Maschinenanlage Bismarck Klasse

Thoddy · 28 August 2018, 07:49:00

Copy und Paste von der Wikipedia
Antrieb Iowa Klasse:
Die Schrauben werden jeweils von einer eigenen Antriebsanlage angetrieben. Dabei wird Wasser in je zwei M-Type-Kesseln von Babcock & Wilcox auf über 850 °F (~ 454 °C) bei einem Dampfdruck von 4500 Kilopascal (45 bar) erhitzt. Dieser Dampf wird zuerst in eine Hochdruck-Dampfturbine von General Electric geleitet, die dadurch, je nach gewünschter Geschwindigkeit, mit bis zu 5000 Umdrehungen pro Minute dreht. Danach wird der Dampf, der noch unter rund 300 kPa (3 bar) Druck steht, in eine Niederdruckturbine geleitet, in der der Dampf auf Kondensatordruck (deutlich unter 1 bar, der genaue Wert hängt von der Seewassertemperatur ab) entspannt wird.

als eine technische Grundlage für die deutschen Anlagen ist vermutlich das Kraftwerk Espenhain heranzuziehen.

leider kann ich erst mal nicht mit weiteren Infos dienen

Sven L. · 28 August 2018, 10:23:14

Grundlage Zeichnung USS Wisconsin 1956.

Die Aufteilung der Maschinenanlage der Iowa-Klasse ist wirklich interessant.

1T-2K-1T-2K-1T-2K-1T-2K

In jedem Turbinenraum befindet sich der Fahrstand, welcher für die jeweilige Turbine und den davor liegenden Kesselraum mit seinen zwei Kesseln zuständig ist.

Vor- bzw. hinter der Maschinenanlage findet sich jeweils ein Raum der als Emergency Diesel Generator & Destilling Plant bezeichnet ist. Der vordere reicht über die gesamte Breite des Innenschiffs, der achtete liegt zwischen den mittleren Wellen und ist ohne Destilling Plant. Turbo-Generatoren finden sich zumindest nicht direkt als solche bezeichnet in den Zeichnungen. Es ist nicht auszuschließen, das sich evtl. jeweils ein solcher in den Turbinenräumen befindet. Dies ist aber ohne nähere Informationen reine Spekulation meinerseits. Es ist also tatsächlich möglich, das die Iowa-Klasse reine Diesel-E-Werke besaß!
Die Iowa-Klasse scheint also so konfiguriert gewesen zu sein, wie ObBaurat Krux es für spätere deutsche Neubauten empfohlen hat.

Sven L. · 28 August 2018, 10:37:38

Ich habe mir die Pläne von der USS News Jersey (1984) auch mal angeschaut. Wie ich es bereits angedeutet habe, befinden sich tatsächlich in jedem Turbinenraum zwei Turbo-Generatoren.

Sven L. · 30 August 2018, 11:23:32

Hallo Thorsten,

das Englischsprachige Wikipedia gibt folgende Informationen zur Iowa-Klasse und deren Maschinenanlage.

ZitatThe machinery spaces were longitudinally divided into eight compartments with alternating fire and engine rooms. Four fire rooms each contained two M-Type boilers operating at 600 pounds per square inch (4,137 kPa; 42 kgf/cm2) with a maximum superheater outlet temperature of 850 °F (454 °C).[56][61] The double-expansion engines consist of a high-pressure (HP) turbine and a low-pressure (LP) turbine. The steam is first passed through the HP turbine which turns at up to 2,100 rpm. The steam, largely depleted at this point, is then passed through a large conduit to the LP turbine. By the time it reaches the LP turbine, it has no more than 50 psi (300 kPa) of pressure left. The LP turbine increases efficiency and power by extracting the last little bit of energy from the steam. After leaving the LP turbine, the exhaust steam passes into a condenser and is then returned as feed water to the boilers. Water lost in the process is replaced by three evaporators, which can make a total of 60,000 US gallons per day (3 liters per second) of fresh water. After the boilers have had their fill, the remaining fresh water is fed to the ship's potable water systems for drinking, showers, hand washing, cooking, etc. All of the urinals and all but one of the toilets on the Iowa class flush with saltwater in order to conserve fresh water. The turbines, especially the HP turbine, can turn at 2,000 rpm; their shafts drive through reduction gearing that turns the propeller shafts at speeds up to 225 rpm, depending upon the desired speed of the ship.[62] The Iowas were outfitted with four screws: the outboard pair consisting of four-bladed propellers 18.25 ft (5.56 m) in diameter and inboard pair consisting of five-bladed propellers 17 ft (5.18 m) in diameter. The propeller designs were adopted after earlier testing had determined that propeller cavitation caused a drop in efficiency at speeds over 30 kn (56 km/h; 35 mph). The two inner shafts were housed in skegs to smooth the flow of water to the propellers and improve the structural strength of the stern.

Unterschiede zum deutschen Wiki finden sich beim Dampfdruck und der Drehzahl der HP-Turbine. Die Drehzahl ist für die Berechnung des Dampfbedarfs nicht von Bedeutung. Obwohl uns z.Zt. keine weiteren Informationen zur Verfügung stehen, werde ich die Tage (Spätschicht lässt mir leider nicht viel Zeit) die Anlagen von BS/TP und Iowa in einer Gegenüberstellung berechnen. Ich bin schon auf die Ergebnisse gespannt. Bedauerlicherweise haben wir kein Informationen mit welcher Temperatur das Speisewasser dem Kessel det Iowa-Klasse zugeführt wurde, ansonsten könnte man auch den genauen Brennstoffverbrauch berechnen.

Thoddy · 31 August 2018, 20:06:03

Die frage nach der Temperatur des Speisewassers ist schwierig.

Die USN nutzte sogenannte "economizer" um mit den heißen Schornsteinabgasen das Speisewasser hinter dem Kondensator wieder vorzuwärmen.

Sven L. · 31 August 2018, 20:25:55

Hallo Thorsten,

Economizer wurden bei den LaMont-Kesseln auch verwendet. Bei den Wagner-Kesseln nicht. Bei diesen gab es getrennte Vorwärmer. Ich gehe davon aus, das die USN bei den Iowa's ähnlich hoch vorgewärmt hat.

Sven L. · 03 September 2018, 18:18:28

Ich habe mich daran gesetzt um die Maschinenanlagen von Iowa, Bismarck/Tirpitz und Graf Zeppelin gegenüberzustellen. Das Ergebnis ist recht interessant.
Weil über die Hilfsaggregate zuwenig Informationen vorliegen, habe ich für die Vergleichsrechnung ausschließlich die Turbinen berücksichtigt. Insofern ist kein direkter Vergleich mit tatsächlichen Verbrauchsangaben möglich. Für alle Turbinen wurde ein Wirkungsgrad von 80% angenommen, ebenso für die Kessel. Für die Iowa-Klasse habe ich Heiz-Öl mit einem Unteren Heizwert von 10.000 kcal/kg bzw. 41,87 MJ/kg und für die deutschen Anlagen Heiz-Öl mit 9.300 kcal/kg (38,94 MJ/kg).

[tabular type=8 caption="Tabelle 1: Ausgangswerte"]
[row][head colspan=5]

Vergleich verschiedener Dampfturbinen-Anlagen

[/head][/row]
[row][head] [/head] [head]

Iowa

[/head] [head]

BS/TP

[/head] [head]

Graf Zeppelin

[/head] [head]

Einheit

[/head] [/row]
[row][data]HD-Stufe Eintritt[/data] [data]

40

[/data] [data]

52

[/data] [data]

52

[/data] [data]

bar

[/data] [/row]
[row][data]Anzahl Turbinen[/data] [data]

4

[/data] [data]

3

[/data] [data]

4

[/data] [data][/data] [/row]
[row][data]Anzahl Kessel[/data] [data]

8

[/data] [data]

12

[/data] [data]

16

[/data] [data][/data] [/row]
[row][data]Antriebsleistung[/data] [data]

212.000

[/data] [data]

138.000

[/data] [data]

200.000

[/data] [data]

WPS

[/data] [/row]
[row][data]Getriebeart[/data] [data]

Doppelt

[/data] [data]

Einfach

[/data] [data]

Einfach

[/data] [data][/data] [/row]
[row][data]Innere Leistung je Turbine[/data] [data]

40.900

[/data] [data]

34.800

[/data] [data]

37.900

[/data] [data]

kW

[/data] [/row]
[row][data]Dampfmassenstrom[/data] [data]

41,482

[/data] [data]

33,198

[/data] [data]

36,040

[/data] [data]

kg/s

[/data] [/row]
[row][data]Turbineneintritt 1.HD-Stufe[/data] [data]

40,00

[/data] [data]

52,00

[/data] [data]

52,00

[/data] [data]

bar

[/data] [/row]
[row][data]Turbineneintritt 2.HD-Stufe[/data] [data]

x

[/data] [data]

x

[/data] [data]

18,55

[/data] [data]

bar

[/data] [/row]
[row][data]Turbineneintritt MD-Stufe[/data] [data]

x

[/data] [data]

11,35

[/data] [data]

3,68

[/data] [data]

bar

[/data] [/row]
[row][data]Turbineneintritt ND-Stufe[/data] [data]

3,00

[/data] [data]

1,07

[/data] [data]

0,54

[/data] [data]

bar

[/data] [/row]
[row][data]Turbinenaustritt[/data] [data]

0,05

[/data] [data]

0,05

[/data] [data]

0,05

[/data] [data]

bar

[/data] [/row]
[row][data]Leistung 1. HD-Stufe[/data] [data]

19.742

[/data] [data]

11.559

[/data] [data]

9.465

[/data] [data]

kW

[/data] [/row]
[row][data]Leistung 2.HD-Stufe[/data] [data]

X

[/data] [data]

X

[/data] [data]

9.475

[/data] [data]

kW

[/data] [/row]
[row][data]Leistung MD-Stufe[/data] [data]

X

[/data] [data]

11.603

[/data] [data]

9.484

[/data] [data]

kW

[/data] [/row]
[row][data]Leistung ND-Stufe[/data] [data]

21.159

[/data] [data]

11.601

[/data] [data]

9.476

[/data] [data]kW[/data] [/row]
[/tabular]

In der nächsten Tabelle sind die Ergebnisse für die Turbinenanlage ohne Vorwärmung bzw. bei Kondensattemperatur, dargestellt.
[tabular type=8 caption="Tabelle 2: Ergebnisse ohne besondere Vorwärmung"]
[row][head] [/head] [head]

Iowa

[/head] [head]

BS/TP

[/head] [head]

Graf Zeppelin

[/head] [head]

Einheit

[/head] [/row]
[row][data]Speisewasservorwärmung[/data] [data colspan=3]

<--- 34,48 --->

[/data] [data]

°C

[/data] [/row]
[row][data]Gesamtdampfbedarf[/data] [data]

597,3

[/data] [data]

358,5

[/data] [data]

475,7

[/data] [data]

t/h

[/data] [/row]
[row][data]Gesamtbrennstoffbedarf[/data] [data]

56,9

[/data] [data]

36,5

[/data] [data]

53,0

[/data] [data]

t/h

[/data] [/row]
[row][data]Brennstoff je kW[/data] [data]

347

[/data] [data]

349

[/data] [data]

350

[/data] [data]

g/(kW h)

[/data] [/row]
[row][data]Brennstoffverbrauch Turbinen gesamt[/data] [data]

56,85

[/data] [data]

36,48

[/data] [data]

53,02

[/data] [data]

t/h

[/data] [/row]
[/tabular]

Diese Tabelle ist gegenüber der vorhergehenden mit 160 Grad Speisewassertemperatur berechnet.
[tabular type=8 caption="Tabelle 3: Ergebnisse mit Vorwärmung"]
[row][head] [/head] [head]

Iowa

[/head] [head]

BS/TP

[/head] [head]

Graf Zeppelin

[/head] [head]

Einheit

[/head] [/row]
[row][data]Speisewasservorwärmung[/data] [data colspan=3]

<--- 160,0 --->

[/data] [data]

°C

[/data] [/row]
[row][data]Gesamtdampfbedarf[/data] [data]

597,3

[/data] [data]

358,5

[/data] [data]

475,7

[/data] [data]

t/h

[/data] [/row]
[row][data]Gesamtbrennstoffbedarf[/data] [data]

47,1

[/data] [data]

30,2

[/data] [data]

43,8

[/data] [data]

t/h

[/data] [/row]
[row][data]Brennstoff je kW[/data] [data]

288

[/data] [data]

289

[/data] [data]

289

[/data] [data]

g/(kW h)

[/data] [/row]
[row][data]Brennstoffverbrauch Turbinen gesamt[/data] [data]

47,07

[/data] [data]

30,19

[/data] [data]

43,76

[/data] [data]

t/h

[/data] [/row]
[/tabular]

Fazit:
Wenn man nur die Turbinenanlagen sieht, stellt sich die Frage, wie die Iowa-Klasse einen fast doppelt so großen Fahrbereich erzielen konnte wie die Bismarck-Klasse. Was Zahlen der Amerikaner angeht bin ich leider ein notorischer Zweifler. Falls die Amerikaner keine Hilfe von Außerirdischen bekommen haben, oder andere physikalische Gesetze gefunden haben, waren deren Turbinenanlagen nicht wirklich besser. Die deutschen Anlagen konnten durch den höheren Anfangsdruck ein wesentlich größeres Wärmegefälle ausnutzen, nämlich BS/TP und auch GZ von 1.048,3 kJ/kg (250,4 kcal/kg) gegenüber Iowa mit 986,0 kJ/kg (235,5 kcal/kg).
Wenn die Konstruktionsleistung von der jeweiligen Konstruktions-Höchstgeschwindigkeit auf 15,0 kn runtergerechnet wird, ergeben sich folgende Werte:
[tabular type=8 caption="Tabelle 4: Brennstoffverbrauch bei 15 kn Geschwindigkeit"]
[row][head] [/head] [head]

Iowa

[/head] [head]

BS/TP

[/head] [head]

Graf Zeppelin

[/head] [head]

Einheit

[/head] [/row]
[row][data]Dampfbedarf[/data] [data]

83,2

[/data] [data]

67,2

[/data] [data]

59,2

[/data] [data]

t/h

[/data] [/row]
[row][data]Brennstoffbedarf[/data] [data]

6,55

[/data] [data]

5,65

[/data] [data]

6,03

[/data] [data]

t/h

[/data] [/row]
[row][data]Brennstoff je kW[/data] [data]

401

[/data] [data]

387

[/data] [data]

411

[/data] [data]

g/(kW h)

[/data] [/row]
[/tabular]

Thoddy · 03 September 2018, 18:55:28

erst mal vielen Dank,
leider kann ich das Ergebnis nicht beurteilen.

in Schiffskunde Tirpitz blätter 159 und 160 sind Dampfverbräuche fur verschiedene Umdrehungen angegeben
wenn man die Ölverbräuche mit den für die Turbinen gebrauchten Dampfmengen vergleicht müssen da eine Menge weiterer Verbraucher am Werke sein

Sven L. · 03 September 2018, 19:38:47

Zitat von: Thoddy am 03 September 2018, 18:55:28
... müssen da eine Menge weiterer Verbraucher am Werke sein

Damit hast du nicht ganz Unrecht. Sämtliche Pumpen die in den bzw für den Wärmekreislauf geschaltet waren, haben wohl Dampfturbinen als Antrieb besessen. Dazu kommt evtl noch der Frischdampf welcher zum Vorwärmen genutzt wurde. Es sollten wohl 30-40% des Dampfbedarfs der Turbinen zusätzlich gewesen sein. Und eben weil nicht genügend Informationen für die Nebenverbraucher zur Verfügung stehen, habe ich mich ausschließlich auf die Antriebsturbinen konzentriert, weil alle anderen Verbraucher im Zusammenhang mit diesen stehen, lassen sich in jedem Fall Rückschlüsse ziehen.

Matrose71 · 03 September 2018, 20:50:51

Ich muss mal kramen, aber es gab im Nav Weapons Forum doch eine ähnliche Diskussion mit Originaldokumenten (South Dakota oder North Carolina)und dort konnte man sehen, dass die US Turbinen im unteren Geschwindigkeitsbereich 0-20kn deutkich sparsamer waren, als die deutschen Turbinen, ab 20kn-24kn herrschte gleichstand und ab 23-24kn waren die deutschen Turbinen "sparsamer"/effizienter, eine NC verbrauchte bei Höchstfahrt deutlich mehr als Bismarck und war dazu langsamer.

Bedenken muss man bei beiden Marinen auch, dass bei Kriegsfahrt wohl unterschiedliche Vorgehensweisen herrschte, deutsche Kampfgruppen dürften wohl mit mehr vorgewärmten Kesseln gefahren sein, um im Notfall schnell reagieren zu können, das mußten die Amis im Pazifik erst, wenn sie nahe an den Japanern waren.
Und Kessel vorwärmen kostet Öl!

Herr Nilsson · 04 September 2018, 08:51:40

Zu meiner Schande muss ich gestehen, dass mir mal wieder nicht ganz klar ist, was am Ende herauskommen soll und außerdem kann ich so manche genannten Werte nicht nachvollziehen. Aus diesem Grunde möchte ich in die Diskussion auch nicht tiefer einsteigen, sondern nur zwei Anmerkungen vorbringen.

Mir ist bei den amerikanischen Daten aus FTP 218 nicht klar, welcher unterer Heizwert und wieviel Kessel und Schrauben jeweils für die Verbrauchswerte zugrunde liegen. Werden hier ggf. Äpfel mit Birnen verglichen?

Was die Schiffskunde TP angeht, handelt es sich aufgrund der Darstellungsweise dort mit hoher Sicherheit um Kopien aus der BBC-Beschreibung der Turbinen. Diese Daten entsprechen aber nicht notwendigerweise den realen Daten und sind mit Vorsicht zu genießen.

Sven L. · 04 September 2018, 15:36:12

Der Bericht "Kriegserfahrungen" von ObBaurat Krux mit den Seiten 68 ff. bzgl. Bismarck und Tirpitz ist da wohl vielversprechender, weil wohl auf realen Daten basierend.

Zitat von: Matrose71 am 03 September 2018, 20:50:51
Ich muss mal kramen, aber es gab im Nav Weapons Forum doch eine ähnliche Diskussion mit Originaldokumenten (South Dakota oder North Carolina)und dort konnte man sehen, dass die US Turbinen im unteren Geschwindigkeitsbereich 0-20kn deutkich sparsamer waren, als die deutschen Turbinen, ab 20kn-24kn herrschte gleichstand und ab 23-24kn waren die deutschen Turbinen "sparsamer"/effizienter, eine NC verbrauchte bei Höchstfahrt deutlich mehr als Bismarck und war dazu langsamer.

Turbinen können nicht "sparsamer" werden. Ganz im Gegenteil. Je weiter sich die Leistung von der Grundauslegung entfernt, desto mehr Dampf wird verbraucht. Bei Leistungsverringerung, z.B. 25% der Konstruktionsleistung, erhöht sich der Dampfverbrauch je kW bzw. PS um 21-24%. Wogegen bei einer Leistungserhöhung der Dampfverbrauch bei einem Mehr von rd. 25% "nur" um rd. 3% je kW bzw. PS ansteigt. Da sich entsprechend dem Mehr- oder Weniger ebenfalls die dem Kreislauf zugehörigen Pumpen-Turbinen-Leistung auch entsprechend verändert, geht beides Hand in Hand. Wennmit "sparsamer" der Heizölverbrauch gemeint ist, müssen andere Verbraucher - also solche die nicht dem Antrieb dienten - abgeschaltet gewesen sein. Vielleicht waren auch solche Gerätschaften wie Frischwassererzeuger usw. abgeschaltet. Ein Link zu dem Nav Waepons Forum wäre hilfreich.

Thoddy · 08 August 2019, 15:01:58

Ich habe mir die letzten Tage und Wochen wieder mal die Verbrauchsdaten Bismarck/Tirpitz zu Gemüte gezogen und miteinander kombiniert. Und zwar mit einen Statistik-Ansatz und unabhängig davon ob bestimmte Werte mit Vorsicht genossen werden sollten und ob vielleicht irgendwelche Werte völlig abwegig sein könnten. Zusätzlich habe ich versucht Hinweise aus den Akten der Kriegsmarine (Neubaupläne, Schiffbaupläne, Typenfragen usw) nach bestem Wissen und Gewissen mitzuberücksichtigen.

Im Groben ist dabei folgendes Herausgekommen:

* variabler Verbrauch
-variabler Verbrauch Fahrturbinen bei ca 150000 WPS etwa 0,22 kg/WPS (bei 10.000 WPS ca 0,42 kg/WPS)
-weiterer Variabler Verbrauch nicht direkt durch Turbinen verursacht ~0,1 kg/WPS

* fixer Verbrauch
-Treibstoff notwendig für den Betrieb eines Kraftwerkes(M1) ca 2,5 t/h ohne dass auch eine Umdrehung geliefert wird. in Summe etwa 7,5 t für alle drei Kraftwerke
-Treibstoff notwendig für allgemeinen Schiffsbetrieb ca 2,2 t/h - 3 t

die errechneten fixen Gesamttreibstoffmengen deuten damit darauf hin das das Schiff permanent ungefähr 10,5 t Treibstoff pro Stunde benötigte, dies entspricht einer Dauerleistung in Höhe von 25.000 PS (30.000 kW) für Schiffsbetrieb und Aufrechterhaltung der Fahrbereitschaft.

für die Hippers findet sich eine fast ebenso hohe fixe Zahl (gesehen bei Blücher Indienststellungsprotokoll)

Fragen jederzeit gerne
----------------------------------------------------------------------------------------------------
Nicht Klären konnte ich bisher folgenden Sachverhalt.
die korrigierte Fahrtabelle Tirpitz nach längerer Betriebszeit für Normaldruck weist für 30,8 kn Fahrgeschwindigkeit eine Reichweite von 3534 Seemeilen aus. Für 7717 m³ Heizöl (Dichte ca 0,95 kg/l) ergibt sich bei dieser Leistung ein Treibstoffverbrauch von 60,7 t/h.

Ausweislich der Kenndaten der Kessel erzeugt ein Kessel bei äußerster Leistung 50 t Wasserdampf bei einem Treibstoffverbrauch von 3.950 kg/h
Der höchst mögliche Treibstoffverbrauch sollte demnach 47,4 t/h betragen.

Oder anderes rum, der Treibstoffverbrauch für 30,8kn bei Normaldruck ist 28% höher als der theoretische Treibstoffverbrauch aller 12 Kessel bei äußerster Leistung.

Gibt es irgendwas, was mir entgangen ist?

zum Vergleich Verbrauch Maschinenanlage der geplanten P-Kreuzer, hier
war ein fixer Verbrauch von 0,8 t/h für Schiffszwecke und ein variabler Verbrauch von ca 0,22kg/WPS geplant. Ausweislich der erreichten Reichweiten der Panzerschiffe (Scheer mit einer Tankfüllung vom Kap der guten Hoffnung bis nach WHV) erscheint dies sogar plausibel

Urs Heßling · 08 August 2019, 15:57:17

moin,

Zitat von: Thoddy am 08 August 2019, 15:01:58
die korrigierte Fahrtabelle Tirpitz nach längerer Betriebszeit für Normaldruck weist für 30,8 kn Fahrgeschwindigkeit eine Reichweite von 3534 Seemeilen aus. Für 7717 m³ Heizöl (Dichte ca 0,95 kg/l) ergibt sich bei dieser Leistung ein Treibstoffverbrauch von 60,7 t/h.

Exkurs (oder nicht ?)
Warum nicht ? Es erscheint mir aus folgendem Grund nicht unwahrscheinlich:
Der ehemalige Kommandant eines Zerstörers 103 (Rommel) erzählte mir im Gespräch, sein Schiff (eigene Anmerkung: d = 4000 t) habe auf der Rückfahrt vom Mittelmeer in der Biskaya im sogenannten "4-Kessel-Betrieb" und bei Höchstfahrt (35 Kn) ca. 60 t/h Treibstoff verbraucht.

Gruß, Urs

bodrog · 09 August 2019, 06:54:54

ZitatGibt es irgendwas, was mir entgangen ist?

Als absoluter Laie fällt mir da die Qualität des Treibstoffs ein (Heizwert des genutzten Öls)