Dampfturbinen kleiner Leistung

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Jobst Bach
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1 Optimierte KWK-Systeme 21. Mai 2008, Güssing Dampfturbinen kleiner Leistung Institut für Thermodynamik und Energiewandlung Forschungsbereich für Strömungsmaschinen Technischen Universität Wien Dr. Reinhard Willinger

für Thermodynamik und Energiewandlung Forschungsbereich für

2 Einteilung von Dampfturbinen Arbeitsverfahren der Turbinenstufe Reaktionsgrad Überdruck- und Gleichdruckprinzip Industriedampfturbinen Baugröße und Wirkungsgrad Baugröße und Investitionskosten Curtis-Stufe Radialturbine (Bauart Köhler) Gegenläufige Radialturbine (Bauart Ljungström) Hersteller von Dampfturbinen bis 2 MW Übersicht

Baugröße und Investitionskosten Curtis-Stufe Radialturbine (Bauart Köhler)

3 Leistung P Bemerkungen Sattdampfturbinen < 1500 MW Kernkraftwerksturbinen, mehrgehäusig, Generatorantrieb, halbtourig (n = 1500 U/min) Kondensationsdampfturbinen Dampfturbinen für GuD-Anwendungen < 1100 MW unterkritische / überkritische FD-Parameter, Speisewasservorwärmung durch Anzapfdampf, Zwischenüberhitzung, mehrgehäusig, volltourig (n = 3000 U/min), Generatorantrieb < 350 MW axiale Abströmung (Kondensator), Generatorantrieb, ein- oder mehrgehäusig, DT-Leistung durch GT-Leistung definiert Industriedampfturbinen < 150 MW Generatorantrieb oder mechanischer Antrieb, meist eingehäusig, Regelstufe, Getriebe (n = U/min), Gegendruck, Entnahme-Kondensation, Entnahme- Gegendruck, Aktions- oder Reaktionsprinzip Kleindampfturbinen < 2 MW häufig einstufig, Getriebe(turbine), häufig Aktionsprinzip, Curtis-Stufe, axiale oder radiale Bauart, Ljungström-Bauart Leistung m&... h... P = m& h Massenstrom [kg/s] spez. Enthalpiegefälle [kj/kg] Einteilung von Dampfturbinen

Abströmung (Kondensator), Generatorantrieb, ein- oder mehrgehäusig, DT-Leistung durch GT-Leistung definiert Industriedampfturbinen < 150 MW Generatorantrieb oder mechanischer Antrieb, meist

4 spezifische Umfangsarbeit : a a u u = u 1 c u1 u = const. = u( c u1 u c 2 c u2 u2 ) = u c u Arbeitsverfahren der Turbinenstufe

5 Reaktionsgrad : R k = h h + h = h h = "kinematischer Reaktionsgrad" Reaktionsgrad

6 Überdruckprinzip = Reaktionsprinzip kinematischer Reaktionsgrad R k = 0,5 Aufteilung Enthalpiegefälle LE / LA: 50% / 50% symmetrische Geschwindigkeitsdreiecke gleiche Profile für LE und LA Beschleunigung und Umlenkung in LE und LA Axialschub Arbeitszahl λ = a u /u 2 1 bzw. λ* 0,5 LE LA Überdruckprinzip

7 Gleichdruckprinzip = Aktionsprinzip kinematischer Reaktionsgrad R k = 0 gesamtes Enthalpiegefälle im LE abgearbeitet hohe Strömungsgeschwindigkeit c 1 im LA nur Strömungsumlenkung (w 2 = w 1 ) hohe Beschaufelungsverluste kein Axialschub Arbeitszahl λ = a u /u 2 2 bzw. λ* 1 LE LA Gleichdruckprinzip

c 1 im LA nur Strömungsumlenkung (w 2 = w 1 ) hohe Beschaufelungsverluste

8 Überdruckprinzip Quelle: SIEMENS Gegendruck Trommelbauart Regelstufe Ausgleichskolben Gegendruckturbine

9 Gleichdruckprinzip Quelle: SIEMENS Entnahme-Gegendruck Kammerbauart Scheibenrotor kein Ausgleichskolben Entnahme-Gegendruckturbine

10 1. Profilverluste = f(re, k/s, ) Analogie zur ebenen Platte Reynoldszahl Re = w 2 s/ν bezogene Rauhigkeit k/s w 2 Abströmgeschwindigkeit [m/s] s Sehnenlänge [m] ν kinematische Zähigkeit [m 2 /s] k Sandrauhigkeit [m] Baugröße Sehnenlänge s Reynoldszahl Re bezogene Rauhigkeit k/s Profilverluste Baugröße und Wirkungsgrad 1

ν kinematische Zähigkeit [m 2 /s] k Sandrauhigkeit [m] Baugröße Sehnenlänge s

11 2. Randverluste = f(h/s, ) h Schaufellänge [m] s Sehnenlänge [m] Baugröße Schaufellänge h Schaufelseitenverhältnis h/s Randverluste 3. Radialspaltverluste = f(τ/h, ) τ Radialspaltweite [m] Baugröße Schaufellänge h bezogene Spaltweite τ/h Mindestspaltweite (Traupel, 1977): τ d[mm] ,25 mm Radialspaltverluste Baugröße und Wirkungsgrad 2

Radialspaltverluste = f(τ/h, ) τ Radialspaltweite [m] Baugröße Schaufellänge h

12 1. Investitionskosten Dampfturbine K [ ] = const. P φ P Nennleistung [kw] Baugröße ~ Nennleistung φ Exponent (φ = 0,5 0,7) φ = 0,7 für Dampfturbine (Frangopoulos, 1992) K/K ref = (P/P ref ) φ K/K ref [-] ϕ = ϕ = 0.7 ϕ = P/P ref [-] 2. spez. Investitionskosten Dampfturbine k [ /kw] = K / P = const. P φ-1 k/k ref = (P/P ref ) φ-1 k/k ref [-] P/P ref [-] ϕ = 1.0 ϕ = 0.7 ϕ = 0.5 Baugröße und Investitionskosten

(P/P ref ) φ K/K ref [-] 1.0 0.8 0.6 0.4 ϕ = 1.0 0.2 ϕ = 0.7 ϕ = 0.5 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 P/P ref [-] 2. spez.

13 zweikränzige Curtis-Stufe Aufbau: Düse LA1 Umlenkgitter LA2 LA1 und LA2 auf einer Radscheibe Gleichdruckprinzip VT: hohe Arbeitszahl (λ 8 bzw. λ* 2) NT: niedriger Wirkungsgrad Curtis-Stufe

14 Curtis-Turbine Quelle: Shin Nippon Machinery

15 Wahl der Durchströmrichtung? 1. Energieumsetzung im Laufrad: h = w 22 /2(1 (w 1 /w 2 ) 2 ) + u 12 /2(1 (d 2 /d 1 ) 2 ) h = a + b 0 1 Laufradeintritt 2 Laufradaustritt a 0 für w 2 w 1 immer erfüllt (Turbine) b 0 für d 1 d 2 Durchströmung von außen nach innen Zentripetalturbine 2. Massenbilanz: Massenstrom = ρ d π b c m = const. Expansion: Dichte ρ, Durchmesser d Durchströmung von innen nach außen Zentrifugalturbine Radialturbine

Laufradeintritt 2 Laufradaustritt a 0 für w 2 w 1 immer erfüllt (Turbine) b 0 für d 1 d 2 Durchströmung von

16 Radialturbine nach Curtis-Prinzip Durchströmung von außen nach innen Arbeitszahl λ 8 bzw. λ* 2 VT: hoher Wirkungsgrad NT: nur für kleine Volumenströme Quelle: KKK Radialturbine (Bauart Köhler)

17 gegenläufige Radialturbine Durchströmung von innen nach außen Aufbau einer Stufe: LA1 LA2 LA1 und LA2 laufen entgegengesetzt mehrstufig Überdruckprinzip VT: hohe Arbeitszahl (λ 4 bzw. λ* 2) NT: zwei Generatoren notwendig wird nicht mehr gebaut (?) Radialturbine (Bauart Ljungström)

Überdruckprinzip VT: hohe Arbeitszahl (λ 4 bzw.

18 # Firma Standort Homepage Leistung Bemerkung 1 2 AG Kühnle, Kopp und Kausch (KKK) B + V Industrietechnik GmbH Frankenthal, D bis 10 MW SIEMENS Hamburg, D 1,5-50 MW MAN TURBO 3 Stork Turbo Service Essen, D 0,15-3 MW A, 2C 4 Peter Brotherhood Ltd. Peterborough, GB MW 5 Fincantieri Genua, Italien MW WENEX equ. 6 Dresser-Rand Houston, USA 5 kw - 20 MW 7 Elliott Company Jeannette, USA bis 75 MW 8 Prime Steam Turbines Worcester, USA bis 2,2 MW ELLIOTT 9 Shin Nippon Machinery?, Japan 0,3-50 MW 10 Triveni Eng. & Ind. Ltd. Bangalore, Indien bis 22 MW Hersteller von Dampfturbinen bis 2 MW

wenex.equipements.fr 1-35 MW WENEX equ. 6 Dresser-Rand Houston, USA www.dresser-rand.com 5 kw - 20 MW 7 Elliott Company Jeannette, USA www.elliott-turbo.

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