maschinenbau Laborversuch STM 10 – Gasturbine 2013/STM 10 Ver201… · Im allgemeinen Sprachgebrauch – auch unter Technikern – bezeichnet der Begriff „Gasturbine“ eine komplette

Fachgebiet für Strömungslehre und Strömungsmaschinen

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Prof. Dr.-Ing. Janusz A. Szymczyk

stralsunduniversity ofapplied

sciences

fachbereichmaschinenbau

fachhochschule

school ofmechanical engineering

1

Laborversuch STM 10 – Gasturbine

JANUSZ A. SZYMCZYK, UWE BORCHERT, THOMAS PANTEN

Stralsund, 2011

Inhalt

1. Erklärung zum Sprachgebrauch ..................................................................................................... 2

2. Ziel des Laborversuches................................................................................................................. 2

3. Allgemeines zu Gasturbinen und deren Anwendung ..................................................................... 2

3.1 Aufbau und Wirkungsweise von Gasturbinen....................................................................................... 4 3.2 Gasturbinen-Kreisprozesse .................................................................................................................. 5

4. Technische Beschreibung einer Gasturbinenanlage am Beispiel der Kleingasturbine GT 027-1 . 8 4.1 Technische Daten der Gasturbine in der Prüfstandkonfiguration ......................................................... 8 4.2 Geschichte der GT 027-1 ..................................................................................................................... 9 4.3 Funktionsbeschreibung ........................................................................................................................ 9 4.4 Beschreibung der Hauptbaugruppen.................................................................................................. 11

5. Der Laborversuch ......................................................................................................................... 17

5.1 Der Gasturbinenprüfstand .................................................................................................................. 17 5.2 Versuchsdurchführung ....................................................................................................................... 19 5.3 Auswertung der Ergebnisse ............................................................................................................... 21

6. Literatur......................................................................................................................................... 32

7. Anhang.......................................................................................................................................... 36

Laborversuch STM 10 – Gasturbine – Kapitel 1 – Erklärung zum Sprachgebrauch

1. Erklärung zum Sprachgebrauch Die Bezeichnung weiblicher und männlicher Personen durch die jeweils maskuline Form im vorliegenden Laborversuchsskript wird der verfassungsrechtlich gebotenen Verwirklichung der Gleichstellung aller Geschlechter und der Beseitigung der für Frauen bestehenden Nachteile sprachlich nicht gerecht.

Auf die Verwendung von Doppelformen oder anderen Kennzeichnungen für weibliche und männliche Personen (z.B. Studentin/Student oder StudentInnen) wird jedoch verzichtet, um die Lesbarkeit und Übersichtlichkeit zu wahren. Alle im Text verwendeten Personenbezeichnungen sind stets geschlechtsneutral gemeint.

2. Ziel des Laborversuches Ziel des Laborversuches ist es, die Funktions- und Arbeitsweise einer Gasturbinenanlage kennen zu lernen. Es soll das Betriebsverhalten einer Gasturbinenanlage ermittelt werden.

Durch den Laborversuch sollen Sie Kenntnis über die Eckpunkte des realen Kreisprozesses einer Gasturbine erlangen, indem Sie Messwerte aufnehmen und diese zur Berechnung der für den Kreisprozess relevanten Größen nutzen. Des Weiteren erfahren Sie in einem realen Versuch die technischen Probleme bei der Messung in kompressiblen Fluiden mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten.

3. Allgemeines zu Gasturbinen und deren Anwendung Im allgemeinen Sprachgebrauch – auch unter Technikern – bezeichnet der Begriff „Gasturbine“ eine komplette Gasturbinenanlage. Eine Gasturbine im eigentlichen Sinn stellt eine Strömungsmaschine dar, in der die Energie des Arbeitsfluides teilweise in Arbeit umgesetzt wird. Sie ist ähnlich aufgebaut und funktioniert prinzipiell gleich wie eine Wasserturbine oder eine Dampfturbine. Der Unterschied liegt in der Art und im Verhalten des Arbeitsfluides – bei der Gasturbine ein trockenes oder feuchtes Gas oder Gasgemisch, ein kompressibles Fluid. [1]

Im Gegensatz zu einer Gasturbine im eigentlichen Sinne besteht eine Gasturbinenanlage aus allen Elementen, die einen thermodynamisch autarken Betrieb ermöglichen. Dabei handelt es sich um eine Wärmekraftmaschine wie Otto- und Dieselmotoren, Dampfkraftanlagen und Stirlingmotoren.

Die Elemente einer Gasturbinenanlage sind der von einer Turbine angetriebene Verdichter, der Lufterhitzer (Wärmetauscher, Brennkammer oder deren Kombinationen) und die Turbine. Es wird auch hier im weiteren Verlauf der Begriff „Gasturbine“ für die komplette Anlage verwendet. [1]

Gasturbinen werden als ortsfeste Anlagen in Kraftwerken (siehe Abb. 3-1) zur Stromerzeugung oder zum Antrieb von Turboarbeitsmaschinen und ortsbeweglich in mobilen Kraftwerken oder Fahrzeugen aller Art eingesetzt. Bei den Fahrzeugantrieben kommen Gasturbinen insbesondere in der Luftfahrt (siehe Abb. 3-3, Abb. 3-4, Abb. 3-5 und Abb. 3-6) und in der Schifffahrt (siehe Abb. 3-2) zum Einsatz. [2]

Abb. 3-1: Gasturbine Siemens SGT-800, eingesetzt in Kraftwerken (47 MW)

Abb. 3-2: Kreuzfahrtschiff „Constellation“ mit Gasturbinenantrieb (2 x 29 MW)

2

Laborversuch STM 10 – Gasturbine – Kapitel 3 – Allgemeines zu Gasturbinen und deren Anwendung

Abb. 3-3: Verkehrsflugzeug Boeing 747 mit vier Gasturbinen (ZTL) Pratt & Whitney PW1000G (4 x 44 MW)

Abb. 3-4: Hubschrauber Mil Mi-26 mit zwei Wellenleistungsgasturbinen ZMKB Progress Lotarew D-136 (2 x 8 MW)

Abb. 3-5: Hubschrauber Eurocopter EC 135 mit zwei Wellenleistungsgasturbinen Turboméca Arrius 2 B oder Pratt & Whitney PW 206B mit (2 x 609 kW)

Abb. 3-6: STOL-Flugzeug Pilatus PC-6 mit einer Wellenleistungsgasturbine Turboméca Astazou IIE oder IIG (385 kW) oder Pratt & Whitney Canada PT6A-27 (404 kW)

Charakteristische Eigenschaften von Gasturbinen – vorteilhafte und nachteilige gleichermaßen – sind [1, 2]:

Höchste Leistungsdichte aller Wärmekraftmaschinen (masse- und volumenbezogen)

Vibrationsfreier Betrieb

Hohe Dauerleistung von bis zu 90 % der maximal zulässigen Leistung

Viele Brennstoffe sind einsetzbar.

Schnelle Betriebsbereitschaft

Geringer Maximalwirkungsgrad und geringer Teillastwirkungsgrad

Hoher Anlagenpreis

Trotz einiger, vor Allem technischer, Nachteile ist der Einsatz von Gasturbinen in bestimmten Anwendungsbereichen sehr viel wirtschaftlicher als der Einsatz von Kolbenmotoren. Dazu zählen die Luftfahrt und die Stromerzeugung. Die hohe Leistungsdichte, die geringen Anforderungen an die Infrastruktur und die kurze Zeit von der Inbetriebnahme bis zur vollen Leistungsabgabe sind wirtschaftlich häufig nur von Gasturbinen zu erfüllen. [2]

In anderen Bereichen, wie zum Beispiel in der Kfz-Technik, sind heutige Gasturbinen gegenüber anderen Antriebsmaschinen im Nachteil. Eine hohe Leistungsdichte wie in der Luftfahrt ist nicht erforderlich. Ebenso ist es nicht notwendig, eine hohe Dauerleistung in Kraftfahrzeugen zu installieren, da diese üblicherweise mit kleinen Teillasten von 10 % bis 65 % betrieben werden [2], mit Ausnahme von kurzzeitigen Beschleunigungsleistungen und relativ selten gefahrener Höchstgeschwindigkeit. Der geringe Maximalwirkungsgrad und insbesondere der geringe Teillastwirkungsgrad verringern die Wirtschaftlichkeit für diese Antriebsaufgabe. Dazu kommt noch der hohe Anschaffungspreis, der schnell einen vierstelligen Euro-Betrag für jedes installierte Kilowatt Maximalleistung erreicht [1, 2, 3].

In anderen Antriebsaufgaben ist sogar technisch gesehen der Einsatz von hocheffizienten Antrieben wie modernen Dieselmotoren nicht sinnvoll, obwohl leichte Kfz-Dieselmotoren Wirkungsgrade von bis zu 43 % erreichen, während eine gleichstarke Gasturbine im Kilowattbereich höchstens 25 % bei

3


Volllast und 21 % bis 22 % bei einer Dauerleistung von 90 % erreicht. Zu diesen Einsatzfällen zählen Hubschrauber, die gerade für den Schwebeflug – die übliche Art, mit einem Hubschrauber zu starten und zu landen – eine hohe Dauerleistung benötigen.

Eine Gasturbine im höheren Kilowattbereich hat eine bis zu 8-fache Leistungsdichte gegenüber Ottomotoren [1]. Mit Gasturbinen sind Hubschrauber sehr leistungsfähig und können auch noch bei der geringeren Luftdichte in über 3.000 m Höhe schweben. Mit einem schweren Dieselmotor, der zwar seine Leistung über einem großen Leistungsbereich mit viel höherem Wirkungsgrad abgibt als eine Gasturbine, hebt der Hubschrauber möglicherweise nicht einmal ab, so dass der Wirkungsgrad des Hubschraubers zu Null wird – im Gegensatz zu dem Hubschrauber mit dem nicht so effizienten Gasturbinenantrieb.

Allgemein gilt: Für verschiedene Anwendungen mit ihren speziellen Erfordernissen gibt es verschiedene optimale Antriebsmaschinen. Keine der Wärmekraftmaschinen und der anderen Antriebsprinzipien ist für alle Antriebsaufgaben gleichermaßen geeignet. So hat auch die Gasturbine als Wärmekraftmaschine mit dem geringsten Maximalwirkungsgrad und dem geringsten Teillastwirkungsgrad auch heute noch eine herausragende Bedeutung in den speziellen Einsatzfeldern und wird ständig weiter entwickelt. Das Gleiche gilt für die anderen Wärmekraftmaschinen.

3.1 Aufbau und Wirkungsweise von Gasturbinen Bei Gasturbinen wird mit einem Verdichter (1) komprimierte Luft in eine Brennkammer (2) gefördert. Dort wird gasförmiger oder flüssiger Brennstoff zugeführt und bei konstantem Druck in einem kontinuierlichen Prozess verbrannt. Die Verbrennungsgase expandieren in der Turbine (3) und geben ihre Energie ab. Der größte Teil der Turbinenleistung (ca. 2/3) dient zum Antrieb des Verdichters, mit dem Überschuss (ca. 1/3), der aus der Wärmezufuhr resultiert, wird bei einem Turbinenluftstrahltriebwerk (siehe Abb. 3-7) mit Hilfe einer Schubdüse (4) der Vorschub erzeugt und bei einer Wellenleistungsgasturbine (siehe Abb. 3-8) über ein Getriebe (5) eine Arbeitsmaschine angetrieben.

4

Abb. 3-7: Schema eines Einwellen-Turbinenluftstrahltriebwerkes [4]

Abb. 3-8: Schema einer Einwellengasturbine mit Wellenleistung [5]

(5)

(3) (1)

(2) (1) (2) (3)

(4)

Gasturbinen sind nach dem Strömungsprinzip arbeitende Verbrennungskraftmaschinen, die mit den Otto- und Dieselmotoren verglichen werden können. Sie verbinden die Vorteile der Strömungsmaschinen wie einfacher Aufbau, vibrationsfreier Lauf durch fehlende oszillierende Massen, zeitlich gleichförmiges Drehmoment, höhere Drehzahl und geringes spezifisches Leistungsgewicht mit denen der „Maschinen mit innerer Verbrennung“. [6]


Abb. 3-9: Vergleich der Arbeitsweise von Gasturbine und Kolbenmotor [6]

a) Ansaugen, b) Verdichten, c) Wärmezufuhr (Verbrennen), d) Arbeiten, e) Auslassen

Während im Kolbenmotor diese Vorgänge im selben Raum zeitlich getrennt ablaufen, finden sie in einer Gasturbine gleichzeitig, aber räumlich getrennt voneinander, statt. [6]

3.2 Gasturbinen-Kreisprozesse [3, 7]

Die wichtigsten Gasturbinen Kreisprozesse sind der geschlossene Kreisprozess, sowie der offene Kreisprozess mit und ohne Wärmetausch. Der Joule-Prozess beschreibt den idealen, verlustlosen Kreisprozess einer Gasturbine und besteht beim geschlossenen Prozess (siehe Abb. 3-10) aus den Zustandsänderungen

1 – 2 isentrope Verdichtung im Verdichter, 2 – 3 isobare Wärmezufuhr im Erhitzer, 3 – 4 isentrope Entspannung in der Turbine, 4 – 1 isobare Wärmeabfuhr im Kühler

Erhitzer

3 3

2 T

4

2 qzu Verdichter Generator

Turbine qab 1 4

1

Kühler

s

Abb. 3-10: Prinzipschaltbild und T-s-Diagramm des geschlossenen Gasturbinenprozesses

Der geschlossene Prozess ist gekennzeichnet durch eine externe Verbrennung des Brennstoffes und die Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas über einen Erhitzer. Dadurch wird die Verwendung von billigen Brennstoffen wie Schweröl oder Kohlenstaub ermöglicht, deren Verunreinigungen bei einer direkten Verbrennung im offenen Prozess zu Korrosion und Erosion in Brennkammern und Turbinen

5


führen können. Weiterhin kann als Arbeitsgas ein Fluid verwendet werden, das weniger korrosiv ist als Luft oder eine günstigere Gaskonstante hat.

Der ideale Kreisprozess einer einfachen offenen Gasturbinenanlage (siehe Abb. 3-11) besteht aus den Zustandsänderungen

1 – 2 isentrope Verdichtung im Verdichter, 2 – 3 isobare Wärmezufuhr in der Brennkammer,

Abgas 3 – 4 isentrope Entspannung in der Turbine, 4 – 1 isobare Wärmeabfuhr an die Umgebung

3 Brenn-kammer T

4 4 Brenn-stoff

2 qzu 2 3

qab

1Verdichter Generator

1 s

Turbine Luft

Abb. 3-11: Prinzipschaltbild und T-s-Diagramm des offenen Gasturbinenprozesses

Der ideale Kreisprozess einer einfachen offenen Gasturbinenanlage mit Abgaswärmetauscher (siehe Abb. 3-12) nutzt die Abgaswärme zur Vorwärmung der verdichteten Luft und damit zur Wirkungsgradsteigerung und besteht aus den Zustandsänderungen

1 – 2 isentrope Verdichtung im Verdichter, 2 – 3 Wärmeaustausch im Abgaswärmetauscher, 3 – 4 isobare Wärmezufuhr in der Brennkammer,

Abgas 4 – 5 isentrope Entspannung in der Turbine, 5 – 6 Wärmeaustausch im Abgaswärmetauscher,

6 6 – 1 isobare Wärmeabfuhr an die Umgebung. Abgas-wärme-tauscher

6

Abb. 3-12: Prinzipschaltbild und T-s-Diagramm des offenen Gasturbinenprozesses mit Abgaswärmetauscher

Für alle Schaltungen von Gasturbinen gilt: Wirkungsgrad und Arbeitsvermögen des Gasturbinenprozesses können durch Minderung der Verdichtereinlasstemperatur, Erhöhung der

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1

3

4

5

Verdichter

Luft Turbine

Generator

Brenn-kammer

4

T

Brenn-stoff 3 5

2 qzu

6 qab

1 qaus

s


Turbineneintrittstemperatur oder Erhöhung des Druckverhältnisses verbessert werden. Die Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur wird durch den Turbinenwerkstoff begrenzt. Eine Erhöhung des Druckverhältnisses kann nur bis zu einem Optimum erfolgen, darüber hinaus sinkt der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine.

Bei der in Abb. 3-13 dargestellten Gasturbinenanlage wird die Luft zwischen den Verdichtern gekühlt, wodurch die aufzuwendende Arbeit im Hochdruckverdichter vermindert wird. Zwischen den Turbinen wird das Arbeitsgas durch eine zweite Verbrennung wieder aufgeheizt, mit der Folge, dass eine größere Arbeit in der Niederdruckturbine abgegebenen werden kann. Beides hat jedoch eine Minderung des Gesamtwirkungsgrades zur Folge.

In der Niederdruckstufe sind Niederdruckverdichter und Niederdruckturbine mechanisch über eine Welle verbunden, ebenso wie die entsprechenden Komponenten der Hochdruckstufe. Nieder- und Hochdruckstufe sowie Freifahrturbine sind lediglich thermodynamisch verbunden. Dadurch sind in den einzelnen Stufen unterschiedliche Drehzahlen möglich, mit dem Vorteil, dass die Freifahrturbine mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment in einem Wirkungsgrad günstigen Drehzahlbereich arbeiten kann. Der ideale Kreisprozess dieser offenen Gasturbinenanlage besteht aus den Zustandsänderungen

Abgas

3 1

s

T

2 4

5

6

7

8

9

10

11

1 – 2 isentrope Verdichtung im ND-Verdichter, 2 – 3 Zwischenkühlung im Wärmetauscher, 3 – 4 isentrope Verdichtung im HD-Verdichter, 4 – 5 Wärmeaustausch im Abgaswärmetauscher, 5 – 6 isobare Wärmezufuhr in der Brennkammer, 6 – 7 isentrope Entspannung in der HD-Turbine, 7 – 8 isobare Wärmezufuhr in der Brennkammer, 8 – 9 isentrope Entspannung in der ND-Turbine, 9 – 10 isentrope Entspannung in der Freifahrturbine, 10 – 11 Wärmeaustausch im Abgaswärmetauscher, 11 – 1 isobare Wärmeabfuhr an die Umgebung.

11 Abgas-wärme-tauscher

5

Brenn-kammer Brenn-

stoff4 6

Hoch-druck-turbine

Hoch-druck-verdichter

Brenn-kammer 7

7

Abb. 3-13: Prinzipschaltbild und T-s-Diagramm einer Dreiwellen-Gasturbinenanlage mit Zwischenkühlung, Abgaswärmetauscher, Zwischenerhitzung und Freifahrturbine

1

2

3 Brenn-stoff

8 Wärme-tauscher

10

Nieder-druck-turbine

Nieder-druck-verdichter 9

Luft

Freifahr-turbine

Generator

Laborversuch STM 10 – Gasturbine – Kapitel 4 – Technische Beschreibung einer Gasturbinenanlage am Beispiel der Kleingasturbine GT 027-1

8

4. Technische Beschreibung einer Gasturbinenanlage am Beispiel der Kleingasturbine GT 027-1

4.1 Technische Daten der Gasturbine in der Prüfstandkonfiguration

Jahr der Errichtung des Prüfstandes 2007

Prüfturbine

Typ GT 027-1/220

Hersteller VEB Strömungsmaschinen Pirna

Baujahr 1977

Bauart Einwellige, mit konstanter Drehzahl arbeitende Gasturbine mit einstufigem Radialverdichter und einstufiger Radialturbine sowie direkt gekoppeltem zweistufigem Getriebe

Stückzahl (1970 – 1984) 1.900 Stück

Einsatzgebiete Notstromerzeugung, Feuerlöschtechnik, Flugzeuganlasstechnik

Nennleistung 162 kW

Höchstleistung (Dauer 15 min.) 175 kW

Nenndrehzahl 32.000 min-1

Zulässige Höchstdrehzahl 33.000 min-1

Drehzahl am Getriebeausgang 1.500 min-1

Luftdurchsatz bei 1013 kPa und 15 °C Ansaugzustand 1,65 kg/s

Abgastemperatur bei Nennleistung 580 °C

Abgasaustrittsgeschwindigkeit bei Nennleistung 95 m/s

Brennstoffart Dieselkraftstoff oder Kerosin

Brennstoffverbrauch bei Nennleistung 100 kg/h

Masse ohne Öl 176 kg

Dauer eines Anlassvorgangs bis zur vollen Leistungsabgabe < 30 s

Übersetzungsgetriebe für den Prüfstandsbetrieb

Bauart Einstufiges Zahnriemengetriebe

Eingangsdrehzahl 1.500 min-1

Ausgangsdrehzahl 3.375 min-1

Übersetzungsverhältnis 0,444

Leistungsbremse

Typ Wirbelstrombremse WT-190

Hersteller Schenck Pegasus GmbH, Darmstadt

Maximale Bremsleistung 190 kW

Eingangsdrehzahl für geforderte Bremsleistung 3.030 min-1

[5, 8]


9

4.2 Geschichte der GT 027-1

Die in diesem Unterkapitel folgenden Informationen stützen sich auf Aussagen von ehemaligen Mitarbeitern des VEB Strömungsmaschinen Pirna, in persona die

T. Helmig & M. Köckritz GbR Gasturbinen Notstromaggregate Nelkenstraße 2 01809 Heidenau

Von der GT-027-Serie wurden im Zeitraum von 1970 bis 1984 ca. 1.900 Stück im ehemaligen VEB Strömungsmaschinen Pirna gefertigt. Vorgängermodell war die ab 1960 gefertigte „GT 017“, von der ca. 250 Stück produziert wurden. Entstanden ist der VEB Strömungsmaschinen Pirna aus dem Bestreben der ehemaligen DDR, in den 1950-er Jahren eine eigenständige Luftfahrtindustrie aufzubauen. [8]

Das erste Projekt war die Entwicklung und Fertigung des Strahltriebwerks „Pirna 014“ für die Baade-152-Flugzeugprototypen, ein direkter Triebwerksnachfolger des „Jumo 012“, das wiederum ein Nachfolger des legendären „Jumo 004“ von Junkers war, welches erstmals in der Me-262 eingesetzt wurde, das erste serienmäßig hergestellte Flugzeug mit Strahltriebwerk. [8]

Nach dem Absturz einer Baade-152-Testmaschine wurde auch das Baade-152-Projekt beim VEB Strömungsmaschinen Pirna 1961 eingestellt. Ab diesem Zeitpunkt wurden in den Produktionsstätten ausschließlich Wellenleistungs-Kleingasturbinen wie die bereits erwähnte GT 017 und deren Folgemodelle gefertigt. Nachfolgemodelle waren die GT 027 mit 140 kW bzw. 162 kW, ab 1981 die GT 028 mit einer Stückzahl von ca. 1.000 Stück und einer Leistung von 195 kW. Das letzte Modell war die GT 029, von der bis 1991 noch 100 Stück mit einer Leistung von 232 kW produziert wurden. [8]

Haupteinsatzgebiete waren die Notstromversorgung in Industrie, Landwirtschaft und öffentlichen Diensten. Ein geringer Teil von ca. 5 % fand ihren Einsatz in der Flugzeuganlasstechnik und bei Feuerlöschpumpen. Exportiert wurden die Turbinen in die ehemalige ČSSR (150 Stück), nach Japan, in die Schweiz (10 bis 30 Stück), sowie einzelne Aggregate nach Polen, Ungarn, in die ehemalige UdSSR, nach Italien, Frankreich und in den Irak. Es wird davon ausgegangen, dass die Hälfte aller produzierten Aggregate heute noch im Einsatz ist. [8]

4.3 Funktionsbeschreibung Die Gasturbine GT 027-1 (siehe Abb. 4-1 und Abb. 4-2) ist eine Einwellen-Gasturbine und arbeitet mit offenem Kreisprozess ohne Abgaswärmetauscher. Der einstufige Radialverdichter (1) saugt die Luft aus der Umgebung an und führt dieser kinetische Energie zu. Die teilweise Wandlung der kinetischen Energie in statischen Druck erfolgt sowohl im Laufrad als auch beim Durchströmen des sich anschließenden radialen Verdichterleitapparates (2). [5, 8]

Aus dem Leitapparat tritt die verdichtete Luft in den vom Brennkammergehäuse gebildeten Druckraum (3) und aus diesem durch Bohrungen in das ringförmige Flammrohr (4) ein. Der Brennstoff wird mit einem auf der Turbinenwelle befestigtem Spritzrad (5) durch radiale Beschleunigung in den Brennraum gesprüht (Rotationszerstäubung). Ein Teil der Luft – die Primärluft – wird am Spritzrad vorbei in die Brennzone geleitet und mit dem Brennstoff vermischt. Dieser entzündet sich an der Flamme und verbrennt. [5, 8]

Die weitaus größere Luftmenge – die Sekundärluft – strömt in die Mischzone der Brennkammer und senkt die Temperatur des Arbeitsgases auf einen für das Material der Turbine zulässigen Wert. Die insgesamt durch die Verbrennung freigesetzte Wärmeenergie führt zu einer Ausdehnung des Arbeitsgases und damit zum Anstieg des Volumenstroms. [5, 8]

Das Arbeitsgas strömt durch den Turbinenleitapparat (6) in die einstufige Radialturbine (7), wird dort entspannt und tritt durch den Diffusor (8) aus in die Umgebung. Die Druckenergie wird in der Turbine in kinetische Energie gewandelt und an das Laufrad abgegeben, womit der nutzbare Energieanteil des Arbeitsgases in mechanische Energie umgewandelt wird. Die von der Turbine abgegebene Leistung ist größer als die vom Verdichter aufgenommene. Die Leistung der Turbine fließt in den Antrieb des Verdichters und der Hilfsgeräte (9). Die verbleibende mechanische Leistung steht für die Antriebsaufgabe zur Verfügung und wird über das Getriebe (10) an die angeschlossene Arbeitsmaschine weitergeleitet. [5, 8]


Schaltkasten Brennstofffilter

Schmierstofffeinfilter

Zündgerät

Vorn

Getriebegehäuse Brennkammergehäuse

Verdichtergehäuse Drehzahlregler

Rechts

Anlasser

Abgasdiffusor

Links

Abb. 4-1: Seitenansichten der GT 027-1 [5]

10


(2) (4) (3) (5)

11

Abb. 4-2: Luftführung in der Gasturbine [5]

4.4 Beschreibung der Hauptbaugruppen

4.4.1 Untersetzungsgetriebe

Das Untersetzungsgetriebe wandelt die mechanische Leistung der Turbinenwelle, die mit einer Drehzahl von 32.000 min-1 rotiert und dabei ein relativ kleines Drehmoment von ca. 50 Nm entwickelt [8], auf eine generatortypische Drehzahl von 1.500 min-1 mit einem Drehmoment von ca. 1.050 Nm. Die Übersetzung erfolgt zweistufig über eine Planetenstandgetriebestufe und eine Stirnradstufe. Die Gasturbine treibt über das Abtriebsrad des Getriebes über ein weiteres Stirnrad auch die Schmierstoffpumpe und den Drehzahlregler an. [5, 8]

Das Getriebegehäuse ist das tragende Element der Kleingasturbine GT 027. Es trägt alle weiteren Teile des Aggregates und enthält den Getriebeflansch, an dem die Turbine freitragend mit der Arbeitsmaschine verbunden wird. Der untere Teil des Getriebegehäuses dient als Schmierstofftank mit einem Fassungsvermögen von 12 Litern Öl (Mischung aus 25 % Hydrauliköl und 75 % Transformatorenöl). [5, 8]

4.4.2 Anlasser

Beim Startermotor handelt es sich um einen 4,4-kW-Schubanker-Anlasser, der die die Turbinenwelle über das Hauptgetriebe bis zu einer Drehzahl von 17.000 min-1 beschleunigt. Danach beschleunigt die Gasturbine selbstständig auf ihre Nenndrehzahl von 32.000 min-1. Der Anlassertyp stammt aus dem Kfz-Bereich und wurde auch in den 6-Zylinder-Dieselmotoren der IKARUS-Busse eingesetzt. Er befindet sich über dem Getriebegehäuse. [8]

4.4.3 Verdichter

Das aus einer seewasserbeständigen Leichtmetalllegierung hergestellte Verdichtergehäuse (1) (siehe Abb. 4-3) bildet den Strömungskanal (2) für den Lufteintritt. Für das Verdichterlaufrad (3) und für den Verdichterleitapparat (4) stellt es die seitliche Begrenzung dar. [5, 8]

Die Verdichtung der Luft erfolgt im radialen Laufrad mit axialem Eintritt und im nachfolgenden Verdichterleitapparat. Durch die Rotation des Laufrades wird der Luft kinetische Energie zugeführt, die dann durch Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit sowohl im Laufrad als auch im

(7) (1) (8) (9) (10) (6)


Verdichterleitapparat in statische Druckenergie umgesetzt wird. Nach dem Verlassen des Verdichterleitapparates gelangt die komprimierte Luft in die Brennkammer. [5, 8]

(5)

(4)

12

Abb. 4-3: Verdichter der Gasturbine [5]

4.4.4 Brennkammer

Bei der Brennkammer (siehe Abb. 4-4) handelt es sich um eine so genannte Ringraumbrennkammer [9]. Das Brennkammergehäuse (9) bildet die tragende Verbindung zwischen Verdichter- und Turbinengehäuse. Das Flammrohr (8) besteht aus einer hochwarmfesten Chrom-Nickel-Titan-Legierung. [5, 8]

An der Oberseite der Brennkammer ist das Zündgerät (5) angeordnet. Dieses enthält eine Einspritzdüse (4) und eine Zündkerze (6). Das Zündgerät bildet während des Anlassvorgangs eine Zündflamme (7) aus, durch welche die Hauptflamme in der Brennzone entzündet wird. Der Brennstoff wird von der Pumpe über die Brennstoffzufuhr (1) zur rotierenden Brennstoffeinspritzung (11) gefördert und dort rotationszerstäubt. [5, 8]

Die Verdichterluft (2) strömt in das Brennkammergehäuse (9). Die Durchbrüche des Flammrohres (8) teilen die Verdichterluft in Primär- und Sekundärluft. Die Primärluft strömt durch die in der Nähe des Zentrums liegenden Löcher in die Brennzone des Flammrohrs (8), vermischt sich mit dem zerstäubten Brennstoff, entzündet sich an der Flamme und verbrennt. Durch die weiter außen liegenden Löcher strömt die Sekundärluft hinzu und vermischt sich mit den frisch verbrannten Gasanteilen. Dabei stellt sich eine Mischtemperatur ein, mit der das Gas anschließend das Flammrohr über den Turbinenleitapparat (10) verlässt. [5, 8, 10]

An der Unterseite des Brennkammergehäuses befindet sich ein Dränagestutzen. Nach Fehlanlassvorgängen fließt der im Brennkammergehäuse vorhandene Brennstoff über den Dränagestutzen ab. Dadurch wird bei dann doch erfolgreichem Anlassen nach den Fehlanlassvorgängen ein Überhitzen und unkontrollierbares Beschleunigen vermieden. [5, 8]

(1) (2) (3)


13

Abb. 4-4: Schnitt durch die Brennkammer und Turbinenstufe der Kleingasturbine GT 027-1 (1) Brennstoffzufuhr, (2) Verdichterluft, (3) Anlassbrennstoff, (4) Einspritzdüse, (5) Zündgerät, (6) Zündkerze, (7) Zündflamme, (8) Flammrohr, (9) Brennkammergehäuse, (10) Turbinenleitapparat, (11) Rotierende Brennstoffeinspritzung [5]

(4)

(5) (3)

(6) (7)

(8)

(2) (9)

(10)

(11)

(1)

4.4.5 Turbinengehäuse

Das Turbinengehäuse bildet den Abschluss des Brennkammergehäuses (9) (siehe Abb. 4-4), den Strömungskanal für die Radialturbine und die Abgasführung. Die Schaufeln des Turbinenleitapparates (10) sind hohl. Ein Teil der Sekundärluft strömt durch diese Schaufel und kühlt diese – Kühlen nicht im Sinne einer Kühlung wie bei einem Otto- oder Dieselmotor. Vielmehr wird die Temperatur der Schaufeln des Turbinenleitapparates auf moderaten Temperaturen gehalten und die abgeführte Wärme im Gegensatz zu Kolbenmotoren der Verdichterluft zugeführt. So kann die für die Wirtschaftlichkeit des Kreisprozesses notwendige hohe Temperatur vor der Turbinenstufe etwas höher gehalten werden, als es sonst ohne Schaufelkühlung möglich wäre, ohne das Material thermisch zu überlasten. [5, 8]

In größeren Gasturbinen mit Leistungen ab einigen Zig Megawatt werden seit einiger Zeit auch die Schaufeln der Laufräder mit Verdichterluft gekühlt. Dadurch sind heute Turbineneintrittstemperaturen bis 1.500 °C möglich, während die GT 027-1 mit 750 °C beaufschlagt werden kann, was sich auch im niedrigen maximalen Wirkungsgrad niederschlägt (siehe Kap. 3.2). [1, 3, 5]

Die Verdichterluft kühlt neben dem Turbinenleitapparat auch das Flammrohr, das thermisch besonders hoch belastet ist.

Im Innenraum der Abgasführung befindet sich der Lagerstuhl mit dem hydrodynamischen Gleitlager. Der Lagerstuhl ist lediglich einseitig angeschweißt und am freien Ende mit Gleitsteinen gelagert. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung ermöglichen diese eine axiale und radiale Verschiebung ohne eine Änderung der Lagerflucht. Die Kühlung des Gleitlagers erfolgt durch


Frischluft, die durch die Energie des Abgasstrahls nach dem Injektorprinzip durch die Hohlrippen über den Lagerstuhl angesaugt wird. [5, 8]

4.4.6 Rotor

Die Kleingasturbine besitzt einen einwelligen Rotor (siehe Abb. 4-5). Dieser ist zweifach gelagert und aufgrund seiner elastischen Konstruktion unanfällig gegenüber Eigenschwingungen. Er wurde überkritisch ausgelegt. Die erste Oberschwingung liegt weit über der Betriebsdrehzahl. Diese Ausführung gewährleistet einen ruhigen Lauf der Gasturbine. [5, 8]

Auf der Turbinenwelle sind das radiale Turbinenrad (1), das Spritz- und Schleuderrad (4) der rotierenden Brennstoffeinspritzung, das radiale Verdichterrad (5) und die gehärtete Lagerbuchse (6) zentriert. Alle auf der Welle zentrierten Bauteile werden durch Nutmuttern verspannt. Die Weiterleitung der mechanischen Abtriebsleistung an das Getriebe erfolgt über eine Kupplungsverzahnung (7) am vorderen Wellenende.

Das Turbinenrad (1) ist eine radiale Reaktionsturbine. Auf dem an der Rückseite des Turbinenrades befindlichen Zapfen ist die Turbinenwelle (2) aufgeschrumpft. Diese einfache Konstruktion ist relativ steif und gewährleistet die Sicherheitsabstände zu den biegekritischen Drehzahlen [11]. An der Schaufelseite des Turbinenrades befindet sich der Lagerzapfen (3), der ein Labyrinth und die gehärtete Lagerbuchse aufnimmt. [5, 8]

(7) (6) (5) (1) (2) (3) (4)

Abb. 4-5: Rotor der Gasturbine [5]

4.4.7 Brennstoffsystem und Regelung

In Abb. 4-6 ist das Brennstoff- und Regelsystem der Gasturbine dargestellt. Der Brennstoff wird von der Brennstoffpumpe (3) aus dem Brennstoffbehälter (1) über den Brennstofffilter (2) gesaugt und wird von dort über einen weiteren Filter und eine Drosseldüse (4) über das Brennstoffmagnetventil und das Differenzdruckventil zur Anlassdüse im Zündgerät (5) und zur rotierenden Brennstoffeinspritzung (6) gefördert. [5, 8]

Aus der rotierenden Brennstoffeinspritzung wird der Brennstoff durch die Rotation nach außen über eine Stolperkante gerissen und verteilt. An den Außenkanten des Spritz- und Schleuderrades wird der Brennstoff fein zerstäubt. [5, 8]

Als Steuermedium für das mechanisch-hydraulisch arbeitende Regel- bzw. Steuersystem wird Brennstoff verwendet. Der verwendete Fliehkraftregler (7) arbeitet als Proportionalregler und hält die Rotordrehzahl unabhängig von der Belastung der Gasturbine nahezu konstant. [5, 8, 12]

14


(5) (1)

(3) (4) (7) (6)

(2)

Abb. 4-6: Brennstoffsystem [5]

4.4.8 Schmierstoffsystem

Das Schmierstoffsystem ist in Abb. 4-7 dargestellt. Die im Getriebegehäuse untergebrachte Schmierstoffpumpe (1) saugt den Schmierstoff über den im Getriebegehäuse angeordneten Schmierstoffhauptfilter (2) aus dem Getriebesumpf (3), der gleichzeitig als Schmierstoffbehälter dient. Von der Schmierstoffpumpe gelangt der Schmierstoff über den Schmierstofffeinfilter (4) und den Schmierstoffkühler (5) zu den einzelnen Schmierstellen der Gasturbine. [5, 8]

Das Druckhalteventil (6) begrenzt den Schmierstoffdruck. Die Drossel (7) ist zur Druckentlastung des Schmierstoffkühlers beim Anfahren mit kaltem Schmierstoff erforderlich. Der Schmierstoff fließt von allen Getriebeschmierstellen und vom Rotorgleitlager im Verdichtergehäuse direkt und vom Rotorgleitlager im Turbinengehäuse über eine Schmierstoffrückleitung in den Getriebesumpf zurück. [5, 8]

Die Schmierstofftemperatur nach dem Schmierstoffkühler ist von der Belastung der Gasturbine abhängig. Sie beträgt bei Nennlast etwa 70 °C. [5, 8]

15


(4)

(1)

(3) (2)

(6)

(5)

(7)

Abb. 4-7: Schmierstoffsystem [5]

4.4.9 Elektrische Anlage

Zur elektrischen Anlage der Gasturbine gehört der am Getriebegehäuse befestigte Schaltkasten (siehe Abb. 4-1), der elektrische 4,4-kW-Anlasser, die Zündkerze im Zündgerät, das Magnetventil am Drehzahlregler und der in der Ebene des Temperaturaustrittes befindliche Übertemperaturschutz. Im Schaltkasten sind 3 Steuerrelais, 1 Magnetschalter, 1 Hochspannungszündspule mit einem selbsttätigen Unterbrecherkontakt (wie bei elektrischen Klingeln für Gleichspannung), ein Öldrucksicherungsschalter und ein Verdichterdruck abhängig gesteuerter Druckschalter enthalten. [5, 8]

Die Kleingasturbine wurde nach außen mit Prüfstand spezifischer Technik verschaltet. Diese weicht vom Original ab. Geblieben ist die Art der Bedienung. Das Inbetriebsbereitschaftsetzen, das Anlassen und das Abstellen der Gasturbinenanlage erfolgen über einen „Zündschlüssel“, ähnlich wie in Kraftfahrzeugen. Mit zwei Tastern kann ein Verstellmotor gesteuert werden, der den Drehzahlregler (siehe Kap. 4.4.7) beeinflusst und so die Solldrehzahl verändert. Die elektrische Anlage wurde durch einige Kontrollleuchten für Öldruck, Übertemperatur, Betriebsbereitschaft und Drehzahl höher als 17.000 min-1 (Anlasser, Zündung, Zündgerät abgeschaltet) ergänzt.

Für den Betrieb der Gasturbine ist eine starke Gleichstromquelle mit einer Leerlaufspannung von 24 V für den Anlassvorgang und eine weitere, mit ebenfalls 24 V Gleichspannung für den Betrieb der Relais und der Zündspulen-Unterbrecher-Einheit erforderlich. Am Prüfstand versorgt ein Labornetzgerät die Geräte im Schaltkasten und die externe Bedieneinheit mit den Kontrollleuchten und dem Anlass-Schlüsselschalter. Zwei 12-V-Kfz-Batterien mit einer Gesamtspannung von 24 V und einer Kapazität von 180 Ah dienen als Stromquelle für den Anlasser.

16

Laborversuch STM 10 – Gasturbine – Kapitel 5 – Der Laborversuch

17

4.4.10 Beschreibung des Anlassvorgangs

Der Anlassvorgang wird vollständig von der Anlassautomatik im Schaltkasten (siehe Abb. 4-1) gesteuert. Es handelt sich dabei um eine pneumatisch und hydraulisch beeinflusste elektromechanische automatische Steuerung. Die Drehzahl (über Brennkammerdruck), und der Öldruck beeinflussen die Vorgänge. Auch ein Fehlerschutz ist Bestandteil der Anlassautomatik. Bei fehlendem Öldruck (zu geringer Ölstand, Leitungsbruch) und bei Übertemperatur (Anlassvorgang zu langsam durch Batterieschwäche) bricht die Anlassautomatik den Startvorgang selbstständig ab, um Schäden zu vermeiden.

Das Inbetriebsetzen der Kleingasturbine erfolgt im Wesentlichen durch das Beschleunigen des Rotors und das Einleiten der Verbrennung und damit der Wärmezufuhr.

Im Einzelnen läuft der Anlassvorgang wie folgt ab: Beim Schließen des Anlassschalters mit dem Schlüssel werden über die Relais im Schaltkasten mit einer Selbsthaltung zuerst die Nebenschluss- und Hilfswicklungen des Anlassers vom Strom durchflossen. Dabei wird der Anker unter langsamem Drehen unter die Pole gezogen und das Anlasserritzel kann „sanft“ einspuren. Erst nach erfolgtem Einspuren wird durch eine Sperrklinke die Hauptwicklung aktiv und der Anlassmotor arbeitet mit voller Leistung. [5, 8]

Gleichzeitig mit dem Inbetriebsetzen des Anlassermotors wird das Brennstoffmagnetventil geöffnet. Zusätzlich liefert die Zündspule mit eingebautem „Klingel“-Unterbrecher die pulsierende Zündspannung an die Zündkerze. Der Anlasser versetzt den Rotor in Bewegung und treibt zusätzlich über das Getriebe die Brennstoff- und Ölpumpe an. Dadurch wird von Anfang an der Brennstoff zur Anlassdüse des Zündgerätes (siehe Abb. 4-4, (5)) gefördert, in dem die Zündflamme entzündet wird. [5, 8]

Sobald das Zünden der Hauptflamme erfolgt ist, unterstützt die Wärmezufuhr aus der Verbrennung das Beschleunigen des Rotors, das ohne Verbrennung nur durch den Anlasser erfolgen würde. Dabei wird in Abhängigkeit vom Verdichterdruck die Brennstoffmenge über das Beschleunigungssteuergerät reguliert, so dass die zulässige Turbineneintrittstemperatur nicht überschritten wird. [5, 8]

Erreicht die Turbine eine Drehzahl von ca. 17.000 min-1, werden der Anlasser, die Zündspule mit Unterbrecher und die Brennstoffzufuhr zum Zündgerät abgeschaltet. Bis zum Erreichen der Nenndrehzahl von 32.000 min-1 erfolgt die Beschleunigung selbstständig. Eine weitere Beschleunigung des Rotors über die Nenndrehzahl hinaus wird durch den Drehzahlregler des Brennstoffsystems verhindert. Unmittelbar, nachdem die Nenndrehzahl erreicht wurde, ist die Kleingasturbine bereit zur vollen Leistungsabgabe. [5, 8]

Der Anlassvorgang kann jederzeit manuell durch Linksdrehung des Schlüsselschalters abgebrochen werden.

Sobald der Anlassvorgang beendet ist, also bei einer Rotordrehzahl von mehr als 17.000 min-1, arbeitet die Gasturbine ohne elektrische Versorgung, da alle Hilfsaggregate von der Gasturbine selbst angetrieben werden. Dennoch wird das Brennstoffmagnetventil mit Strom aus der 24-V-Quelle betrieben.

Zum Abstellen der Gasturbinenanlage wird dieses Ventil stromlos gesetzt (durch Linksdrehung des Schlüsselschalters), damit die Verbrennung gestoppt und damit die Wärmezufuhr unterbrochen. Daraufhin fällt die Drehzahl – zuerst sehr schnell, später langsamer – und die Turbine kommt langsam zum Stillstand.

5. Der Laborversuch

5.1 Der Gasturbinenprüfstand Der Laborversuch STM 10 – Gasturbine – umfasst die Ermittlung der Kreisprozessparameter an einer Wellenleistungsgasturbine. Bei der Gasturbinenanlage handelt sich um eine GT 027-1 des ehemaligen VEB Strömungsmaschinen Pirna, die zum Antrieb eines Synchrongenerators als kompaktes Notstromaggregat konzipiert und eingesetzt wurde (siehe Abb. 5-1). Diese Gasturbine ist eine einfache einwellige Gasturbinenanlage und besitzt eine Radialverdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor und eine Radialturbinenstufe mit einem beschaufelten Leitapparat, dessen Leitschaufeln mit verdichteter Luft gekühlt werden (siehe Kap. 4).


Abb. 5-1: Notstromaggregat Turboelekt 330 mit 600-Liter-Tank über dem Generator [Foto: Fa.

T. Helmig & M. Köckritz GbR]

Die Gasturbine arbeitet mit konstanter Drehzahl und ist über die beiden Getriebe (siehe Abb. 5-2 und Abb. 5-3) ständig mit der anzutreibenden Last verbunden. Beim Anlassen dieser Gasturbine werden die Turbinenwelle und mit ihr alle Getriebewellen und die Last mit beschleunigt. Im Versuch treibt die Gasturbine eine Wirbelstrombremse an.

Kleingasturbine GT 027-1

Zahnriemengetriebe (G2) Wirbelstrombremse WT190 (WT)

Internes Getriebe (G1)

Abb. 5-2: Versuchsstand der Kleingasturbine GT 027-1

Diese Konfiguration mit der Arbeitskennlinie „Konstante Drehzahl“ ist typisch für Antriebslösungen in der Stromerzeugung. Aber auch in der Luftfahrt wird diese Arbeitskennlinie verwendet. Die ersten Hubschrauber, die von Gasturbinen angetrieben wurden, wurden mit Einwellengasturbinen ausgerüstet (Aérospatiale Alouette II: 1x Turboméca Artouste IIC6 oder 1x Astazou IV; Aérospatiale SA 341/342 Gazelle: 1x Turboméca Astazou IIIA oder 1x Astazou XIVM). Auch bei einigen Turboprops (Wellenleistungsgasturbine mit Getriebeuntersetzung auf einen oder mehrere Propeller) arbeitet die Gasturbine mit konstanter Drehzahl. Die abgegebene Leistung wird durch Änderung des Momentes variiert. Dazu erfasst bei dieser Art von Gasturbinen ein Regler die Drehzahl und variiert den eingespritzten Brennstoffvolumenstrom. [1, 6, 9, 13, 14].

18


Abb. 5-3: Schema des Kleingasturbine GT 027-1 für den Laborversuch Gasturbine

5.2 Versuchsdurchführung

5.2.1 Ablauf und Bewertung

Der Versuch findet im Gasturbinenlabor des Fachgebietes für Strömungslehre und Strömungsmaschinen statt (siehe Abb. 5-4) und wird durch ein mündliches Kolloquium begonnen, in dem Schwerpunkte aus diesem Versuchsskript diskutiert werden.

Der praktische Teil des Versuches wird vom Betreuer begleitet. Er nimmt die Gasturbine in Betrieb und bedient sie. Vom Betreuer werden vor Ort weitere Informationen über den Ablauf und ggf. Änderungen gegeben.

Für den Versuch werden mehrere verschiedene Belastungszustände gefahren. Die Messwertaufnahme erfolgt jeweils nach Erreichen eines quasistationären Zustandes. Das Zeichen für den Beginn der Messung gibt der Betreuer.

Die Messergebnisse werden von Ihnen in der im Anhang befindlichen Messwertetabelle erfasst. Bitte bringen Sie für den Versuch eine Messwertetabelle mit (siehe Anhang)! Bitte erfassen Sie die Messergebnisse korrekt und beachten Sie die Vorzeichen. Die Auswertung der Versuchsdaten erfolgt von jedem Versuchsteilnehmer eigenständig anhand der Fragen und Hilfestellungen in Kap. 5.3.

Der Laborversuch STM 10 – Gasturbine wird mit einer Note bewertet. Die Note setzt sich aus der Leistung im mündlichen Kolloquium, während der Versuchsdurchführung und der Auswertung der Messergebnisse zusammen.

19


18

7

19

Eingang Gasturbinenlabor

Abb. 5-4: Gasturbinenlabor (Haus 18) des Fachgebietes für Strömungslehre und Strömungsmaschinen [Luftaufnahme: Google]

5.2.2 Aufnahme der Messwerte

Die Messwerte für die Temperaturen und Drücke werden durch ein Multikanalmesssystem erfasst und digital angezeigt. Die Temperaturen werden mithilfe von Thermoelementen gemessen und in angezeigt. Die Drücke werden verschieden gemessen. Der Umgebungsdruck wird durch das Barometer absolut gemessen und der Messwert in angezeigt. Alle anderen Drücke sind Differenzdrücke zum Umgebungsdruck und werden in (Pound-force per square inch) angezeigt.

C

mbarpsi

Thermoelement

Eintritt des ummantelten Pitot-Rohrs

Abb. 5-5: Messung der Ruhedrücke und Ruhetemperaturen über einen kombinierten Fühler am Beispiel des Turbineneintritts

20


Die Drücke müssen für die Auswertung noch in Absolutdrücke umgewandelt werden. Die Berechnungen für die Kreisprozessparameter erfordern die Umrechnung der Temperaturen in Absoluttemperaturen.

Die Drehzahl der Wirbelstrombremse und die Bremsleistung werden durch das Steuergerät der Wirbelstrombremse, das sich auf dem Maschinenfundament befindet, angezeigt. Die Anzeige der

Drehzahl erfolgt in und die der Leistung in . 1min kW

5.3 Auswertung der Ergebnisse

5.3.1 Form der Auswertung

Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt eigenständig schriftlich nach der Versuchsdurchführung. Die Auswertung soll spätestens vier Wochen nach dem Versuch bei Herrn Thomas Panten oder Herrn Uwe Borchert eingereicht werden.

5.3.2 Aufgaben und Fragen für die Auswertung der Messergebnisse

Ziel des Versuches ist die Bestimmung der Kreisprozesseckdaten des realen Kreisprozesses der Versuchsgasturbine.

Durch die Auswertung der Messergebnisse sollen die Eckpunkte des realen Kreisprozesses während des Laborversuches bestimmt werden. Die Eckpunkte der Zustände (1), (2), (3) und (4) (Indexzuordnung siehe Abb. 5-3) sollen tabellarisch mit Beträgen und Einheiten dargestellt (siehe Tab. 5-1) und jeweils in ein -Diagramm (siehe v,p Abb. 5-6) und in ein s,T -Diagramm (siehe Abb. 5-7)

eingetragen werden.

Tab. 5-1: Beispiel der tabellarischen Darstellung der Ergebnisse

i,0p i,0v i,0T i,0s

Zustand (1) 1,005 bar 0,848 m³/kg 296,87 K 0 J/(kgK)

Zustand (2) 2,875 bar 0,443 m³/kg 444,15 K 107,224 J/(kgK)

Zustand (3) 2,869 bar 0,794 m³/kg 793,15 K 721,28 J/(kgK)

Zustand (4) 1,006 bar 1,778 m³/kg 623.16 K 761,52 J/(kgK)

Der Rechenweg muss in der Auswertung am Beispiel eines Zustandes (1, 2, 3 oder 4) bzw. einer Zustandsänderung (1 – 2, 2 – 3, 3 – 4 oder 4 – 1) einer Messreihe dokumentiert werden. Die Form sollte dabei wie in diesem Dokument gewählt werden, das heißt, für Größen, die das erste Mal erwähnt werden, erscheint das Formelzeichen im Text, und Gleichungen werden mit Gleichungsnummern versehen und im Text referenziert.

Die Verläufe der Zustandsänderungen sollen als Kurven in den Diagrammen dargestellt werden. Die Berechnung der Zwischenwerte wird in Kap. 5.3.3 erläutert. Aufgrund der verwendeten grundlegenden Messtechnik können keine quantitativen Aussagen über den Verlauf der Verdichtung (1 – 2), der Wärmezufuhr (2 – 3), der Entspannung in der Turbine (3 – 4) und der Wärmeabfuhr (4 – 1) getroffen werden.

21


Abb. 5-6: Beispiel eines -Diagramms aus einer realen Messung mit drei verschiedenen

Lastzuständen

v,p

kg

mv

3

i,0

barp i,0

Abb. 5-7: Beispiel eines s,T -Diagramms aus einer realen Messung mit drei verschiedenen

Lastzuständen

Kkg

Js i,0

KT i,0

22


Beispielsweise ist der Verlauf der Zustandsänderung im Verdichter durch Reibungsverluste und die Betriebstemperatur des Verdichters geprägt. Die Verdichtertemperatur, also die Temperatur der

Maschine, liegt höher als die Ansaugtemperatur und tiefer als die Verdichterendtemperatur des strömenden Gases. [1, 15]

Das den Verdichter durchströmende Gas wird daher während des Verdichtungsvorgangs zunächst erwärmt, dann folgt der Umschlagpunkt bei einem bestimmten Druckverhältnis, bei dem die Temperatur des verdichteten Gases gleich der Maschinentemperatur des Verdichters ist. Im letzten Teil der Verdichtung gibt das Gas Wärme an die Maschine ab.

Im Gegensatz zu den meisten Kolbenmaschinen spielt bei Turbomaschinen die Geschwindigkeit des Fluides eine Rolle für die Bestimmung der thermodynamischen Zustandsgrößen. So sind zur Darstellung der Kreisprozesseckpunkte ausschließlich die Ruhegrößen (auch Gesamt- oder Totalgrößen), das heißt Ruhedruck, spezifisches Ruhevolumen, Ruhetemperatur und spezifische Gesamtentropiedifferenz verwendbar.

Zu berechnende Größen

Drehzahl der Turbinenwelle Tn , dafür die genauen Übersetzungsverhältnisse 1Gi und

aus den Zähnezahlen 2Gi

Abgabedrehmoment TM an der Turbinenwelle

Drehmoment WTM an der Leistungsbremse

Berechnung des Luftmassenstroms m , optional dafür die statische Temperatur 4,0T im

Zustand (4), wenn iterativ gelöst wird

Verdichterdruckverhältnis 21

Turbinendruckverhältnis 43

Spezifische Volumina i,0v in den Zuständen (1), (2), (3) und (4) für die Darstellung des

Kreisprozesses im v,p -Diagramm

Spezifische Gesamtentropiedifferenzen i,0s in den Zuständen (2), (3) und (4), bezogen auf

den Zustand (1) mit 0s für die Darstellung des Kreisprozesses im s,T -Diagramm

5.3.3 Erläuterungen zu den Berechnungen

5.3.3.1 Allgemeine Größen

Spezifische Gaskonstante von Luft Kkg

J058,287R

Heizwert des Brennstoffes kg/MJ5,42H i

Dichte des Brennstoffes 3 . B m/kg833

5.3.3.2 Drehzahlen

Die Turbinenwelle rotiert mit einer Nenndrehzahl von 32000 min-1. In der Kleingasturbine befindet sich ein internes zweistufiges Getriebe (siehe Abb. 5-8). In der ersten Stufe wird die Turbinendrehzahl über ein Minusgetriebe (Planetenstandgetriebe), bei dem die Planeten fest mit dem Gehäuse verbunden sind, reduziert. Als zweite Stufe reduziert ein Stirnradgetriebe die Drehzahl weiter bis auf die Generatordrehzahl von 1500 min-1. In der folgenden Zahnriemenstufe (G2) wird die Drehzahl wieder erhöht, damit die volle Leistung mit der Wirbelstrombremse gebremst werden kann. Bei der eingesetzten Leistungsbremse ist eine Mindestdrehzahl von 3030 min-1 für die maximale Leistung von 190 kW erforderlich.

23


Abb. 5-8: Getriebeansicht im Schnittmodell der Kleingasturbine GT 027-1

Getriebeausgangswelle

Turbinenwelle

Abtriebsstirnrad G1.2.2

Stirnrad G1.2.1 der zweiten Stufe

Planetenrad

Hohlrad G1.1.2 des Minusgetriebes

Abb. 5-9: Getriebeschema der Übersetzung am Gasturbinenprüfstand mit der GT 027-1

24


Die Übersetzung i einer Getriebestufe ist definiert als

1

2

2

1

z

z

n

ni Gl. 5-1

mit der Drehzahl der Antriebswelle , der Drehzahl der Abtriebswelle (Getriebestufenausgang) ,

der Anzahl der Zähne des Antriebsrades und der Zähneanzahl des Abtriebsrades . Die

Gesamtübersetzung bei mehreren Stufen ist das Produkt der Übersetzungen der

einzelnen Stufen:

1n 2n

1z 2z

,...iIIgesi ,iI

IIIges iii Gl. 5-2

Folgende Zähnezahlen wurden für die einzelnen Räder ermittelt:

Sonnenrad 21z 1.1.1G

Hohlrad 132z 2.1.1G

Stirnrad 21z 1.2.1G

Abtriebsstirnrad 71z 2.2.1G

Große Zahnriemenscheibe 72z 1.2G

Kleine Zahnriemenscheibe 32z 2.2G

5.3.3.3 Drehmoment und Leistung

Die Wellenleistung ist das Produkt aus Drehmoment mP M und Winkelgeschwindigkeit n2

aus der Drehzahl . Damit ist die mechanische Abgabeleistung der Turbinenwelle n

TTT,m Mn2P Gl. 5-3

Die Leistung der Turbinenwelle muss höher sein als die gebremste Leistung , um Verluste im

Getriebestrang zu kompensieren. Damit ist die Abgabeleistung an der Turbinenwelle das Produkt aus der gebremsten Leistung und dem Gesamtwirkungsgrad

WT,mP

2G1G aller Übersetzungsstufen:

2G1GT,mWT,m PP Gl. 5-4

Der Wirkungsgrad der gesamten Übersetzung ist das Produkt der Wirkungsgrade aller hintereinander geschalteten Übersetzungen:

2G1G2G1G Gl. 5-5

5.3.3.4 Luftmassenstrom

Bei Nichtberücksichtigung des Brennstoffmassenstroms wird der Luftmassenstrom durch Berechnen aus dem Ruhedruck , dem statischem Druck und der Ruhetemperatur

bestimmt. Der Massenstrom ist das Produkt aus Volumenstrom V und statischer Dichte

m

4,0p 4p 4,0T

:

Vm Gl. 5-6

mit

AwV Gl. 5-7

25


mit der Strömungsgeschwindigkeit und dem Strömungsquerschnitt w A . Einsetzen von Gl. 5-7 in Gl. 5-6 ergibt für den Massenstrom

Awm Gl. 5-8

Die Strömungsgeschwindigkeit wird aus der Bernoulli-Gleichung (siehe Gl. 5-9) bestimmt:

geodynstat0 pppp Gl. 5-9

mit dem Ruhedruck , dem statischen Druck , dem dynamischen Druck und dem

geodätischen Druck . Der geodätische Druck spielt aufgrund der geringen Höhenunterschiede

von maximal

0p

geop

6,0

statp dynp

mhmax und der geringen Dichte des Arbeitsmediums Luft keine Rolle, so dass für

diesen Druckanteil Null angenommen werden kann:

0pgeo Gl. 5-10

Mit der Beziehung

2dyn w

2p

Gl. 5-11

eingesetzt in Gl. 5-10, ergibt sich für den Gesamtdruck

2stat0 w

2pp

Gl. 5-12

Gl. 5-12, mit den Indizes für die Kreisprozessrechnungversehen,

2i

iii,0 w

2pp

Gl. 5-13

kann nach aufgelöst werden und ergibt zwei Lösungen. Die technisch sinnvolle Lösung ist iw

ii,0i

i pp2

w

Gl. 5-14

Gl. 5-14, eingesetzt in Gl. 5-8, ergibt die Berechnungsformel für den Luftmassenstrom aus der Druckdifferenz zwischen Gesamtdruck und statischem Druck sowie der Luftdichte

iiii,0i

App2

m

Gl. 5-15

Hineinziehen von i in die Wurzel und Kürzen ergibt

iii,0i App2m Gl. 5-16

Die Dichte kann entsprechend dem Gasgesetz

i

ii TR

p

Gl. 5-17

mit der spezifischen Gaskonstante )Kkg/(J058,287R , dem statischen Druck und der

statischen Temperatur ersetzt werden: ip

iT

26


iii,0i

i AppTR

p2m

Gl. 5-18

Die Massenstrombestimmung im durchgeführten Experiment ist nur für den Zustand (4), das heißt am Austritt des Abgasdiffusors der Turbine, möglich. An den anderen Messstellen werden die Ruhetemperaturen und der Ruhedrücke gemessen, nicht jedoch die statischen Drücke.

Für die Berechnung des Massenstroms wird an dieser Stelle die statische Temperatur benötigt. Im Versuch wurden jedoch die Ruhetemperaturen gemessen. Vereinfacht kann mit der gemessenen

Ruhetemperatur gerechnet werden. Da hier Geschwindigkeiten von unter s

m100 herrschen, ist die

Abweichung vom exakten Ergebnis gering.

Vereinfachte Methode für die Massenstrombestimmung

2Diff,444,04,0

4 AppTR

p2m

Gl. 5-19

mit dem gemessenen statischen Druck , der gemessenen Ruhetemperatur statt der

unbekannten statischen Temperatur und dem ringförmigen Austrittsquerschnitt des Abgasdiffusors

.

4p 4,0T

4T2

2Diff,4 mm893,41260A

Iterative Methode für die Massenstrombestimmung

Bei der iterativen Methode wird die statische Temperatur so lange dem exakten Ergebnis

angenähert, bis eine hinreichend hohe Genauigkeit vorliegt. Im ersten Schritt wird mit dem Wert

der Ruhetemperatur als Startwert gleichgesetzt:

4T

4T

4,0T

4,0it,4 TT Gl. 5-20

und mit dieser Temperatur zunächst weiter gerechnet. Für den Ruhezustand kann bereits jetzt die spezifische Wärmekapazität durch Interpolieren aus den Stoffwerten (siehe Anhang) berechnet werden:

4,04,0p4,0,p t,pcc Gl. 5-21

mit der Temperatur in . Der Massenstrom wird damit entsprechend C Gl. 5-18

2Diff,444,0it,4

4 AppTR

p2m

Gl. 5-22

wie bei der vereinfachten Methode. Für die Geschwindigkeit folgt nach Gl. 5-14

44,04

it,4i pp

p

TR2w

Gl. 5-23

Die spezifische Wärmekapazität muss für jeden neuen Iterationsschritt für die aktuelle Temperaturnäherung und den gemessenen statischen Druck neu bestimmt werden: it,4T 4p

it,44p4,p t,pcc Gl. 5-24

Aus der Energiegleichung kann mit 0w 4,0 für den Ruhezustand die Geschwindigkeit berechnet

werden: 4w

27


2

wcTcT

24

4,pit,44,0,p4,0 Gl. 5-25

4,p

24

4,0,p4,0

it,4 c2

wcT

T

Gl. 5-26

Mit dem Ergebnis aus Gl. 5-26 werden die Schritte mit den Gleichungen Gl. 5-21 bis Gl. 5-26 so oft wiederholt, bis die gewünschte Genauigkeit erreicht wurde.

Vergleich der Methoden

Tab. 5-2: Vergleich der vereinfachten mit der iterativen Methode zur Bestimmung des Massenstroms anhand von Werten aus einer Beispielmessung

Vereinfacht

4,04 T:T

Iterativ Differenz

achtinfvereiterativ

Massenstrom s

kg753,1m

s

kg756,1m

s

kg003,0mm achtinfvereiterativ

Statische Temperatur K08,594T 4,0

K835,591T4

K245,2TT 4,0iterativ,4

Strömungsgeschwindigkeit s

m167,73w4

s

m028,73w4

s

m138,0ww achtinfvere,4iterativ,4

Anzahl der Iterationen

(Genauigkeit < )

K10 12 16n

5.3.3.5 Druckverhältnisse

Totaldruckverhältnis der Verdichtung (Verdichterdruckverhältnis)

1,0

2,021 p

p Gl. 5-27

Totaldruckverhältnis der Entspannung (Turbinendruckverhältnis)

4,0

3,043 p

p Gl. 5-28

5.3.3.6 Berechnung der Ruhedichten und der spezifischen Ruhevolumina

Im -Diagramm werden zur Darstellung des Kreisprozesses die spezifischen Ruhevolumina

benötigt. Das spezifische Ruhevolumen stellt den Kehrwert der Ruhedichte dar.

v,p

Die Ruhedichte wird nach dem Gasgesetz aus den gemessenen Ruhedrücken und Ruhetemperaturen berechnet:

i,0

i,0i,0 TR

p

Gl. 5-29

28


Das spezifische Ruhevolumen ist dann nach Gl. 5-29

1i,0i,0v Gl. 5-30

5.3.3.7 Spezifische Entropiedifferenzen, bezogen auf den Zustand (1)

Die spezifischen Entropien werden zur Darstellung des Kreisprozesses im s,T -Diagramm benötigt.

Im Zustandspunkt (1) soll die spezifische Entropiedifferenz aus den Ruhegrößen 1,0s Null gesetzt

werden:

0s 1,0 Gl. 5-31

Die Entropieänderung von Zustand (1) nach Zustand (2) steht in Zusammenhang mit den Temperatur- und Druckverhältnissen:

1,0

2,0

1,0

2,021,0,m,p1,02,0 p

plnR

T

Tlncss Gl. 5-32

mit der mittleren spezifischen Wärmekapazität

1,02,0

1,0t

C0m,p2,0t

C0m,p21,0,m,p tt

t|ct|cc

1,02,0

Gl. 5-33

mit mittleren spezifischen Wärmekapazitäten aus dem Tabellenwerk (siehe [i,0tC0m,p |c 16]) oder mit der

Funktion

1,01,0 t

C0 1,0p1,0

tC0m,p dtt,pc

C0t

1|c Gl. 5-34

aus interpolierten spezifischen Wärmekapazitäten an den Temperaturen und oder stark

vereinfacht für kleine Temperaturdifferenzen 1,0T 2,0T

2

ccc

2,0,p1,0,p21,0,m,p

Gl. 5-35

Aufgelöst nach 2,0s , ergibt sich für die spezifische Entropie in Zustand (2)

1,0

2,0

1,0

2,021,0,m,p1,02,0 p

plnR

T

Tlncss Gl. 5-36

Für die Zustände (3) und (4) folgen analog

2,0

3,0

2,0

3,032,0,m,p2,03,0 p

plnR

T

Tlncss Gl. 5-37

und

3,0

4,0

3,0

4,043,0,m,p3,04,0 p

plnR

T

Tlncss Gl. 5-38

29


5.3.3.8 Darstellung der Zustandsänderungen in den Diagrammen durch Kurvenverläufe

Beispielhaft soll die Zustandsänderung (1 – 2), die Verdichtung, im - und im v,p s,T -Diagramm

dargestellt werden. Aus den vorangegangenen Berechnungen sind der Anfangspunkt (1) und der Endpunkt (2) dieser Zustandsänderung bekannt. Für das -Diagramm stehen die Größen ,

, und über den Polytropenexponenten in Zusammenhang:

v,p 1,0p

2,0p 1,0v 2,0v 21n

2121 n

1,0

2,0

n

2,0

1,0

2,0

1,0

v

v

p

p

Gl. 5-39

Für das Zeichnen der Kurve werden mehrere Zwischenpunkte, zum Beispiel 10, benötigt. Dafür soll eine veränderliche Variable für den Druck als Funktion in Abhängigkeit von der Laufvariablen

vereinbart werden: 21p

21v

21n

21

1,01,02121 v

vpvp

Gl. 5-40

Die Laufvariable soll von bis in gleiche Abschnitte geteilt werden: 21v 1,0v 2,0v

2,01,02,0

1,01,021 v10

vvv,vv

Gl. 5-41

Um die Zwischenwerte zu berechnen, muss der Polytropenexponent bestimmt werden. 21n Gl. 5-39,

logarithmiert, ergibt

1,0

2,021

n

1,0

2,0

2,0

1,0

v

vlnn

v

vln

p

pln

21

Gl. 5-42

Gl. 5-42, aufgelöst nach , ergibt 21n

1,0

2,0

2,0

1,0

21

v

vln

p

pln

n Gl. 5-43

In Tab. 5-1 ist als Beispiel die Berechnung der Zwischenwerte für den Kurvenverlauf für EXCEL dargestellt. In Zelle „A2“ wird der Betrag von eingetragen, in Zelle „A12“ . In Spalte „B“ sind die

EXCEL-Formeln für Spalte „A“ dargestellt. Zelle „C2“ enthält den Betrag von und Zelle „C12“

. Die Zeilen „3:11“ enthalten die berechneten Zwischenwerte des Kurvenverlaufes.

1,0v 2,0v

1,0p

2,0p

30


Tab. 5-3: Berechnungsbeispiel in EXCEL, spezifische Volumina in m3/kg, Drücke in bar

A B C D E

1 21v 21p 21n

2 0,848 0,848 1,005 1,005 1,670482696

3 0,8084 =A2+($A$12-$A$2)/10 1,08858221 =$C$2*($A$2/A3)^$E$2 =LN(C2/C12)/LN(A12/A2)

4 0,7688 =A3+($A$12-$A$2)/10 1,18385729 =$C$2*($A$2/A4)^$E$2

5 0,7292 =A4+($A$12-$A$2)/10 1,29319749 =$C$2*($A$2/A5)^$E$2

6 0,6896 =A5+($A$12-$A$2)/10 1,41962313 =$C$2*($A$2/A6)^$E$2

7 0,65 =A6+($A$12-$A$2)/10 1,56703094 =$C$2*($A$2/A7)^$E$2

8 0,6104 =A7+($A$12-$A$2)/10 1,74052313 =$C$2*($A$2/A8)^$E$2

9 0,5708 =A8+($A$12-$A$2)/10 1,94689216 =$C$2*($A$2/A9)^$E$2

10 0,5312 =A9+($A$12-$A$2)/10 2,19535227 =$C$2*($A$2/A10)^$E$2

11 0,4916 =A10+($A$12-$A$2)/10 2,49867401 =$C$2*($A$2/A11)^$E$2

12 0,452 0,452 2,875 2,875

Für die Kurve im s,T -Diagramm sollen die Wertepaare aus den zwei Funktionen und 2121 vT 2121 vs bestimmt werden. Der Temperaturverlauf steht über den Polytropenexponenten mit

dem Druck in Zusammenhang: 21n

21

21

n

1n

2,0

1,0

2,0

1,0

p

p

T

T

Gl. 5-44

Mit dem Polytropenexponenten auf der anderen Seite ergibt sich

2,0

1,01n

n

2,0

1,0

p

p

T

T 21

21

Gl. 5-45

Gl. 5-39 wird mit Gl. 5-45 gleichgesetzt und ergibt

2121

21 n

1,0

2,01n

n

2,0

1,0

v

v

T

T

Gl. 5-46

Damit stehen die Temperaturen wie folgt mit den spezifischen Volumina in Beziehung:

1n

1,0

2,0n

1nn

1,0

2,0

2,0

1,021

21

2121

v

v

v

v

T

T

Gl. 5-47

In Funktionsschreibweise bedeutet dies für die zu bestimmenden Temperaturzwischenwerte 2121 vT

21n1

1,0

211,02121 v

vTvT

Gl. 5-48

Die Zwischenwerte der spezifischen Entropiedifferenzen werden aus einer Funktion nach Gl. 5-36 berechnet, in welche die Zwischenwerte 2121 vT und 2121 vp aus Gl. 5-48 und Gl. 5-40

eingesetzt werden:

31

Laborversuch STM 10 – Gasturbine – Kapitel 6 – Literatur

1,0

2121

1,0

212121,0,m,p1,02121 p

vplnR

T

vTlncsvs Gl. 5-49

mit dem mittleren aus 21,0,m,pc Gl. 5-33.

Für die Berechnung mit EXCEL kann Tab. 5-3 entsprechend erweitert werden.

5.3.3.9 Beziehungen zwischen der spezifischen isobaren Wärmekapazität, der spezifischen Gaskonstante und dem Isentropenexponenten

Im Folgenden sind einige Beziehungen zwischen der spezifischen isobaren Wärmekapazität, der spezifischen Gaskonstante und dem Isentropenexponenten aufgeführt.

vp ccR Gl. 5-50

mit

T

pR

Gl. 5-51

eingesetzt in Gl. 5-50 und aufgelöst nach der spezifischen isochoren Wärmekapazität ergibt sich vc

T

pcc pv

Gl. 5-52

Der Isentropenexponent steht in Beziehung zu den spezifischen Wärmekapazitäten durch

v

p

c

c Gl. 5-53

Gl. 5-52 eingesetzt in Gl. 5-53 ermöglicht die Bestimmung von ohne . vc

T

pc

c

p

p

Gl. 5-54

Die bekannten Stoffwertetabellen enthalten meist und pc .

32

Eine weitere Beziehung zu ergibt sich mit pc und in R Gl. 5-55:

1

Rcp

Gl. 5-55

6. Literatur 1. JANUSZ A. SZYMCZYK, UWE BORCHERT: Verfahren zur Herstellung von Gasturbinen und

Gasturbinenanordnung, Patent DE 10141717 A1, Stralsund, 2001

2. UWE BORCHERT, JANUSZ A. SZYMCZYK: Development of a Novel Small Gas Turbine with Variable Air Mass Flow and Constant Pressure Ratio and Constant Temperature, GAMM, Gdańsk, February 9th – 13th 2009, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), Vol. 9, Issue 1, pp. 683 – 684, 2009

3. UWE BORCHERT, ANTONIO DELGADO, JANUSZ A. SZYMCZYK: Gasturbinen in der dezentralen Energieversorgung, 2nd International Conference "Low Temperature and Waste Heat Use in


33

Communal and Industrial Energy Supply Systems", September 25th 2009, Conference Proceedings, pp. 202 – 206, 2009

4. ROLLS-ROYCE PLC, The Jet Engine: The Technical Publications Department, 5th ed, England, 1996

5. VEB STRÖMUNGSMASCHINEN PIRNA: AMK 18 – Bedienanweisung, Kleingasturbine 027, (4/77) 21 314.086 18, 1977

6. KLAUS ENGMANN: Technologie des Flugzeuges, Leuchtturm-Verlag, Alsbach, 1994, ISBN 3-88064-159-5

7. WILLI BOHL: Strömungsmaschinen 1, Aufbau und Wirkungsweise, 5. überarbeitete Auflage, Vogel-Buchverlag, Würzburg, 1990, ISBN 3-8023-0107-2

8. JANUSZ A. SZYMCZYK, UWE BORCHERT, KARSTEN DUDDEK: Gasturbinenprüfstand zur Leistungsmessung für die Pirna-Kleingasturbine GT 027-1, XVI. Internationale Tagung, 11. – 12.10.2007, Tagungsband, „Forschung, Praxis und Didaktik im modernen Maschinenbau“, Stralsund, 2007, ISBN 3-9809953-5-6

9. WILLY J.G. BRÄUNLING: Flugzeugtriebwerke, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000, 2004, 2009, ISBN 978-3-540-76368-0

10. KRZYSZTOF JAGUŚ, UWE BORCHERT, JANUSZ A. SZYMCZYK: Numerical Investigation of Combustion Process in a Small Output Gas Turbine Combustion Chamber, 11th International Symposium “Heat Transfer and Renewable Sources of Energy”, September 13th – 16th 2006, Miedzyzdroje, ISBN 83-7457-012-1, pp. 711 – 720, 2006

11. JANUSZ A. SZYMCZYK, UWE BORCHERT, HUBERT KUJAWSKI, RALF ZÖHNER: Investigations of Critical Frequencies of the Compressor Shaft Assembly, International Symposium Research – Education – Technology, 20.05. – 22.05.2005, Gdańsk University of Technology, Gdańsk, 2005, ISBN 83-88579-16-9

12. MEHERWAN P. BOYCE: Gasturbinen Handbuch, Springer-Verlag, Berlin, 1999, ISBN 3-540-63216-6

13. ALFRED URLAUB: Flugtriebwerke, Grundlagen, Systeme, Komponenten, Springer-Verlag, Berlin, 1991, ISBN 3-540-53864-X

14. ERNST GÖTSCH: Luftfahrzeugtechnik Einführung, Grundlagen, Luftfahrzeugkunde, Motorbuchverlag, Stuttgart, 2000, ISBN 3-613-02006-8

15. KLAUS MENNY: Strömungsmaschinen, 3. Auflage, B.G. Teubner Verlag, Wiesbaden 2006, ISBN 978-3-519-46317-7

16. VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VDI-GESELLSCHAFT VERFAHRENSTECHNIK UND

CHEMIEINGENIEURWESEN, HRSG.: VDI-Wärmeatlas, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-29716-2

17. UWE BORCHERT, ANTONIO DELGADO, JANUSZ A. SZYMCZYK: High Temperature Flow Control for Combustion Chamber Test Bench, XIX International Symposium, Research – Education – Technology, Bremen, September 24th – 25th 2009, Conference Proceedings, S. 113 – 117

18. UWE BORCHERT, ANTONIO DELGADO, JANUSZ A. SZYMCZYK: Air Bearing Guided High Temperature Flow Control, Monograph Developments in Mechanical Engineering. Vol. 4 (in press)

Relevante Studien-, Bachelor-, Diplom- und Masterarbeiten im Fachgebiet für Strömungslehre und Strömungsmaschinen 19. UWE BORCHERT: Auslegung einer Kleingasturbine, Diplomarbeit, Stralsund, 2001

20. Krzysztof Kwiatkowski: Untersuchung einer Winkelbrennkammer für die Kleingasturbine, Diplomarbeit, Gdańsk, Stralsund, 2002

21. JAN SCHUMACHER: Berechnung und Auslegung eines schnelllaufenden Planetengetriebes, Diplomarbeit, Stralsund, 2002

22. INGO ZORNOW: Entwicklung einer Brennkammer für eine Kleingasturbine, Diplomarbeit, Stralsund, 2002

23. NICO FUCHS: Entwicklung einer Generator-Anlasser-Kombination für eine Kleingasturbine, Belegarbeit, Stralsund, 2003


34

24. HUBERT KUJAWSKI: Development of Low Power Gas Turbine, Diplomarbeit, Gdańsk, Stralsund, 2003

25. CHRISTIAN SIEWEK: Entwurf eines Verbindungsadapters für Turbomaschinen, Belegarbeit, Stralsund, 2003

26. BERNHARD GAU: Anlasser für das Funktionsmodell einer Gasturbinenanlage, Studienarbeit, Stralsund, 2004

27. CHRISTOPH MAHLKE, MIRKO KLINGER: Brenner für Gasturbinenbrennkammer, Studienarbeit, Stralsund, 2004

28. STEFFEN URICH: Getriebe für Gasturbinen-Leistungsprüfstand, Studienarbeit, Stralsund, 2004

29. STEFFEN URICH: Getriebe für das Gasturbinen-Funktionsmodell, Diplomarbeit, Stralsund, 2004

30. ANDREA LEVIN: Konstruktion einer Verbindung zwischen einem Funktionsmodell einer Turbine über ein Getriebe an eine Wirbelstrombremse, Belegarbeit, Stralsund, 2005

31. ROBERT RÖSELING, ROBERT GRADKE: Entwicklung eines Brennkammerprüfstandes, Belegarbeit, Stralsund, 2005

32. MICHAŁ NURZYNSKI: Numerical Investigation of High-Speed Centrifugal Compressor, Forschungsarbeit, Stralsund, 2005

33. KRZYSZTOF JAGUŚ: Numerical simulation of Flow in Gas Turbine Combustion Chamber, Diplomarbeit, Gdańsk, Stralsund, 2005

34. TADEUSZ STENCEL: Development and Investigation of Centrifugal Compressor, Diplomarbeit, Gdańsk, Stralsund, 2005

35. ŁUKASZ KOWALCZYK: Uncertainties of Measurements in Small Gas Turbine, Diplomarbeit, Gdańsk, Stralsund, 2005

36. TONI RADÜNZ: Dokumentation zur Anlassereinheit, Studienarbeit, Stralsund, 2006

37. SEBASTIAN KRUSE: Konstruktion einer Getriebestufe für die Applizierung der Gasturbine GT 027-1 an den Leistungsprüfstand, Studienarbeit, Stralsund, 2006

38. KARSTEN DUDDEK: Entwicklung, Aufbau und Erprobung eines Gasturbinenprüfstandes für die Pirna-Kleingasturbine GT 027-1 mit einer thermodynamischen Analyse, Diplomarbeit, Stralsund, 2007

39. DANIEL WALTER: Kleingasturbine Pirna GT 027-1 – Abgasanlage, Studienarbeit, Stralsund, 2007

40. MARTIN FRÖHLING: Entwicklung, Aufbau und Erprobung eines Prüfverdichters am Verdichterprüfstand, Studienarbeit, Stralsund, 2008

41. TOMASZ DUDA: Numerical Investigation of Impeller-Diffuser Interaction in High-Speed Centrifugal Compressor, Diplomarbeit, Gliwice, 2008

42. MICHAEL STIEHM: Ausbau des Prüfstandes „Pirna-Turbine“ mit einem Messsystem, Studienarbeit, Stralsund, 2008

43. CHRISTIAN MANSFELD: Erweiterung des Brennkammerprüfstandes sowie Applizierung einer Testbrennkammer, Studienarbeit, Stralsund, 2008

44. KOLDO ZUAZO: Funktionales Gestalten einer Motorhaube für ein leichtes Luftkissenfahrzeug, Diplomarbeit, Stralsund, 2008

45. KRZYSZTOF KANCELARCZYK: Aufbau und Betriebnahme des Brennkammerprüfstandes, Diplomarbeit, Elbląg, 2008

46. PIOTR TARNAWSKI: Investigation of Influences of a Mesh Quality, a Turbulence Model, the Steady and the Unsteady State Approach on Numerical Results of High Speed Centrifugal Compressor, Diplomarbeit, Gdańsk, Stralsund, 2008

47. KAROL STRĄK: Development of a Method for Reverse Engineering of 3-D Geometry of Compressor Impeller for CFD Simulations, Bachelorarbeit, Gdańsk, Stralsund, 2009

48. ALICJA STOKŁOSA, CEZARY JANECKI: Wiederinbetriebnahme der bisherigen Messtechnik des Verdichterprüfstandes sowie Ausbau und Ergänzung mit einem Messdatenerfassungssystem, Szczecin, Stralsund 2009


35

49. MATHIAS HANFF, CHRISTIAN SCHUHMACHER: Auslegung und Konstruktion einer Drosseleinrichtung für die Druckkammer des Brennkammerprüfstandes zur Simulation einer Turbinenstufe unter realen Betriebsbedingungen einer Brennkammer, Studienarbeit, Stralsund, 2009

50. TOBIAS SCHMIHING: Auslegung und Konstruktion eines Vormischbrenners für eine Kleingasturbinenbrennkammer, Diplomarbeit, Stralsund, 2009

51. THOMAS DAASE, CHRISTIAN ROHDE: Aufbau und Inbetriebnahme einer Drosseleinrichtung für die Druckkammer des Brennkammerprüfstandes zur Simulation einer Turbinenstufe unter realen Betriebsbedingungen einer Brennkammer, Studienarbeit, Stralsund, 2009

52. CHRISTIAN DOST, THOMAS HOLTZ: Konstruktion eines 2-Stufen-Getriebes für das Kleingasturbinenfunktionsmodell 2, Projektarbeit, Stralsund, 2010

53. ROLF PLATH: Entwicklung eines Berechnungsalgorithmus' zur Bestimmung des realen Durchsatzes von Primär- und Sekundärluft durch die Flammrohrlöcher und Drallkanäle einer Brennkammer, Projektarbeit, Stralsund, 2010

54. CHRISTOPHER SACHAU, SEBASTIAN SCHNOOR: Volumenstromregelung am Radialverdichter, Projektarbeit, Stralsund, 2010

55. JOSEF SEIDEL, MATHIAS HOFFMANN: Auslegung der Schaufeln eines 2-D-Verdichterlaufrades, Projektarbeit, Stralsund, 2011

56. MARTIN WAGNER: Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme einer Hochtemperaturdrosseleinrichtung eines Brennkammerprüfstandes für Kleingasturbinenbrennkammern, Diplomarbeit, Stralsund, 2011

57. CHRISTIAN DOST: Auslegung und Konstruktion einer aerodynamischen Lagerung und Applizierung an einen serienmäßigen Abgasturbolader, Diplomarbeit, Stralsund, 2011

58. DAVID KALTWASSER: Live-Messwertedarstellung mit LabView, Projektarbeit, Stralsund, 2011

59. MARKO SCHWARK, TINO VOLLERT: Applizierung einer Gasturbinenbrennkammer in einem Brennkammerprüfstand, Projektarbeit, Stralsund, 2011

Laborversuch STM 10 – Gasturbine – Kapitel 7 – Anhang

7. Anhang

Spezifische isobare Wärmekapazität von Luft

Tab. 7-1: Spezifische isobare Wärmekapazität t,pc p von Luft in Kkg

kJ

[16]

Temperatur [°C] Druck [bar]

-150 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 150 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

1 1,027 1,011 1,008 1,007 1,007 1,006 1,007 1,008 1,010 1,012 1,018 1,026 1,046 1,069 1,093 1,116 1,137 1,155 1,171 1,185

5 1,132 1,043 1,029 1,023 1,018 1,015 1,014 1,013 1,014 1,015 1,020 1,028 1,047 1,070 1,094 1,116 1,137 1,155 1,172 1,186

10 1,290 1,085 1,055 1,044 1,032 1,026 1,022 1,020 1,019 1,020 1,023 1,030 1,049 1,071 1,094 1,117 1,137 1,156 1,172 1,186

20 1,917 1,174 1,110 1,084 1,061 1,047 1,038 1,033 1,030 1,029 1,030 1,035 1,052 1,073 1,096 1,118 1,138 1,157 1,173 1,187

30 3,094 1,278 1,169 1,125 1,090 1,069 1,055 1,046 1,041 1,037 1,036 1,040 1,055 1,075 1,098 1,119 1,139 1,157 1,173 1,187

40 2,705 1,405 1,233 1,168 1,120 1,090 1,071 1,059 1,051 1,046 1,043 1,044 1,058 1,077 1,099 1,121 1,140 1,158 1,174 1,188

50 2,481 1,562 1,302 1,211 1,149 1,112 1,088 1,072 1,062 1,055 1,049 1,049 1,061 1,080 1,101 1,122 1,141 1,159 1,175 1,188

60 2,330 1,748 1,377 1,256 1,179 1,133 1,104 1,085 1,072 1,063 1,055 1,054 1,064 1,082 1,102 1,123 1,142 1,160 1,175 1,189

70 2,217 1,949 1,455 1,301 1,209 1,154 1,120 1,097 1,082 1,072 1,061 1,058 1,067 1,084 1,104 1,124 1,143 1,160 1,176 1,189

80 2,128 2,141 1,535 1,346 1,238 1,175 1,136 1,110 1,092 1,080 1,067 1,063 1,069 1,086 1,105 1,125 1,144 1,161 1,176 1,190

90 2,053 2,290 1,613 1,389 1,267 1,196 1,151 1,122 1,102 1,088 1,073 1,067 1,072 1,088 1,107 1,126 1,145 1,162 1,177 1,190

100 1,989 2,374 1,684 1,430 1,294 1,216 1,166 1,133 1,111 1,096 1,078 1,072 1,075 1,090 1,108 1,128 1,146 1,163 1,178 1,191

150 2,205 1,862 1,575 1,408 1,302 1,233 1,187 1,154 1,132 1,104 1,091 1,088 1,099 1,115 1,133 1,150 1,166 1,181 1,193

200 1,986 1,827 1,623 1,471 1,361 1,284 1,229 1,190 1,161 1,126 1,108 1,099 1,107 1,121 1,138 1,154 1,170 1,184 1,196

250 1,849 1,759 1,622 1,494 1,394 1,318 1,260 1,217 1,185 1,145 1,123 1,109 1,114 1,127 1,142 1,158 1,173 1,186 1,198

300 1,761 1,700 1,604 1,496 1,409 1,338 1,282 1,238 1,204 1,160 1,135 1,117 1,120 1,132 1,146 1,162 1,176 1,189 1,201

350 1,703 1,652 1,581 1,490 1,412 1,348 1,295 1,253 1,219 1,172 1,145 1,124 1,125 1,136 1,150 1,165 1,179 1,191 1,203

400 1,664 1,614 1,557 1,480 1,411 1,352 1,304 1,263 1,230 1,183 1,154 1,130 1,130 1,140 1,153 1,167 1,181 1,194 1,205

450 1,634 1,584 1,534 1,469 1,406 1,353 1,308 1,270 1,238 1,191 1,162 1,136 1,134 1,143 1,156 1,170 1,183 1,196 1,207

500 1,604 1,560 1,513 1,458 1,400 1,351 1,309 1,274 1,244 1,198 1,169 1,141 1,138 1,146 1,158 1,172 1,185 1,197 1,208

600 1,527 1,477 1,439 1,389 1,345 1,308 1,277 1,250 1,208 1,179 1,150 1,145 1,151 1,162 1,175 1,188 1,200 1,211

700 1,503 1,447 1,423 1,378 1,338 1,304 1,276 1,252 1,214 1,187 1,158 1,151 1,155 1,166 1,178 1,191 1,203 1,213

800 1,423 1,410 1,370 1,331 1,299 1,273 1,251 1,218 1,193 1,164 1,156 1,160 1,169 1,181 1,193 1,204 1,215

900 1,405 1,400 1,363 1,326 1,295 1,270 1,249 1,219 1,196 1,170 1,161 1,164 1,172 1,183 1,195 1,206 1,216

1000 1,394 1,359 1,322 1,291 1,266 1,247 1,218 1,198 1,175 1,166 1,168 1,175 1,186 1,197 1,207 1,218

36

Laborversuch STM 10 – Gasturbine

GT 027-1 (Pirna-Turbine)

Name, Vorname, Matrikel-Nr.:

Datum:

Bezeichnung Index Messkanal Formelz. Messung 1 Messung 2 Messung 3 Einheiten

Drücke

Umgebungsdruck (u) Barom. p u mbar

Gesamtdruck vor dem Verdichter (1) p 0,1 = p u mbar

Gesamtdruckdifferenz nach dem Verdichter (2) 2 p 0,2 psi

Gesamtdruckdifferenz vor der Turbine (3) 3 p 0,3 psi

Gesamtdruckdifferenz nach der Turbine (4) 4 p 0,4 psi

Statische Druckdifferenz nach der Turbine (4) 14 p 4 psi

Temperaturen

Gesamttemperatur vor dem Verdichter (1) 1 t 0,1 = t u °C

Gesamttemperatur nach dem Verdichter (2) 2 t 0,2 °C

Gesamttemperatur vor der Turbine (3) 3 t 0,3 °C

Gesamttemperatur nach der Turbine (4) 4 t 0,4 °C

Brennstoffvolumenstrom (B) f B Hz

Drehzahl (WT) WT190 n WT min-1

Leistung (WT) WT190 P WT kW

Turbinengetriebe (intern)

1. Stufe

Zähnezahl Sonnenrad (Turbinenwelle) (G1) z G1.1.1 –Zähnezahl Hohlrad (Zwischenwelle, Antrieb der 2. Stufe)

(G1) z G1.1.2 –

Mechanischer Wirkungsgrad der Turbinenwelle

(T) T –

2. Stufe

Zähnezahl des Vorgelegezahnrades (G1) z G1.2.1 –

Zähnezahl des Abtriebszahnrades (G1) z G1.2.2 –

Wirkungsgrad der Übersetzung (G1) G1 –Zahnriemenstufe (extern)

Zähnezahl der antreibenden Riemenscheibe (n G2.1 = n G1.2.2 ) (G2) z G2.1 –

Zähnezahl der angetriebenen Riemenscheibe (n G2.2 = n WT ) (G2) z G2.2 –

Wirkungsgrad der Übersetzung (G2) G2 –Strömungsquerschnitte

Verdichtereintritt (1) A 1 mm2

Verdichteraustritt (2) A 2 mm2

Turbineneintritt (3) A 3 mm2

Turbinenaustritt vor dem Abgasdiffusdor A 4, Diff1 mm2

Turbinenaustritt nach dem Abgasdiffusor (4) A 4 mm2

Spezifische Gaskonstante von Luft R J/(kg·K)Heizwert (früher unterer Heizwert H u ) H i MJ/kg

Brennstoffdichte B kg/m3

Spezifische Wärmekapazität von Luft c p (p,t) kJ/(kg·K)

21

132

0,98

0,99

21

71

0,98

41260,893

287,058

42,5

833

siehe VDI-Wärmeatlas

Zusätzliche Angaben

MesswerteMessgrößen

72

32

Fachhochschule Stralsund

Fachgebiet für Strömungslehre und Strömungsmaschinen

Messwerttabelle GT 027-1 (Pirna-Turbine).xls v24.10.2011

Documents

maschinenbau Laborversuch STM 10 – Gasturbine 2013/STM 10 Ver201… · Im allgemeinen Sprachgebrauch – auch unter Technikern – bezeichnet der Begriff „Gasturbine“ eine komplette