Maximale Ausstroemgeschwindigkeit (was: Moeglicher Tunguska-Impaktkrater gefunden)

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begin quoting, Roland Damm schrieb:
Ich biege das mal nach d.s.i.m. um, wo es hingehört.


Das gilt dann, wenn man zum Antrieb nur die innere Energie des Mediums verwendet - dann ist es eigentlich einfach: Im Idealfall bewegt sich das Medium adiabat, also im Zustandsdiagramm entlang einer Isentrope - dann wird maximal die Enthalpie frei, die sich leicht in die Geschwindigkeit des Strahls umrechnen läßt.

Stimmt, eine Geschwindigkeitszunahme ist grundsätzlich mit einem Druckabfall (sonst würde das Medium nicht beschleunigt) und damit einer Expansion verbunden. Ich frage mich nur, ob man das nicht irgendwie austricksen kann.
Nehmen wir mal ein Raketengeschoß: Ein zylinderförmiger Dampfbehälter mit einer Düse hinten in einem "Kanonenrohr" mit Löchern, so daß sich kein Druck aufbaut. Durch den nach hinten austretenden Dampfstrahl wird die "Granate" beschleunigt, und zwar im Prinzip auf beliebig hohe Geschwindigkeiten (Raketengleichung; hängt nur vom Verhältnisse Dampfmasse zu Behältermasse ab). Wenn wir nun in dem Moment, in dem das Geschoß die Mündung verläßt, die "Nase" absprengen, kommt aus dem Rohr ein beliebig schneller Dampfstoß, auch mit einem Vielfachen der Schallgeschwindigkeit, heraus, wäre also weitaus "heißer" als im "Granatensystem": Das ist eine Wärmepumpe.
Nun müßte man zum einen die "Hülse" weglassen können und zum anderen von einem "getakteten" zu einem kontinuierlichen Betrieb übergehen können, und das möglichst ohne bewegte Maschinenteile ... ich hätte das schon Ideen. (Die andere Frage wäre, was es bringt: Bei Raketenantrieben, bei denen es auf die möglichst hohen Impulse ankommt, wären solche Beschleunigungen natürlich nützlich, aber bei stationären WKM kann natürlich immer nur höchstens der Carnot-Wirkungsgrad herauskommen, egal, wie schnell man den austretenden Strahl machen kann.)

Ja, stimmt.

Nein, wieso? Dampfturbinen sind keine Wasserturbinen. Der Dampf kann durch nur wenig angestellte Schaufeln strömen, dann können sich die Räder langsam drehen - muß man lange axiale Strecken vorsehen und dabei die Strömungsgeschwindigkeiten durch die Radien des "Dampfhohlzylinders" steuern - vorne tritt ein Zylinder mit großem Radius und dünner Wandstärke ein, und hinten ein kleiner Vollzylinder aus, evtl. ähnlich wie ein umgekehrter Radiallüfter gebaut, das hätte Watt ganz gut hinkriegen können und sollte einen ganz ordentlichen Wirkungsgrad haben.
Gruß aus Bremen Ralf
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Moin,
Ralf Kusmierz schrub:

Hmm, hier liest doch keiner mit. Aber gut.

In der Düse nachheizen. Sowas wird ja auch gemacht. In richtigen Kraftwerken wird der Dampf noch mal nacherhitzt, bei Strahltriebwerken gibt es Afterburner. Ist in gewisser Weise sowas ähnliches.
Bei so einer fraglichen Dampfturbine könnte/müsste man dafür sorgen, dass der Dampf beim Austritt noch mal durch eine besonders heiße Stelle läuft. Wie wir gesehen haben, ist der nötige Druck ja schnell erreicht, allein die hohe Temperatur ist technisch das Problem. Also habe ich im Kessel nur Dampf mit z.B. 20bar oder so aber einer moderaten Temperatur, die gerade so reicht, dass das Wasser verdampft. Den Dampf leite ich durch ein Rohr zur Düse aber dieses Rohr wird durch den Brenner nochmals ganz besonders stark erhitzt. Das Rohr kann dünn sein (innendurchmesser) weil es ja kein großes Volumen haben muss (anders als der Kessel). Ein innen dünnes Rohr welches auf beinahe Glühtemperatur gebracht wird und den Druck von z.B. 20bar abkann, ließe sich vielleicht noch bauen. Eher jedenfalls ein ein Kessel der mit großem Volumen 20bar und Glühtemperatur abkann.

Das verstehe ich jetzt nicht, was wird da abgesprengt, was ist Treibstoff, was ist das Raketenfahrzeug? Aber das mit dem Absprengen klingt für mich wieder so ähnlich, wie ein Nachheizen, zumindest im abstrakten Sinne.
Überhaupt was Projektil-Kanonen angeht, die erleiden ja eigentlich auch die selbe Beschränkung für die maximale Projektilgeschwindigkeit. Hier könnte man die Sache auch austricksen: Man müsste einen Brennstoff verwenden, der nicht explosionsartig verbrennt sondern 'langsam'. Nach der Zündung wäre ein Teil des Brennstoffs verbrannt, das Projektil bewegt sich wodurch das Volumen der Brennkammer wächst. Das Brenngas kühlte ab, aber weil ich einen langsam brennenden Brennstoff verwende, wird das Gas nachgeheizt. Im Idealfall läuft der gesamte Beschleunigungsvorgang bei konstanter Temperatur ab. So müsste man die größt mögliche Projektilgeschwindigkeit bei gegebener Temperaturobergrenze erzielen können. Ich vermute, das wird praktisch auch genau so und genau deswegen so gemacht.

Stimmt, sowas sollte gehen. Aber bekommt man damit auch die Leistung? Klar kann man so eine Turbine bauen, die im Stand viel Drehmoment liefert, nur bringt die im Stand natürlich keine Leistung. Die Kunst ist es nicht, eine langsam laufende Turbine zu konstruieren (eine solche, die ihr Drehmomentmaximum bei geringer Drehzahl hat), sondern eine, die bei geringer Drehzahl auch noch viel Leistung abgibt (ihr Leistungsmaximum bei geringer Drehzahl hat).
Die Leistung die eine Schaufel - egal wie geformt oder angeströmt - abgibt, ist einfach Kraft mal Geschwindigkeit. Bei einer Turbine a la Schalenkreuzanemometer oder Wassermühle lässt sich das leicht abschätzen: Die Kraft auf die Schaufel ist proportional (Dampfgeschwindigkeit-Schaufelgeschwindigkeit)^2.
Bei anderen Geometrieen wird die Sache unübersichtlicher, aber ich denke an der Tatsache, dass Leistung gleich Kraft mal Geswchwindigkeit ist, kommt man nicht vorbei. Sprich die schneller drehende Turbine wird immer mehr Leistung haben können als die langsamer laufende. Immer natürlich mit der Obergrenze von 60% nach Beetz.
Allerdings kann man natürlich die Schaufelgeschwindigkeit recht problemlos steigern, wenn man dazu den Schaufelraddurchmesser vergrößert. ...?.... a=v^2/r ... ja geht. Will ich doppelte Schaufelgeschwindigkeit haben und die Fliehkraft ist der begrenzende Faktor, dann muss ich das Schaufelrad nur vier mal so groß bauen:-). Dann kommt dazu, dass ein größeres Rad auch schwerer ist und am Ende lohnt sich die Sache wieder nicht mehr. Also besser doch klein und hochtourig bauen.
CU Rollo
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Roland Damm schrieb:

[..]
Man kann auch zusätzliches Treibmittel in Lateralkammern unterbringen. So war das mal (theotetisch) für das Valier-Oberth Moon Gun geplant. <http://www.astronautix.com/lvs/valongun.htm
In der V-3 Hochdruckpumpe (fleißiges Lieschen) wurde das auch eingesetzt. <http://de.wikipedia.org/wiki/V3
Kristian
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§23 StVO Sonstige Pflichten des Fahrzeugführers Abs.3 Satz 3:
Radfahrer und Führer von Krafträdern dürfen die Füße nur dann von den
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begin quoting, Roland Damm schrieb:

Die "Granate" wird nicht von einer Kartusche angetrieben, sondern ist selbst eine "Rakete": Der "Treibstoff" ist der Dampf im Innern der Granate. Eine Rakete kann bekanntlich im Prinzip beliebig schnell werden. Dazu darf *hinter* der Austritssdüse aber kein Druck sein, sonst kann der Jat nicht mit der maximalen Geschwindigkeit austreten. Dieses "Geschoß" wird nun nach vorne beschleunigt und kann prinzipiell aus der Mündung mit Überschallgeschwindigkeit austreten. Wenn sich nun die Geschoßhülle beim Austritt zerlegt, dann fliegt der verbliebene Dampfinhalt mit Überschallgeschwindigkeit heraus: Es wurde ein hypersonischer Dampfstoß erzeugt.
Warum "Wärmepumpe"? Wenn dieser Dampfstrahl von einem Hindernis, beispielsweise einer Prallplatte oder einem nach vorne offenen Behälter, abgebremst wird, dann komprimiert sich der Dampf aufgrund seiner Trägheit und heizt sich dabei adiabatisch auf, und zwar aufgrund seiner Überschallgeschwindigkeit auf eine höhere als die ursprüngliche Dampftemperatur. Somit haben wir eine WKM, die einen Dampfstrahl erzeugt, der schneller ist, als das mit einer einfachen Düse möglich wäre.
So, wie beschrieben, arbeitet das System aber diskontinuierlich und mit beweglichen Maschinenteilen - ich habe aber einige Ideen im Hinterkopf, wie sich das auch kontinuierlich und ohne bewegliche Teile bewerkstelligen ließe. Man hätte dann einen Dampfverbraucher, aus dem zum einen relativ viel entspannter Kaltdampf, der dann kondensiert und der Speisewasserpumpe zugeführt werden könnte, austritt, zum anderen eine geringe Menge überhitzter Dampf, der *heißer* ist als der Speisedampf (oder wahlweise als überschneller Dampfstrahl austritt). Und nun brauche ich dafür noch eine Anwendung ...

Ein "Raketenantrieb" wäre noch praktischer: Die Treibladung ist am Geschoß befestigt, brennt von hinten nach vorne ab und beschleunigt sich dabei selbst, dann addiert sich die temperaturbedingte Molekülgeschwindigkeit der Schmauchgase zur Projektilgeschwindigkeit. Passiert eigentlich nicht genau das, wenn die Treibladung von hinten gezündet wird?

Es ging mir nicht um das Anfahrdrehmoment, sondern um die stationären Verhältnisse im Nennarbeitspunkt.

Wieso? Die "Kraft" kann sich als dynamischer Auftrieb ergeben - die Tangentialgeschwindigkeit kann wesentlich höher als die Normalgeschwindigkeit der Schaufeln sein.

Die Schaufelgeschwindigkeit hat aber nichts mit der Fluidgeschwindigkeit zu tun, sie kann wesentlich größer oder kleiner sein.

Das ist eine Frage der Baugröße.

Die gilt nur für Freistrahlturbinen bei geringen Druckänderungen und quasi-inkompressiblen Strömungen, d. h. die Turbine ist großvolumig von unbewegtem Fluid gleicher Dichte umgeben. Technische Dampfturbinen arbeiten aber gleichsam "im Vakuum" und expandieren den Dampf tüchtig - sie erreichen so Wirkungsgrade von annähernd 100 %. Eine WKA ist keine WKM.

Das ist überhaupt nicht nötig - die "Blätter" annähernd strömungsparallel anzustellen reicht, dann dreht sich die Turbine langsam im schnellströmenden Dampf. Der expandiert dabei natürlich während seiner Bewegung in axialer Richtung - seine Geschwindigkeit muß man durch eine geeignete Querschnittsprofilierung an die Turbinengeometrie anpassen. Also, langsam bekomme ich Lust, so eine Maschine zu bauen - als Kfz-Motor beispielsweise: Ölbrenner beheizt sehr kleinen Kessel, Dampfstrahl treibt Turbine, die über ein stufenloses Getriebe (<http://www.zf.com/sso/defaultz.asp?idb&lang=2 , <http://de.wikipedia.org/wiki/Continuously_variable_transmission , <http://de.wikipedia.org/wiki/Schubkettengetriebe ) das (Mopped)/die Antriebsräder antreibt. Für 50 % Wirkungsgrad brauche ich - Moment mal - ungefähr ungefähr 500 °C Dampftemperatur und ca. 25 bar Dampfdruck - hm, die 500 °C kann man eigentlich aus der Abgastemperatur eines Kolbenmotors nehmen.
Gruß aus Bremen Ralf
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Moin,
Ralf Kusmierz schrub:

Gut, so mag das gehen. Allerdings hat man vorher einiges an Dampf verbraucht, der in die falsche Richtung fliegt. Es gibt halt nichts umsonst.

Keine Ahnung wie es genau passiert, aber IMO sind die Hülsen eher mit ein paar Körnchen Pulver gefüllt, als das sie komplett dicht verpresst sind. Die Körner werden wohl 'langsam' von außen nach innen abbrennen und dabei auch mit nach vorne fliegen, aber das geschieht wohl eher unsystematisch.

Klar, aber aus praktischen Gründen sollte der Nennarbeitspunkt bei nicht so hohen Drehzahlen liegen.

Sicher. Nur ist das dann nicht der Punkt der maximalen Leistungsausbeute.

Klar, aber die Schaufelgeswchwindigkeit hat einen wesentlichen Einfluss auf die abgegebene Leistung. Je schneller desto besser.

Klar, aber es ging ja um Freistrahlturbinen. Das man das heute besser bauen kann ist klar.

^^^^^^^^^^
Haaalt! Wenn der Dampf erst in der Turbine expandiert, dann hast du folglich an einem Ende der Turbine großen Druck. Damit fängst du die alle Probleme ein, die man so hat wenn man ein Lager oder eine Dichtung bauen will, die Druck und hohe Temperatur abkann. Sowas geht heute, aber nicht in der Antike oder zu Zeiten der ersten Dampfmaschinen.

Ja, da bist du dann fast schon bei der modernen Dampfturbine.

Ich hatte sowas mal als Antrieb für eine Modellboot angedacht. Es scheiterte aber an der Turbine. Natürlich sollte es nur eine solche simple Freistrahlturbine werden (also ein Schaufelrad), aber auch die muss man erst mal irgendwie hergestellt bekommen. Außerdem waren mir die Leistungsdaten etwas extrem. Ein kleiner Gasbrenner bringt gerne mal 1kW, selbst wenn der Wirkungsgrad unter aller Sau ist, liegt man mit so einem System schnell jenseits der Kontrollierbarkeit. Elektrogetriebene Boote haben vielleicht Leistungen bis hoch zu 50 Watt (wenn man nicht so professionell an das Hobby herangeht). Und woher bekommt man eine Wasserpumpe, die klein ist und weniger als 1cm^3/s fördert, dafür aber Leistungsregulierbar ist und 5bar schafft?

Nimm doch einfach einen Mopped-Vergaser und blase Luft mit einem Gebläse durch. Dahinter eine Zündanlage im Dauerbetrieb (vielleicht sogar Glühzündung) und du hast einen prima Brenner. Sehr schön sind natürlich auch die Benzinbrenner, die mit der Flamme indirekt den Tank aufheizen und dafür im Benzintang für den Druck sorgen, der dann das Benzin durch die Düse rausspritzen lässt. Dabei wird das Benzin vor der Düse noch durch ein Rohr geführt, welches durch die Flamme geht, so dass das Benzin gasförmig aus der Düse austritt. Leider sind die Dinger potentiell instabil, können also nur unter Aufsicht betrieben werden. Wobei Aufsicht auch heißen kann :'Weg da!' wenn Benzindämpfe aus dem Überdruckwentil in unkontrolliert großer Menge austreten:-).
Also um den Brenner würde ich mir keine Gedanken machen, eher wie man das Turbinenrad baut. Dafür hab ich damals keine brauchbare Lösung gefunden.
CU Rollo
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begin quoting, Roland Damm schrieb:

Das gibt es auch in "systematisch" und nennt sich dann wohl Treibspiegelladung.

Und das ist durchaus möglich.

Wieso das denn? Was hat denn das eine mit dem anderen zu tun?

Bezogen auf die Baugröße. Die ist aber bei kleinen Leistungen nicht entscheidend.

Mißverständnis: Der Volumenstrom soll sich natürlich nicht ändern, aber der Strahldurchmesser weitet sich mit abnehmender Strahlgeschwindigkeit auf. Das meinte ich mit "expandieren".

Nein, eben nicht, weil die mit einer Druckänderung arbeitet - ich will aber die kinetische Energie nutzen, ähnlich wie bei einem Wasserstrahl.
Druck entsteht in der Maschine nur aufgrund des dynamischen Auftriebs, der zur tangentialen Ablenkung des Dampfs führt und damit ein Drehmoment auf die Turbine überträgt. Und der Dampf kann im Gegensatz zur Luft bei einer WKA auch bis auf die Geschwindigkeit Null abgebremst werden, weil er nämlich nicht abgeführt werden muß, sondern sein Volumen anschließend durch Kondensation vernichtet werden kann, wobei mit der Kondensationswärme das Speisewasser vorgewärmt werden kann; damit gilt die Überlegung bei der Herleitung des Betzschen Gesetzes nicht: Die Energie ist voll (naja, fast ...) nutzbar.
Das wäre alles zu Watts Zeiten machbar gewesen. (Und ich frage mich gerade, warum man heutzutage von Stirling-Motoren träumt: Wäre es bei Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius nicht viel sinnvoller, anstatt meines Benzinmotors eine kombinierte Gas- und Dampfturbine zum kontinuierlichen Akkuladen bei einem günstigen Arbeitspunkt zu benutzen und den Antrieb dann rein elektrisch durchzuführen oder sogar einen Teil der mechanischen Leistung des Turbinensatzes über ein CVT auf den Antrieb zu geben und den Elektromotor nur zum Ausgleich der Lastvariationen einzusetzen? Der Wirkungsgrad sollte sich so auf ca. 50 % steigern lassen, was gegenüber einem Verbrennungsmotor fast eine Verdreifachung darstellt, außerdem hätte man noch den Rekuperationseffekt im Stadtverkehr, und als Brennstoff könnte man so ziemlich jeden Dreck einschließlich Stroh und Hackschnitzeln verwenden, Erdölprodukte wären unnötig.)
Einem gewissen CM wird übrigens auffallen, daß der Fahrzeugantrieb daheim dann auch noch gleich Stromerzeuger und Blockheizkraftwerk im stationären Einsatz spielen könnte, was ihn massiv verbilligen würde: Eine Stromleitung und einen Abwärmeschlauch an die Familienkutsche anschließen, und fertig. Bei seinem Konzept steht die WKM nämlich im Heizungskeller, und das Töff tankt am Stromnetz, was die Reichweite doch arg begrenzt - andersherum wäre das nicht so, da steht im Heizungskeller nur der Wärmespeicher für die Zeit, in der die Heizung spazieren fährt.

Bißchen besser darf es schon werden.

Unter 10 kW_mech. fangen wir doch gar nicht erst an.

Hilfe, ich will doch keine Bomben bauen ...

Tja - *eine* Schaufel als Modell "von Hand schnitzen" oder (besser) computerberechnet entwerfen und dann per rapid prototyping ausbilden, davon Gießformen machen, die Schaufeln aus Spritzguß bzw. einem hinreichend wärmebeständigen Werkstoff (für den reinen Dampfstrahlbetrieb unnötig, da tut's vielleicht schon faservertärkter Kunststoff) gießen, die einzelnen Blätter von Hand entgraten, glätten und polieren usw. und dann auf eine Nabe schrauben, und das ganze Ding dann noch auswuchten (statisch reicht wahrscheinlich). Wird zwar nicht gerade vollständig optimiert sein, aber auf die letzten zehn Prozent mußt Du dann eben pfeifen, und bei "zivilen" Drehzahlen tut's wahrscheinlich.
Gruß aus Bremen Ralf
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Ralf Kusmierz schrub:

Gut, die Turbine kann natürlich so konstruiert sein, dass sie bei geringer Drehzahl die maximale Leistung liefert. Nur würde dann eine anders konstruierte Turbine aus dem selben Dampfstrahl mehr Leistung herausholen können.

Nein, absolute Geswchwindigkeit. Die Leistung die eine Schaufel erbringt ist ihre Geschwindigkeit mal ihre Kraft. Sogar dann, wenn sie sich garnicht auf einer Kreisbahn bewegt. Ist halt einfach so. Also muss man halt zusehen, wie man das Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit maximiert.

Ach so, wird langsamer und braucht dann mehr Platz (wegen Volumenkonstanz). Klar, sollte man einplanen.

Na ja... dazu musst du in der Turbine kondensieren, also nicht einfach nur im Abdampfrohr oder am Gehäuse, sondern in dem Volumen, in dem der Dampf auf die Schaufeln wirkt und gebremst wird. Schwer denkbar.
Ich denke mir da gerade was anderes. Einfacher Fall: Ideal müsste es doch sein, wenn ich den Dampf bis zum Stillstand abbremse. Gut, wird mir nicht gelingen, aber ich kann ihn ja mit sehr geringer Geschwindigkeit abfließen lassen.
Turbine Typ 1: Modell Wasserrad. Die Schaufeln sind Bretter deren Flächennormale in tangentialer Richtung steht. Ich blase den Dampf da drauf. Nachdem der Dampf auf das Brett gedrückt hat, bewegt er sich idealisiert betrachtet nicht mehr - genauer gesagt noch mit der Geschwindigkeit, mit der sich das Brett bewegt. Der Dampf übt auf das Brett eine Kraft aus, die seiner Impulsänderung entspricht und damit seiner Geschwindigkeitsänderung. Also V_dampf-V_schaufel. Die Leistung der Turbine entspricht dieser Kraft mal der Schaufelgeschwindigkeit, also ausformuliert (v_d-v_s)*v_s Bei welchem v_s liegt das Optimum/Maximum dieses Ausdrucks? v_s*v_d-v_s^2 ...ableiten: v_d-2v_s != 0 -> v_s = v_d/2
Also die Schaufel sollte sich mit der halben Dampfgeschwindigkeit bewegen.
Jetzt aber was anderes, Typ 2: Die Schaufeln sind ausgerundete Schalen in die der Dampf auf der einen Seite reingeblasen wird und auf der anderen Seite in entgegengesetzter Richtung wieder rausbläst, also eine 180° Bewegungsrichtungsänderung erfährt - wenn die Schaufel steht. Die Impulsänderung ist in diesem Fall 2*(v_d-v_s). Jetzt die Rechnung wie oben:... trivial, das Optimum liegt bei dem gleichen Wert: v_s = v_d/2. Nur dass dabei diesesmal eine andere Leistung herauskommt, denn dieses mal bewegt sich der Dampf nach verlassen der Schaufel garnicht mehr, auch nicht wie oben mit Schaufelgeschwindigkeit.
Jetzt Typ 3: Ich lasse Schaufeln wie in Typ 2 langsamer laufen. Der Dampf hat also nach Verlassen der Schaufel noch Geschwindigkeit, nur eben in Gegenrichtung. Die Drehzahl ist geringer als bei Typ 2, dafür ist die Kraft auf die Schaufeln größer. Insgesamt resultiert daraus noch kein Gewinn. Aber der Dampf hat jetzt noch Restgeschwindigkeit. Würde ich jetzt den Dampf mit dieser Restgeschwindigeit auf ein zweites dahinter liegendes Schaufelrad blasen lassen, könnte das diese Restenergie noch nutzen. Ich habe dann aber leider zwei koaxiale Schafelräder mit verschiednenen Drehzahlen. Mag das etwas nutzen?

Gasturbinen für PKW wurden ja schon mal getestet, aber wegen ihrer hässlichen Trägheit verworfen. Aber sowas willst du ja garnicht bauen, wenn man ein CVT hat, kann einen die Trägheit des Antriebsaggregates ja egal sein.

Wie kommst du jetzt auf einmal auf so einen Wirkungsgrad? Das Carnot-Limit bleibt immer bestehen. Willst du solche Wirkungsgrade, barauchst du richtige Turbinen und die müssen dann auch noch richtige Temperaturen abkönnen und werden sich vermutlich richtig schnell drehen müssen - was in einem vibrierenden und wackelnden Auto nicht gerne gesehen ist.

Auch 'ne Idee, nur bei CM seinem Konzept brauchen gar nicht erst große Strecken mir eigenem Antrieb gefahren werden. Aber das ist eine andere Geschichte. In heutigen Single-Haushalten braucht man ja tatsächlich nur entweder das Auto oder die Heizung und Strom zu Hause.

Du willst das Teil ja auch nicht auf ein 40cm langes Modellboot bauen.

Ich würde ja sagen, der Brenner findet sich, erst mal tut's auch ein Campingkocher oder eine Lötlampe oder sowas. Hauptsache man hat erstmal eine Versuchsplattform, wo man Temperaturen, Massenströme und abgegebene Wellenleistung messen kann.

Gut, wenn man auf den Kick im Wirkungsgrad pfeift, dann mag das ok sein. 3000U/min ergeben eine Umfangsgeschwindigkeit von 314/s mal Radius. Für das Optimum =halbe Dampfgeschwindigkeit mal 300m/s angesetzt braucht es ein Schaufelrad von größenordnungsmäßig 2m Durchmesser. Das dürfte weit jenseits des bastelbaren liegen. Vielleicht kann man bei der Drehzahl noch 20cm Durchmesser bauen, dann hat man aber nurnoch 10% der Schaufelgeschwindigkeit, die für die maximale Leistung nötig wäre. Da verliert man erheblich mehr als nur 10%, geschätzt erzielt man nur 15% des möglichen Wertes. Nicht sehr verlockend.
CU Rollo
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begin quoting, Roland Damm schrieb:

Nein, das stimmt nicht. Die Turbine holt soviel Energie aus dem Medium, wie sie es abbremst - das geht bei langsam- und schnellaufenden Turbinen gleichermaßen.

Falsch.
Ja, und? Bei gegebener Geschwindigkeit maximiert dann dann eben die Kraft.

Nö, man kann den Volumenstrom *hinter* der Turbine (im - kurzen - Abdampfrohr) kondensieren; praktisch ist direkt hinter dem Turbinenende ein Wärmetauscher, an dem das Gasvolumen komplett verschwindet und unten (heißes) Wasser abläuft.

Wenn man die Anfangsgeschwindigkeit bis auf 10 % reduziert, hat man nur 1 % kinetische Energie verschenkt und weitet den Strahl auf den 10-fachen Querschnitt (3,2-fachen Durchmesser) auf - damit kann man leben.

Typ 4: Ein Schaufelblatt sieht in radialer Blickrichtung aus wie eine Flugzeugtragfläche von der Seite mit der Flugzeuglängsachse als Rotationsachse. Die Umgangsgeschwindigkeit der Schaufel beträgt nur 1 % der Geschwindigkeit des Dampfs in axialer Richtung, die Turbine läuft also sehr langsam. Gleichwohl wird der Dampf dabei durch den induzierten Widerstand abgebremst und in Bewegungsrichtung langsamer - um das auszugleichen, leitet man ihn weiter nach innen, wo die Schaufel auch langsamer läuft. Die radiale Länge der Schaufel wird also durch zwei sich konisch nach hinten verjüngende mitrotierende Mantelrohre begrenzt, wobei die Verjüngung des inneren stärker als die des äußeren ist, so daß die Ringfläche zwischen den beiden nach hinten hin entsprechend dem mit der abnehmenden Dampfgeschwindigkeit zunehmenden Dampfquerschnitt immer weiter zunimmt - Druck und Dichte des relativ kalten Dampfs ändern sich dabei *nicht*. Das innere Begrenzungsrohr endet hinten in einer geschlossenen Spitze auf der Welle, das äußere mit einem endliche Durchmesser, aus dem ein stark verlangsamter Kaltdampfstrahl austritt, auf einen Kondensator trifft und von diesem vernichtet wird (und das Wasser geht natürlich anschließend in die Speisewasserpumpe und kommt wieder in den Kessel).
Das ist eine langsamlaufende Turbine mit hohem Wirkungsgrad.
(Man muß sich etwas einfallen lassen, um die Verdampfungsenthalpie des Kondensats wieder in das Speisewasser hineinzubekommen - geht eigentlich nur mit einem Phasenübergang, denn die Wärmekapazität des Wasser ist zu gering, um das Speisewasser (das ohnehin schon am Siedepunkt ist) zu erwärmen, dasselbe gilt für die Verbrennungsluft.)

Ich dachte, das Problem wäre die "schwachbrüstige" Drehzahlcharakteristik.

... oder die Drehzahlkonstanz ...

Was sind "richtige" Temperaturen? Wenn ich mit 800 °C Verbrennungstemperatur in die Gasturbine hineingehe, dort mit 350 °C wieder herauskomme, dann habe ich schon einmal über 40 % (=(800-350)/(800+273)) aus dem Brennstoff an Carnotwirkungsgrad herausgeholt, und ein nachfolgender Dampfprozeß, bei dem Dampf in der der Kaltdampfturbine vorgeschalteten Düse von 350 °C auf 100 °C expandiert wird, bringt dann von den restlichen 40 % (=(350-50)/(800-50)) thermischer Energie, die in den heißen Abgasen noch drinstecken, nochmals 40 % (=(350-100)/(350+273)), also absolut 16 %, macht einen Gesamtwirkungsgrad von über 56 % mit weiterem Optimierungspotential.

Nö, s. oben, und selbst wenn, dann macht das bei kleinen Durchmessern nicht viel aus - kuppel die Achse halt elastisch aufgehängt über ein Gelenk an den Abtrieb und laß sie ein bißchen präzedieren, macht nichts, wenn die Turbine nicht starr mit der Karosserie verbunden ist, sondern Präzessionsschwingungen ausführt.

Und genau der Rail-Teil daran ist völlig illusionär, während der Prius existiert.

Ist nicht auf "Singles" beschränkt: Vergleiche mal Heizungs- und Fahrzeugmotorleistungen, da kommt man bequem mit Tagesspeichern aus, auch bei Einfamilienhäusern ohne Zweitauto. (Bei Mehrfamilienhäusern gibt es sowieso Lastdurchmischung - Strom- und Wärmeeinspeisung in die Gemeinschaftsanlage wird eben individuell vergütet, und tagsüber heizt und stromt die Karre den Bau von $Fa. auf Arbeit, wärmt (oder kühlt) Dein Büro, und Chefe vergütet.)

ACK
Beim Prototyp ist es wurscht, und in der Serie kommen Serienfertigungsmethoden mit dem erforderlichen Feinschliff zum Einsatz.

Falscher Ansatz, s. oben. Langsame Drehzahlen verursachen große Baugrößen, aber bei stationären Aggregaten ist das schnurz. Besser und kleiner als Watts Kochpötte mit Schiffstakelage schafft auf jeden Fall jede Lehrwerkstatt - der gute Watt würde wahnsinnig neidisch gucken, wenn ich ihm so ein 100-kW-Aggregat mit weniger als einer Tonne Gewicht und unter einem Kubikmeter Baugröße hinstellen würde, dessen Funktionsprinzipich ihm sogar ohne höhere Mathematik mit Papier und Bleistift erklären könnte, und das seine eigene Werkstatt nachbauen könnte, und das außerdem mit nur 10 % des Kohlenverbrauchs seiner Maschinen auskäme. Und das ist realistisch.
Gruß aus Bremen Ralf
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Klingt vernünftig... Ach, jetzt hab ich meinen Denkfehler: Ich war davon ausgegangen, dass der Dampf nur umgelenkt wird (aus dem mit der Schaufel mitbewegtem Bezugssystem gesehen). In diesem Fall muss die Schaufel wirklich halbe Dampfgeschwindigkeit haben, wenn der Dampf am Ende des Vorgangs stillstehen soll. Du denkst daran den Dampfstrahl langsamer und dafür dicker zu machen, also abzubremsen (aus aus Sicht des bewegten Bezugssystems).
Wenn man dem Dampf z.B. tangential in ein Flügelrad einbläst so dass der Dampf nur nach innen richtung Wellen entweichen kann und dann axial nahe der Welle ausströmt, dann hat er am Ende nur noch eine eventuell geringe Restgeschwindigkeit. Das Flügelrad müsste dann aussehen, wie das Laufrad einer Kreiselpumpe (Feuerwehrpumpe), nur dass es sozusagen rückwärts betrieben wird. Das wäre auch schon eine Idee, wo man so ein Turbinenrad herbekommen kann, wenn man sowas im Eigenbau mal aufbauen wollte und keine rapid-prototyping-Maschine für Keramiksintern im Keller stehen hat:-)

Ja, aber die Drehzahl kann man beliebig absenken, die Kraft dabei aber nicht beliebig erhöhen. Die Kraft dürfte bei Staudruck im Dampfstrahl mal Dampfstrahlfläche ihre Obergrenze finden.

In diesen Kondensator bewegt sich der Dampf aber immernoch hinein und hat dabei Geschwindigkeit und Energie - die der Kondensator nicht nutzen kann.

Hmm, ja, kann ich mir ungefähr vorstellen. So ähnlich wie mein Vorschlag, nur in einer eher axialen Bauart, wohingegen ich oben eine radiale Bauart vorschlug.
Apropos 'expansion' des Dampfstrahls: Aus der Düse kommt der ja mit einem Durchmesser = Düsendruchmesser heraus, also so vielleicht 1..10mm. So viel muss da garnicht expandiert werden. Wenn der Auslass nur einen 3 mal so großen Druchmesser haben soll, dann reicht ein lächerlich kleines Loch aus Auslass. Oder anders gesagt, der nötige Platz für diese Aufweitung des Dampfstrahls ergibt sich quasi von alleine, denn durch dermaßen enge Kanäle will man den Dampf ja bestimmt nicht führen, weil dann viel zu viel via Reibung verloren geht.
Ein Problem bei der Idee, die Schaufeln Tragflügelartig auszuführen, könnte sich noch ergeben: Der Dampfstrahl ist zunächst sehr dünn, die Flügel werden also nur in ihren Zwischenräumen, genau auf die Nase oder auf die Ober oder Unterseite angeblasen. So eine richtig schöne Tragflügelumströmung ergibt sich einfach nicht, statt dessen dürfte es hässliche Wirbel all überall geben. 'Richtige' Turbinen sehen ja ähnlich dem aus, was du beschrieben hast, nur werden die auf der einen Seite auf der ganzen Eintrittsfläche gleichmäßig mit Dampf angeblasen, durch Leitschaufeln sorgt man auch gezielt dafür, dass die Strömung homogen ist. Bei den kleinen Leistungen von denen wir hier reden, geht das nur, wenn der ganze Turbineneinlass insgesamt sehr klein ist (->sehr kleine Bauform, sehr hohe Drehzahl).

Wenn man garkeinen großen heißen Kessel verwendet sondern den Dampf in einem Durchlauferhitzer erzeugt, hat man ja einen kalten Speisewasserstrom den man damit auf immerhin etwas unter 100°C aufheizen kann.

Na ja. Dreht die Turbine auf hoher Drehzahl, verbraucht sie viel Sprit selbst wenn sie keine Leistung abgeben muss - will man nicht. Lässt man sie in Phasen geringen LEistungsbedarfs auf geringe Drehzahl fallen, braucht sie lange um wieder auf Touren zu kommen. So ähnlich ist wohl das Problem.

Ach so, bei dem Konzept, Hubkolbenmotor und Dampfturbine zusammenzuschalten. Kann sein.
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un-
Ja.
Du hast "die Leistung ist begrenzt" umständlich ausgedrückt. Klar ist sie das: einerseits durch die vorhandene thermische Leistung, andererseits durch die Maschinenbaugröße - beides ist aber frei wählbar.

Aber nur sehr wenig - 1 % der Leistung nach Abbremsung um 90 %.

Etwas Verlust ist immer.

Das hängt von der Leistung ab. (Das Kernkraftwerk Krümmel hatte im Nennarbeitspunkt eine Dampfproduktion von ca. 2 t/s bei 70 bar Dampfdruck und 3,7 GW thermischer Leistung. Das wäre bei einer Dampfdichte von 0,7 kg/m^3 (1 bar) ein Volumenstrom von 2.900 m^3/s und einer Geschwindigkeit von 1,9 km/s (?) und damit einer Querschnittsfläche von 1,5 m^2 - "das ist der Widerspruch unserer Zeit, daß der Mensch die Urkraft des Atoms entfesselte und sich jetzt vor den Folgen fürchtet".)

Weiß ich nicht - es bleibt aber eigentlich gar nichts anderes übrig: Wenn man den Strahl vorzeitig aufweitet, steigen dabei wieder Druck und Temperatur an (bzw. ist das ohnehin nur bei vorhandenem Gegendruck möglich). Man müßte die Düse von vornherein als Ringspalt ausführen, aus dem ein Dampfhohlzylinder austritt, der beim Durchgang durch die (Axial-)Turbine konvergiert und hinten als langsamer, schmaleren Vollzylinder austritt - vielleicht geht das sogar ohne "Wand", einfach als Freistrahl - formen lassen sollte sich der durch ganz geringe Luftdruckänderungen.

Deshalb muß man ihn gleich als Hohlzylinderstrahl ausbilden.

Die Verwirbelungen an den "Tragflächenenden" könnte man durch eine entsprechende Luftdruckführung, die eine Umströmung unterbindet, verhindern (oder eben durch Mantelrohre).

Vor allem expandieren sie den Dampf adiabatisch (das andere nennt sich WEA, und da ist auch nicht die gesamte Fläche mit Schaufeln belegt).

Hohe Drehzahlen bieten sich bei kleinen Leistungen natürlich an und sind dort auch weitaus unkritischer - andererseits hätte ein Fabrik- oder Bergwerksbesitzer zu Watts Zeiten auch keine ernsthaften Einwände gegen 100 oder 1.000 kW Maschinenleistung gehabt, die hätte er auch zu nutzen gewußt (und die Royal Navy wohl auch).

Das bringt nichts. Nach ein bißchen Nachlesen über den Clausius-Rankine-Kreisprozeß ist der Kondensations- bzw. Verdampfungsverlust wohl unvermeidlich; mindern kann man ihn wohl nur durch die Verwendung von Medien mit niedrigerer Verdampfungsenthalpie wie z. B. Hg.
("Tricks" gäbe es wohl schon: Im Bergbau führt man einfach den Abdampf durch ein Rohr zur Schachtsohle und stellt da die Speisewasserpumpe auf; der hydrostatische Druck würde die Siedetemperatur erhöhen und damit, ähnlich wie bei der Brüdendampfnutzung, die Kondensationswärme in einen nutzbaren Temperaturbereich bringen. Bei mobilen Antrieben wäre dasselbe erreichbar, indem man den Dampf in einer Zentrifuge druckkondensiert und ihn seine kinetische Energie beim Austritt aus der Zentrifuge in den Kessel wieder an deie Zentrifuge abgeben läßt - modulo Denkfehler.)

Wieso das denn?

Ich dachte eher an eine Gasturbine (klein, leicht, billig) anstatt an einen Hubkolbenmotor. Wohingegen die Dampfmaschine theoretisch auch eine Kolbenmaschine sein könnte (aber natürlich nicht muß). Die Frage ist einfach, was technisch günstiger ist: Überhitzter Dampf bei 800 °C auf eine Turbine (geht das überhaupt?) oder lieber Verbrennungsgase?
Gruß aus Bremen Ralf
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Moin,
Ralf Kusmierz schrub:

Eine Maschine, die sich nicht dreht, gibt aber auch keine Leistung ab, egal wie groß sie ist. Die Kraft, die die Turbinenschaufeln erzeugen ist limitiert, abhängig von der Dampfgeschwindigkeit und dem Massenstrom. Bei geringerer Drehzahl erreichst du nur, dass du maximal die volle Dampfgeschwindigkeit nutzen kannst, mehr nicht.
Verwechsele das nicht mit einem Flugzeug. Der Auftrieb eines Flugzeuges lässt sich beliebig steigern indem man einfach die Flügelspannweite erhöht. Aber: Ein Flugzeug mit größerer Spannweite nutzt auch mehr strömendes Gas zur Auftreibserzeugung, als eines mit geringerer Spannweite. Genau das geht hier aber nicht, die Menge an strömendem Gas ist begrenzt. Größere Schaufeln erzeugen nicht mehr Auftreib oder Widerstand, sondern die Kräfte sind begrenzt. So lange du an diese Grenze heran kommst, ist die Turbinenleistung proportional zur Drehzahl. Also wird im Bereich kleiner Drehzahlen immer die schneller laufende Turbine mehr Leistung erbringen können als die langsam laufende. Und geringe Drehzahl meint Schaufelgeschwindigkeit klein gegen die Dampfgeschwindigkeit.

Klar, aber das ist doch wohl etwas entfernt von dem, was du oder ich vielleicht bauen wollten (wenn vielleicht auch nur in Gedanken).

Ja, nur wie baust du einen Ringspalt? Zumindest wenn da nur Dampf mit einer Leistung von ~kW herauskommen soll? Der Spalt muss ganz schön dünn sein - was dann aber zwangsläufig große Reibungsverluste mit sich bringt. Denn der Spalt wird eine gewisse Tiefe haben müssen, wenn er z.B. aus einem geschlitzten ringförmigem Rohr besteht, muss das Rohr eine Wandstärke haben. Wenn die 1mm beträgt, heißt das, dass sich der Dampf durch ein 1mm langes Rohr quetschen muss. Wenn das Roht b.z.w. der Spalt dagegen nur 1/10mm breit ist, verlierst du ganz gewaltig via Reibung.

Da dürften Mantelrohre der bessere und einfachere Weg sein.

Wie schon gesagt, wenn du mit Dampf von einigen 100m/s arbeitest, dann ist die Drehzahl egal, auch die Leistung ist egal - du musst um effektiv zu sein eine gewisse Schaufelgeschwindigkeit erreichen. Wie du das am besten hinkriegst, ist eine andere Sache.

Klar, die Verdampfungswärme geht verloren. Aber man kann das Speisewasser vorheizen und wenigstens ein bischen was zurückholen, nämlich das was man zum Aufheizen des Speisewassers braucht. Wobei... in einem Kreislauf ist das Speisewasser ja sowieso schon recht warm.

Wenn sie auf Drehzahl bleiben soll, muss schon ein gewisser Gasstrom durchfließen. Es sei denn, man drosselt sie, so dass sie sich selbst evakuiert. Aber dann liefert sie garkeine Leistung mehr. Ganz einfach: Wie viel verbraucht ein Hubkolbenmotor pro Zeit, wenn er auf Nenndrehzahl aber ohne Leistungsabgabe läuft? Sicherlich erheblich mehr, als auf Standgasdrehzahl. Das ist bei einer Turbine nicht anders, nur dass eine Turbine nicht in einer Sekunde von Leerlaufdrehzahl auf Nenndrehzahl hoch kommt, ein Hubkolbenmotor schafft das schon.

Wasserdampf erreicht höhere Ausströmgeschwindigkeiten als Brenngase. Wegen der Molmasse: Wasser hat 18, Brenngase sind hauptsächlich Stickstoff mit der Masse 28, CO2 mit 40 und Wasserdampf. Deswegen ist ja LOX + LH2 so gut als Raketentreibstoff zu gebrauchen.
CU Rollo
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begin quoting, Roland Damm schrieb:

???
Wieso das denn? Man kann die "Tragflächenbreite", also die Schaufellänge in Strömungsrichtung, beliebig groß machen. Evtl. gibt es ein Problem mit dem Spin des Dampfstrahls, dann müßte man die Schaufeln unterteilen und Leiträder hineinbringen, die die Rotation des Dampfs aufheben oder umkehren, aber man kann die Kraft beliebig groß, also so groß machen, daß er (fast) komplett abgebremst wird.

Ich glaube das nicht.

Wo sind wir denn? Dampfgeschwindigkeit 100 m*s^-1, Dichte 700 kg*m^-3, Leistung 1 kW sind 0,3 l*s^-1 (Volumenfluß) bzw. 210 g*s^-1 (Massenfluß), also 3 mm^2 (hm, stimmt das?). Der Wandler verzögert den Strahl auf 10 m*s^-1 und weitet ihn auf 30 mm^2 auf, dann hat er einen Außendurchmesser von 6 mm bzw. einen mittleren Radius von 2 mm - dort soll die Umlaufgeschwindigkeit 10 cm*s^-1 sein, macht eine Drehzahl von 440 U/min (lahm) bei 140 Nm Drehmoment (bei 12 Blättern und etwa 14 mm durchschnittlichem Radius sind das 0,8 kN pro Blatt - bißchen arg viel ...). Also hätte man am Wandlereinlaß einen Radius von 20 mm und mithin eine Spaltbreite von 15 µm - äh, also, die Konstruktion sollte man noch einmal überdenken ... (Das Drehmoment wäre zwar denkbar, erforderte aber eine axial gar fürchterlich lange Turbine und einen völlig utopischen Wellenwerkstoff.)
Bei einem Geschwindigkeitsverhältnis von 10:1 sähe das schon etwas freundlicher aus (14 Nm), aber eigentlich wären Umfangsgeschwindigkeiten von 100 m*s^-1 vernünftiger, da käme man aber auf 44.000 U/min - lager- und vor allem getriebetechnisch nicht zu stemmen.

s. oben.

Bißchen fummeln ...

Das ist viel!

Eben.
Ich halte das für unkritisch. Ich würde mir vorstellen, daß es in einem potentiellen Fahrzeugantrieb nur einen einzigen Turbinen-Elektromaschinensatz gibt, der über CVT auf den Antrieb wirkt und immer mit konstanter Drehzahl läuft. Die Turbine ist je nach Bedarf abgeschaltet oder läuft im Nennarbeitspunkt, die elektrische Maschine gleicht über den Batteriepuffer die Leistungsdifferenzen aus.
Nehmen wir mal an, E-Maschine und Turbine hätten jeweils 50 kW Nennleistung und die Batterie eine effektive Kapazität von entnehmbaren 10 kWh, dann könnte bei voller Batterie gut zehn Minuten lang eine "Spurtleistung" von 100 kW bereitgestellt werden. Im Stadtverkehr bei einer mittleren Antriebsleistung von 5 kW (rekuperativ) könnte man sogar zwei Stunden lang rein elektrisch emissionsfrei fahren, ansonsten müßte die Turbine mit einem Einschaltverhältnis von 1:10 zum Batterienachladen mitlaufen, also für ca. 6 min pro Stunde. Das wäre ein sehr ordentliches, spurtstarkes und emissionsarmes Automobil mit einer zeitweiligen (10 min) Höchstgeschwindigkeit an die 200 km/h und einer Dauerhöchstgeschwindigkeit von ca. 150 km/h - bei weitgehender Beachtung einer Richtgeschwindigkeit von 130 km/h wäre genug Leistungsüberschuß vorhanden, um auch die relativ kurzen Schnellfahrabschnitte ausfahren zu können. (Energiedichte von LiIonen-Akkumulatoren beträgt etwa 5 kg/kWh entspräche lediglich 50-100 kg Batteriegewicht.)

Da dürfte die Reibung auch erheblich größer sein als bei einer Turbine.

Ich glaube, daß eine Turbine im Leerlauf genauso effizient beschleunigen kann. Bei o. a. Fahrzeugantrieb wäre das auch kein Problem: Der Antrieb würde natürlich bei jedem Halt (= Stillstand > x s) verlustlos (Batterieladung) gestoppt, wenn nicht gerade das Batteriemanagement eine Nachladung verlangt, und beim folgende "Gasgeben" in Sekundenbruchteilen durch die E-Maschine auf Nenndrehzahl hochgerissen, bevor eingekuppelt wird und der Wagen wegen des CVT sanft, aber zügig anfährt. Leerlaufbetrieb kommt fast gar nicht vor.

Das ist aber eher von Nachteil: Sehr hohe Drehzahlen sind gar nicht erwünscht.

44

Mir ging es eigentlich dabei um die Aggressivität des Mediums: Verbrennungsgase würde ich an sich für korrosiver als Wasserdampf halten, aber bei 800 °C und einigem Druck (20-100 bar?) ist der auch nicht "ohne".
Gruß aus Bremen Ralf
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Moin,
Ralf Kusmierz schrub:

Aber damit bei einem Flugzeug z.B. den Auftrieb nicht beliebig steigern.

Eben, da ist ja schon ein Limit für die Schaufelkraft. Wolltest du eine beliebig langsam laufende Turbine bauen, dann müsstest du - wenn die Leistung bleiben soll - jedoch diese Kraft ins unermessliche steigern. Geht aber nicht. Deswegen sag is ja, im Bereich geringer Schaufelgeschwindigkeiten wird sich die Leistung proportional zur Schaufelgeschwindigkeit verhalten.

Hmm... Ich bin mir ja auch nicht ganz sicher. Irgendwie habe ich noch das Gefühl, dass mit der Idee den Dampf abzubremsen was nicht stimmen könnte.
Ein möglicher Rechenweg:
Ich denke mir ein U-Rohr. Sagen wir mal die beiden Öffnungen liegen unten (damit ich keine ASCII-Zeichnung machen muss). Das U-Rohr ist obendrein konisch, links=Einlass hat es einen kleinen Durchmesser, rechts am Auslass einen großen. In den Einlass blase ich Dampf mit eher großer Geschwindigkeit hinein. Welche Kraft erfährt das Rohr? Zunächst mal die Drücke über die ganze Oberfläche integrieren. Entlang der Rohrwandung muss ich das garnicht, da herrscht sowieso überall Umgebungsdruck. Was Anderes sind die Öffnungen des Us. Am Eingang habe ich wegen kleiner Öffnung und großer Geschwindigkeit einen geringen Druck. Am Ausgang habe ich Grenzwertig auch nur noch Umgebungsdruck, weil ich das Rohr so stark aufweite, dass der Dampf quasi im Stillstand herauskommt. Die Drücke am kleinen und großen Querschnitt kann ich mit Bernoulli rechnen. Eine kontrollfläche um dieses Rohr wird also überall (am Ausgang nur näherungsweise) Umgebungsdruck haben, nur der Druck am Eingang bewirkt eine Kraft. Weil der Druck dort unter dem Umgebungsdruck liegt, wird das Rohr nach unten gezogen. Jetzt kommt der Impuls dazu. In das Rohrsystem fließt ein Impulsstrom am Eingang hinein, am Ausgang hinaus. Die Massenströme sind beide gleich, am Ausgang sei idealisiert die Geschwindigkeit Null, ergo fließt dort ein verscheindender Impulsstrom. Nur wieder der Eingang zählt. Also ist die Kraft gleich Massenstrom mal Dampfgeschwindigkeit am Eingang, diese Kraft drückt das Rohr nach oben. Jetzt müsste man beide Kräfte zusammenrechnen. Hmm, dazu braucht man Zahlen.
Gut, so könnte ich die Kraft auf so ein U-Rohr ausrechnen, ein U-Rohr, welches nicht nur den Dampf umlenkt (was schließlich sogar egal ist, aber wenn der Auslass nicht unendlich groß ist, spielt das eine Rolle) sondern auch noch abbremst.
Die Frage wäre jetzt, stellt so ein U-Rohr ein Ersatzmodell für eine ideale Turbinenschaufel (bei den Rahmenbedingungen Freistrahlturbine, also in der Turbine keine Expansion, keine Temperaturänderung) dar? Oder kann man mehr herausholen, als mit so einer theoretischen Konstruktion?

Ja, sowas hatte ich mir gedacht. Sicherlich würde durch einen 15µm-Spalt noch Dampf hindurchdiffundieren, aber sicher nicht mit 100m/s:-)
Aber die Zahlen sind gut, mal auf mein U-Rohr-Gedankenmodell angewendet:
Bernoulli sagt bei Expansion auf Umgebungsdruck und mit verschwindender Austrittsgeschwindigkeit: p1+rho/2*v1^2=pu (pu=Umgebungsdruck, p1=Druck am Einlass, v1=Eintrittsgeschwindigkeit, rho=Dichte) -> p11300Pa - 700kg/m^3/2*10000m^2/s^2 = geht nicht, wäre was negatives. Aber dennoch einfach mal gerechnet: .. = -3 398 700 Pa. Einstrittsöffnungsfläche? 15µm*20mm*pi = 9.42e-7m^2 Kraft: -3.2N
Nicht viel, da ist das Vorzeichen dann auch egal.
Also, jetzt der Impulsstrom: \dot*v = 0.21kg/s*100m/s = 21N
Schon mehr. Da der negative Druck ja auch das U-Rohr nach oben drückt...:-) wirkt auf das Rohr also eine Kraft von 24N.
Wie kommst du auf so große Werte? Wo ist der Denkfehler?

Ja, ist aber so. Man muss dafür sorgen, dass an der Gesamtwärme die Verdampfungswärme einen möglichst geringen Anteil hat, also den Dampf möglichst heftig überhitzen.

Das wovon ich weiß, hatte kein elektrisches System, die Leistung sollte da direkt mechanisch von der Turbine auf den Antrieb gehen. Deswegen hat's wohl auch nicht funktioniert.

Ja, das ist die Idee beim Hybridantrieb. Nur wurden selbst Schiffe im Laufe der Zeit von Dampfturbine auf Dieselmotor umgestellt, heute fahren kaum noch Turbinenantriebe. Irgend einen Haken muss die Sache haben...

Ich glaube, bei dem woran ich denke, ging es um eine Gastrubine. Die muss sich schnell drehen um sich schnell drehen zu können - die Rückkopplung aus dem Gasfluss, dem davon angetriebenen Turbinenteil und wieder zurück zum Turbokompressor, der den Gasfluss steigert. Ist so eine Turbine auf geringer Drehzahl, hat sie einfach nicht die Leistung, um mal schnell auf große Drehzahl zu kommen.

Aber ob ein schwereres Treibgas deswegen schon besser ist? Es erreicht bei gleichem Energieverbrauch, gleichem Druck, gleicher Temperatur einfach nur weniger Austrittsgeschwindigkeit, das ist kaum ein Vorteil.

Wasserdampf ist im Brenngas sowieso auch drin. Dazu noch Stickstoff und CO2 und Schmutz. Gut, wird im Zweifelsfall ätzender sein, als nur Wasser alleine.
CU Rollo
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begin quoting, Roland Damm schrieb:

Das kann man (im Fall der Maschine) eben doch: Absolut ist die Kraft natürlich dadurch beschränkt, daß man ihr nicht mehr Leistung entnehmen kann als in der Anströmung enthalten ist. Bei einem kleinen Anstellwinkel, also einer niedrigen Umlaufgeschwindigkeit im Verhältnis zur Anströmgeschwindigkeit ist die flächenbezogene Kraft auf die Schaufel natürlich klein, aber endlich. Entsprechend ist aber auch die Abbremsung des Fluids klein. Durch entsprechende Länge des Systems in axialer Richtung läßt sich aber die kleine Kraft beleibig aufsummieren; natürlich nur solange, bis die kinetische Energie des Fluids, die natürlich abnimmt, verbraucht ist - das genau ist aber das Ziel, ihm die Energie möglichst vollständig zu entziehen, und das geht eben auch mit Langsamläufern, die dann allerdings ggf. unhandlich groß werden.

Geht eben doch.

Schau Dir mal Msg.-ID < ff. an, da wird das gerade theoretisch abgehandelt.

s. d.s.p.

Das wollten wie allerdings bei den "Primitiv-Dampfmaschinen" gerade vermeiden (wobei, wenn man sich den Standard der Schußwaffenherstellung ansieht, kleinvolumige Druckkessel entsprechender Belastbarkeit auch schon im 18. Jh. möglich gewesen sein sollten, und die entsprechende thermische Beanspruchung der Wandler wollte ich ja gerade dadurch vermeiden, daß die mit zwar schnellem, aber kaltem Dampf beaufschlagt werden).

Kann man ändern. Eigentlich braucht man nur beim Prius den Kolbenmotor durch eine Gasturbine ersetzen und ein CVT einbauen.

Stimmt das? Elektrische Antriebe wie z. B. Pod-Antriebe sind doch im Kommen. (Bei mechanischen Antrieben sind die großvolumigen Diesel den schnellaufenden Turbinen wahrscheinlich wegen des Getriebeproblems überlegen. Schiffsantriebe liegen eher im Leistungsbereich von Lokomotiven als von Kfz.)

Davon wäre ich nicht so überzeugt. (Wenn schon, dann "Verschwörungstheorie": Die Mineralölmafia will keine alternativen Betriebsstoffe sehen - niemand würde Dampfkessel mit raffinierten Mineralölprodukten beheizen, sondern natürlich billige Energieträger (Biomasse, Kohle etc.) verwenden, also werden keine alternativen Antriebe wie Gasturbinen, Kolbendampfmaschinen oder Stirlingmotoren etc. weiterentwickelt; zweite Theorie: Fachkräftemangel - der gemeine Maschinenbauer Fachrichtung Antriebstechnik kann eben nur "Diesel" oder "Otto", und watt de Bur nich' kennt, ... Es ist schon bezeichnend, daß eine Reisschüssel mit einem revolutionären Antriebskonzept daherkommt und kein Guter Stern oder Volkswagen.)

Das stimmt nur unter Last (Turboloch) - im Leerlauf ist das schnurz.

Ich denke, ja.

Aber sicher wäre es das.

Warum haben GuD-Kraftwerke ein "G"? Die hohen Medientemperaturen könnte man auch durch Wärmetauscher (Überhitzer) bei "D" realisieren (oder? Vielleicht sind Hochtemperatur-Wärmetauscher das grundsätzliche Problem). Das muß andere Gründe haben.
Gruß aus Bremen Ralf
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Moin,
Ralf Kusmierz schrub:

Dagegen sage ich ja auch nichts. Nur ist es eben so, dass du eine gewisse maximale Kraft mit dem Dampf erzeugen kannst. Diese multipliziert mit der Schaufelgeschwindigkeit ergibt die Leistung. Um eine beliebig langsam laufende Turbine zu bauen, müsstest du die Kraft aber beliebig steigern können. Und das geht wegen Impulserhaltung IMO nicht. Bei einer Dampfmaschine geht es ja, da kann man den Kolben theoretisch beliebig groß machen und erhält als Produkt aus Drehzahl mal Kolbenkraft (~Kolbenfläche) eine konstante Leistung auch bei kleinen Drehzahlen. Ich zweifle aber an, dass man aus einer Dampfströmung eine beliebig große Kraft schöpfen kann.

Es ist mir nur schwer vorstellbar, wie. In einem geschlossenen Kolben ja, aber das ist hier nicht gefragt.

Ja, schon gesehen, mal sehen was da bei herauskommt.

Klar sind niedrige Temperaturen wünschenswert, aber wie gesehen (Ausströmgeschwindigkeit) schlägt sich die Temperatur ziemlich direkt auf den Wirkungsgrad. Meinst du nicht, dass man wenigstens ein 1m langes Rohr auf 500°C bringen kann und es dennoch sagen wir mal 10..20bar Druck abkann? So jedenfalls stelle ich mir den Nacherhitzer vor, ein Rohr welches direkt im Feuer ist und in der Düse endet. Für die Schaufeln der Turbine sieht es dann ja wieder entspannter aus, eben weil da der Dampf schon wieder kälter ist weil er sich entspannt hat und weil dieser heiße Dampf ja immer nur auf eine Schaufel trifft, wärend sich die anderen abkühlen können.

Wäre noch die Frage, wie weit man mit einem CVT überhaupt kommt (Drehzahlmäßig). Aber eine Getriebestufe mit fester Übersetzung zusätzlich ist ja auch kein so großes Problem.

Ja elektrisch. Und der Stom dafür wird im Generator erzeugt und der wird von einem Diesel angetrieben. Die Bundesmarine hat vor ein paar Jahren ihr letztes Dampfturbinenboot eingestampft (weiß nicht mehr, wie es hieß). Das Boot soll verblüffend schnell gewesen sein, zumindest im Sprint, aber die Treibstoffkosten waren für heutige Verhältnisse ziemlich hoch. IMO wurde die Queen Mary vor vielen Jahren auch von Dampfturbinenantrieb auf Dieselelektrisch umgebaut.

Das mag sein. Die deutsche Automobilindustrie sagt dazu immer gerne, dass die Kunden auch nur das althergebrachte wollen. Allerdings wird es noch ein oder zwei Modellwechsel brauchen, bis der Prius ein Gewinngeschäft wird, derzeit wird das Auto noch unter Herstellungspreis verkauft:-).

Sie braucht halt dann auch viel Zeit, um auf Drehzahl zu kommen. Anfahren an der Ampel wird ein Gedultsspiel, wenn die Motorsteuerung nicht schon 2 sekunden bevor es Grün wird bescheid bekommt, dass es gleich losgehen soll.

Weniger Energie im Dampf/Gasstrahl ist ein Vorteil?

Sehe ich nicht so eindeutig. Man braucht für guten Gesamtwirkungsgrad ein große Maximaltemperatur. Diese kann man erreichen, wenn man die Luft vor der Verbrennung komprimiert. Dazu braucht man einen Turboverdichter, der will angetrieben werden. Warum sollte man das nicht mit einer Turbine im Abgasstrahl machen - die Technik dafür liegt schließlich seit langem fertig ausgereift in der Schublade (der Flugtriebwerksbauer). Nach dieser Turbine hat der Gasstrahl aber immernoch eine große Kinetische Energie, die man verpuffen lassen würde, wenn man mit diesem Gasstrahl jetzt einfach nur einen Wärmetauscher befeuert. Also baut man noch eine Turbine oder legt die vorhandene größer aus und treibt damit einen Generator an (oder treibt die selbe Welle mit an, auf der auch die Dampfturbine sitzt - weiß nicht, wie das praktisch aussieht).
Sicher, großer Dampfdruck bedeutet große Rohrwandstärken und das heißt schlechter Wärmeübergang und ist in einem Wärmetauscher nicht erwünscht. Aber ohne Verbrennung in einer Turbine hätten man sowieso garnicht erst so große Temperaturen im Prozess. Gas in einem quasi offenem Ofen verfeuert liefert vielleicht 700°C an Maximaltemperatur woraus sich dann schon die Obergrenze für den Gesamtwirkungsgrad errechnet.
CU Rollo
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begin quoting, Roland Damm schrieb:

Und zwar genau die, die ihn bis auf Null abbremst. (Die Auftriebskraft ist viel größer als die Widerstandskraft, aber ihr annähernd proportional.)

Wieso? Vorrechnen!

Die Kraft wird nicht unbegrenzt groß, sondern - überraschenderweise? - nur so groß, daß sie mit der Umlaufgeschwindigkeit multipliziert (und natürlich das Produkt über die Maschinenlänge integriert) gerade die Leistung des Strahls ergibt.

Denk noch mal drüber nach.

Mit den Möglichkeiten des 18.Jh.? Schwierig ...
Und wozu? Die Flammrohre können doch innen durch den Kessel gehen und sind dann auf Außendruck beansprucht - können sie viel besser ab und schließt das Risiko eines Kesselzerknalls vollkommen aus. Die Frage ist, wieviel WT-Fläche Flammgas/Dampf man pro kW bei einer akzeptablen Temperaturdifferenz eigentlich braucht - daraus und aus der Energiedichte sowie der Gasgeschwindigkeit der Flammgase kann man dann evtl. das minimale Kesselvolumen abschätzen.

Überrascht mich.

Die Kunden ändern ihre Meinung mit dem Kraftstoffpreis überraschend schnell, und ein neues Konzept braucht schon ein paar Jahre Vorlauf.

Ist das so?

Vielleicht ist das so - ist mir auch egal, das Anfahren übernimmt der Elektromotor, ebenso, wie das Hochdrehen der Turbine.

Die Energie wird nicht niedriger, sondern die Geschwindigkeit:
E = m/2 * v^2 = k*T => v = SQRT(2*k*T/m) = SQRT(2*E/m)

Wozu?
Jein - wenn die kinetische Energie einfach benutzt wird, um den Strahl zu komprimieren (umgekehrte Düse), dann wandelt sie sich wieder annähernd verlustlos in thermische Energie (höhere Temperatur) um. Es sit wirkungsgradmäßig eigentlich wurst, ob man die thermische Energie zur Beschleunigung des Flammgases oder der Dampfmoleküle verwendet.

Das könnte das Argument sein.

Ich sehe nicht, wieso ein Luftverdichter die Brenntemperatur nutzbar erhöht. Natürlich wird verdichtete Luft warm, aber die enrtprechende Energie muß man auch vorher investieren und handelt sich damit dann höhere thermische Werkstoffbeanspruchungen ein.
Gruß aus Bremen Ralf
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Moin,
Ralf Kusmierz schrub:

Auch dann, wenn die Maschine steht? Wohl kaum, es sei denn sie wäre unbegrenzt groß.

Na ja, du hast bisher auch nur behauptet, das es ginge. So eine perfekte Abbremsung setzt voraus, dass der Dampf ebenso perfekt in einem Rohr geführt wird. Klar, wenn sich das Rohr konisch aufweitet, wird die Strömung darin langsamer. Aber das bedeutet auch, dass du maximale Reibungsverluste hast. Außerdem stellt sich die Frage, wie man den Dampf so sauber in ein sich bewegendes Rohrende hineinbekommt. Das meine ich mit 'schwer vorstellbar'.

Natürlich nur ein Rohr mit vielleicht 4mm Innendurchmesser, also eher einem Gewehrlauf vergleichbar.

Das betrifft aber nur den Kessel, und die Dampftemperatur dadrin ist durch den Siedepunkt des Wassers begrenzt, so erreicht man keine Überhitzung.

Hat mir jemand erzählt, der in der Automobilindustrie arbeitet und sich immer neue Argumente einfallen lassen muss, warum sein Konzern nicht auf die Idee mit diesem genial einfachen Getriebe gekommen ist. Der eigentliche Trick beim Prius ist ja, dass zwischen Motor, Generator und Rädern nur ein Differentialgetriebe steckt, der E-Motor ist vermutlich auf dem Antriebsstrang mit drauf. Alles weitere wird elektronisch geregelt, der E-Motor kann bremsen, der Generator kann mehr oder weniger Drehmoment aufbringen,... Andere Hersteller haben sich ewig abgemüht mit zusätzlichen Kupplungen, weiteren Getrieben, Stufenlose Getriebe,... alles Murks.

Stimmt.
Weil dann die Gase vor der Verbrennung schon heiß sind und danach folglich noch heißer. Jede Verbrennung erhöht ja die Temperatur nur um ein begrenztes Maß. Deswegen kann man mit Grillkohle ja auch kein Eisen schmelzen, egal wie viel davon man auf einen Haufen tut oder wie feste man pustet.

Komisch nur, dass alle Triebwerksbauer das nicht wissen:-). Gut, da geht es auch um was anderes, in Flugtriebwerken oder auch in Hubkolbenmotoren braucht man den Druck um Arbeit zu verrichten. In einem Ofen nicht.
CU Rollo
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Moin,
Roland Damm schrub:

Was mir dazu zur Konkretisierung noch einfiel:
Klar sollte der Dampf sauber expandiert werden, den Dampfstrahl meine ich natürlich. Also muss er so geführt werden, dass der Querschnitt der Strömung aufgeweitet wird. Dazu wird es aber nötig sein, den Dampf am Einlauf der Turbinenschaufel in ein eher kleines Loch einzublasen. Denn wenn der Dampf von viel Luft umgeben ist, passiert mit dem Strahl eher unkontrolliertes.
Diese kleinen Löcher flitzen aber mit erheblicher Geschwindigkeit an der Düse vorbei - wie bringt man nun den Dampf dazu, nur dann aus der Düse auszutreten, wenn gerade eine Einlauföffnung optimal vor der Düse steht?
Ich dachte mal flüchtig an eine Art Ventilsteuerung: Man nehme ein Schaufelrad mit 5 Schaufeln und ordne drumherum 2 oder 4 Dampfdüsen an, die über Ventile so angesteuert werden, dass immer nur aus einer Düse Dampf austritt, und zwar aus der, vor der Gerade die Einlassöffnung eines Turbinenkanals ist. Das wäre theoretisch zwar nicht schlecht, aber praktisch eher undurchführbar.
CU Rollo
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begin quoting, Roland Damm schrieb:

Nein, das ist eben nicht nötig: Die Lösung wäre eine Dampfaustritt aus einer Ringdüse, evtl. schon mit eingeprägtem Spin.

Abgesehen davon, daß das eben gar nicht nötig ist: Was spricht dagegen, eine Dampfströmung tangential in einer Ringnut umlaufen zu lassen und in tangential angeordnete Einlauföffnungen am Rotor hineinzublasen? Bei der einfachen Umlenkung in die Achsrichtung würde bereits der größte Teil der kinetischen Energie auf die Läuferwelle übertragen.
(Im Idealfall ist dann die Tangentialgeschwindigkeit doch wieder halb so groß wie die der Dampfstrahls, und er würde dabei komplett auf Null abgebremst und langsam aus dem Läufer axial austreten.)

Das ist doch völlig überflüssig: Dampf ist ein Gas - da passiert überhaupt nichts, wenn der Strom abnahmeseitig nur intermittierend geöffnet wird, da treten dann eben maßvolle Druckänderungen auf.
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Moin,
Ralf Kusmierz schrub:

An sowas habe ich inzwischen auch gedacht. Ein umlaufender Torus in dem der Dampf durchaus viele Umdrehungen laufen kann. Abgesehen von Reibung sollte der Dampf eine Umlaufgeschwindigkeit haben, die der Düsenaustrittsgeswchwindigkeit entspricht. Nur mit dem Austrittsspalt.... wenn der natürlich wieder nur ein paar Mü breit sein darf, dann hat der Dampf nach dem Austritt keine brauchbare Gewschwindigkeit und Richtung mehr. Man kann natürlich den Austrittsspalt recht groß machen, es geht ja sowioeso nur soviel Dampf durch, wie aus der Düse nachgeliefert wird. Dann stellt sich aber die Frage, wie man die Dichtigkeit hinbekommt. Schließlich soll ja der Dampf der den umlaufenden Torus verlässt, komplett durch die Turbine laufen und nicht irgendwo in die Umgebung strömen.

Klar passiert da nichts, nur wie bekommt man das dicht hin?
CU Rollo
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