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Optimierte KWK-Systeme21. Mai 2008, Güssing
Dampfturbinen kleiner Leistung
Institut für Thermodynamik und EnergiewandlungForschungsbereich für Strömungsmaschinen
Technischen Universität Wien
http://www.ite.tuwien.ac.at
Dr. Reinhard Willinger
• 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
Leistung P Bemerkungen
Sattdampfturbinen < 1500 MW Kernkraftwerksturbinen, mehrgehäusig, Generatorantrieb, halbtourig (n = 1500 U/min)
Kondensations-dampfturbinen
< 1100 MW unterkritische / überkritische FD-Parameter, Speisewasservorwärmung durch Anzapfdampf, Zwischenüberhitzung, mehrgehäusig, volltourig (n = 3000 U/min), Generatorantrieb
Dampfturbinen fürGuD-Anwendungen
< 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 = 3000 – 18000 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
[kJ/kg] efälleEnthalpieg spez.[kg/s] mMassenstro
Leistung
......h
mhmP
∆
∆=&
&
Einteilung von Dampfturbinen
uuuu
uuu
cuccuaconstu
cucua
∆=−==
−=
)(.
21
2211
:eitUmfangsarb espezifisch
Arbeitsverfahren der Turbinenstufe
rad"Reaktionsg herkinematisc"
:radReaktionsg
1...0=∆
′′∆=
′′∆+′∆′′∆
=hh
hhhRk
Reaktionsgrad
• Überdruckprinzip = Reaktionsprinzip
• kinematischer Reaktionsgrad Rk = 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 = au/u2 ≈ 1 bzw. λ* ≈ 0,5
LE
LA
Überdruckprinzip
• Gleichdruckprinzip = Aktionsprinzip
• kinematischer Reaktionsgrad Rk = 0
• gesamtes Enthalpiegefälle im LE abgearbeitet
• hohe Strömungsgeschwindigkeit c1
• im LA nur Strömungsumlenkung (w2 = w1)
• hohe Beschaufelungsverluste
• kein Axialschub
• Arbeitszahl λ = au/u2 ≈ 2 bzw. λ* ≈ 1
LE
LA
Gleichdruckprinzip
Quelle: SIEMENS• Überdruckprinzip
• Gegendruck
• Trommelbauart
• Regelstufe
• Ausgleichskolben
Gegendruckturbine
Quelle: SIEMENS• Gleichdruckprinzip
• Entnahme-Gegendruck
• Kammerbauart
• Scheibenrotor
• kein Ausgleichskolben
Entnahme-Gegendruckturbine
1. Profilverluste = f(Re, k/s, …)
Analogie zur ebenen Platte
Reynoldszahl Re = w2 s/νbezogene Rauhigkeit k/s
w2 … Abströmgeschwindigkeit [m/s]s … Sehnenlänge [m]ν … kinematische Zähigkeit [m2/s]k … Sandrauhigkeit [m]
• Baugröße ↓• Sehnenlänge s ↓• Reynoldszahl Re↓• bezogene Rauhigkeit k/s ↑
→ Profilverluste ↑
Baugröße und Wirkungsgrad 1
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 ↑
→ Radialspaltverluste ↑
Mindestspaltweite(Traupel, 1977):
τ ≈ d[mm] · 10-3 + 0,25 mm
Baugröße und Wirkungsgrad 2
1. Investitionskosten Dampfturbine
K [€] = const. Pφ
P … Nennleistung [kW]Baugröße ~ Nennleistungφ … Exponent (φ = 0,5 – 0,7)φ = 0,7 für Dampfturbine (Frangopoulos, 1992)
K/Kref = (P/Pref)φ
2. spez. Investitionskosten Dampfturbine
k [€/kW] = K / P = const. Pφ-1
k/kref = (P/Pref)φ-1
P/Pref [-]0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
K/K
ref [
-]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
ϕ = 1.0 ϕ = 0.7 ϕ = 0.5
P/Pref [-]0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
k/k re
f [-]
0.81.01.21.41.61.82.02.22.4
ϕ = 1.0 ϕ = 0.7 ϕ = 0.5
Baugröße und Investitionskosten
• 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
Quelle: Shin Nippon Machinery
Curtis-Turbine
Wahl der Durchströmrichtung?
1. Energieumsetzung im Laufrad:
∆h‘‘ = w22/2(1 – (w1/w2)2) + u1
2/2(1 – (d2/d1)2)∆h‘‘ = a + b ≥ 0
1 … Laufradeintritt2 … Laufradaustritt
a ≥ 0 für w2 ≥ w1 immer erfüllt (Turbine)
b ≥ 0 für d1 ≥ d2→ Durchströmung von außen nach innen„Zentripetalturbine“
2. Massenbilanz:
Massenstrom = ρ d π b cm = const.
Expansion: Dichte ρ ↓, Durchmesser d ↑→ Durchströmung von innen nach außen„Zentrifugalturbine“
Radialturbine
• 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)
• 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)
# Firma Standort Homepage Leistung Bemerkung
1 AG Kühnle, Kopp und Kausch (KKK) Frankenthal, D www.agkkk.de bis 10 MW SIEMENS
2 B + V Industrietechnik GmbH Hamburg, D www.manturbo.de 1,5 - 50 MW MAN TURBO
3 Stork Turbo Service Essen, D www.turbo-service-gmbh.com 0,15 - 3 MW A, 2C
4 Peter Brotherhood Ltd. Peterborough, GB www.peterbrotherhood.co.uk 1 - 40 MW
5 Fincantieri Genua, Italien www.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.com bis 75 MW
8 Prime Steam Turbines Worcester, USA www.primeairblowers.com bis 2,2 MW ELLIOTT
9 Shin Nippon Machinery ?, Japan www.snm.co.jp 0,3 - 50 MW
10 Triveni Eng. & Ind. Ltd. Bangalore, Indien www.trivenigroup.com bis 22 MW
Hersteller von Dampfturbinen bis 2 MW