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