbine. . . . . . . . . 22
11. Die vielstufige Uberdl'uckturbine . . . . . . 30
12. Vergleich der Geschwindigkeiten und der 8tufenzahlen bei Aktions-
und bei Reaktionsturbinen . . . . . . . . 31
B. Radialturbinell 33
II.
TheOl'ie del' Dampfturbille auf warmemechallischel' Grulldlage.
A. Die statiouare Stromung des Daml)fes 34
13. Bezeichnungen und Definitionen. . . . . . . . . . . . . . 34
14. Thermodynamische Gl'undgleichungen .......... . 35
14a. Die Reibungsarbeit und del' Verlust an kinetischer Enel'gie 38
15. Die Entropietafel. . . . . . . . . . . . . . . . . 40
16. Versuche i.iber die Bewegung des Dampfes in DLisen 42
17. Klinstlich erhohtel' Gegendl'uck . . . . . . . . . . 50
II
X Inhaltsubersicht.
8eite
18. Der Einflutl einer Querschnittserweiterung 55
19. Isentropische Linien ......... . 57
20. Rechnerische Behandlung. . . . . . . . 59
21. Die Duse mit verlangertem Einstromhals 63
22. Die Strahlkontraktion . . . . . . . . . 64
23. Versuche uber den Dampfausflutl aus Mundungen 65
24. Ausstromung aus einer konisch erweiterten Duse ins Freie 67
25. Versuche mit Turbinenschaufeln ......... . 69
B. Del' Energieu~satz in del' Dampftul'bine 74
26. Der thermodynamische Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . 74
26a. Endzustand des Dampfes in einer beliebigen Dampfturbine . 76
Axialturbinen . . . . 77
27. Die einstufige Druckturbine. . . . . . 77
a) GroBe Druckunterschiede; Entwurf der Duse 77
b) Vorgange im Schaufelkanal ..... . 78
c) Entwurf des Geschwindigkeitsplanes und die Ermittelung der
Leistung ...... . 80
d) Kleine Druckunterschiede . . . . . . . 82
28. Die mehrstufige Druckturbine. . . . . . . . 82
a) Eine Druck-, mehrere Geschwindigkeitsstufen 82
b) Mehrere Druekstufen mit je einer Geschwindigkeitsstufe 83
29. Die vielstufige Uberdruckturbine . . . . . . . . . . 85
30. Die vielstufige Druckturbine . . . . . . . . . . 98
31. Vielstufige Turbinen mit stetig veranderlieher Umfangs- und Dampf-
geschwindigkeit . . . . . . . . . . . 100
Radialturbinen. . . 104
32. Tafel fur Wasserdampf von Mollier . . . . . . 104
Endzustand des Dampfes fur ein beliebiges Turbinensystem 106
Anwendung auf den Entwurf von Dampfturbinen . 106
a) Einstufige Druckturbine . 106
b) Mehrstufige Druckturbine . 106
c) Vielstufige Druckturbine. . 106
33. Die Dampfreibung rotierender Scheib en 107
III.
Konstruktion del' wichtigsten Turbinenelemente.
34. Schaufelform. . . . . . . . . . . . . . . . 117
35. Weite und lange oder kurze aber enge Kanale 118
36. Konstruktion und Befestigung del' Schaufeln 119
1. Hohe Umfangsgeschwindigkeit .. 119
a) Schaufeln einzeln hergestellt 119
b) Schaufeln mit dem Kranz aus einem Stuck 122
<
2. MaBige Umfangsgeschwindigkeit (tt 150 m) 124
37. Konstruktion der Leitvorrichtung . . 127
38. Die Radtrommeln . . . . . . . . . 130
39. Scheibenrad mit veranderlicher Dicke 132
40. Die Scheibe gleicher Festigkeit . . . 139
