Gasturbinenanlagen

Frontmatter

1. Einleitung und Überblick

Zusammenfassung

Gasturbinen haben ohne Zweifel in den vergangenen Jahrzehnten eine technisch und wirtschaftlich erfolgreiche Entwicklung durchgemacht, mit höheren Wirkungsgraden, geringeren Herstellungskosten und längeren Wartungsintervallen bzw. Lebensdauern. Sie haben jedoch - nicht nur wegen der Energiewende - mit Schwierigkeiten zu kämpfen. Aber ein „Aus“ wird es wohl doch so schnell nicht geben, so dass es sich lohnt, tiefer in die Gasturbinen-Materie einzusteigen!

Zunächst der kurze Vergleich der idealen und technisch realen thermodynamischen Kreisprozesse der Gasturbine (Joule-Prozess), des Otto-Motors (Gleichraum-Prozess) mit dem Carnot-Prozess. Von den Anlagenkomponenten werden ausführlich behandelt die thermischen Strömungsmaschinen Turbine und Verdichter, die Brennkammer, weniger intensiv der Einlass und der Auslass. Und natürlich bei den Gas- und Dampfanlagen der Abhitzedampferzeuger und die Dampfturbine. Weil sie im Aufbau so ähnlich sind, werden auch die Fluggasturbinen ziemlich intensiv behandelt. Die Wirtschaftlichkeit muss untersucht werden, auch und gerade, weil die Gasturbinen da Schwierigkeiten haben.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

2. Analytische Berechnung und Optimierung einer Gasturbine

Zusammenfassung

Lässt man die Feinheiten einer genaueren Berechnung zunächst beiseite, so kann eine Gasturbinen-Anlage recht einfach berechnet und optimiert werden.

Nach der Schaltung von Bild 1.7 gilt für die einzelnen Komponenten Verdichter, Brennkammer und Turbine sowie die abgegebene Gesamtleistung:

Die an der Kupplung abgegebene Kupplungsleistung P_k ist formal die Summe aus der Turbinenleistung P_T, der Verdichterleistung P_V und der mechanischen Verlustleistung P_m der Welle. Es zeigt sich, dass bei Vorgabe der Maximaltemperatur ein ausgeprägtes Maximum des Wirkungsgrades und der spezifischen Leistung in Abhängigkeit vom Verdichterdruckverhältnis auftritt. Auch eine Anlage mit rekuperativer Luftvorwärmung kann einfach berechnet und mit der normalen Anlage verglichen werden. Sogar Abschätzungen für ähnliche Anlagen unterschiedlicher Größe für die Drehzahl und das optimale Druckverhältnis können gemacht werden.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

3. Thermische Strömungsmaschinen

Zusammenfassung

Um den Gasturbinen-Gedankenfluss nicht zu stören bzw. zu sehr auszudehnen, sind die Grundlagen (Thermodynamik, Strömungsmechanik, Wärmeübergang usw.), die notwendig sind für eine gemeinsame „Sprache“, Verständnis und Herleitung, an das Ende vor den Anhang verschoben (Kap. 11).

Bei Bedarf aber auch dort nachzulesen, falls bei der Gasturbine selbst Beziehungen bzw. Ergebnisse unverständlich erscheinen.

Die zwei wichtigsten Komponenten der Gasturbinenanlage sind die Turbine, die die gewünschte mechanische Leistung erzeugt, und der Verdichter, der die angesaugte Luft auf den erforderlichen Druck vor der Turbine bringt (Abb. 3.1).

Sie müssen hier ausführlich behandelt werden, um die Grenzwerte bei der stufenweisen Auslegung und die Kühlung und die Beschichtung bei den Turbinen verstehen und berechnen zu können.

Beides sind sogenannte thermische Strömungsmaschinen, deren Rotoren in den meisten Fällen auf einer gemeinsamen Welle liegen (vergl. Abb. Abb. 1.7).

In diesem Kapitel werden ausschließlich axiale Strömungsmaschinen behandelt, die bei den „großen“ Gasturbinen eingesetzt werden müssen. Die radialen Strömungsmaschinen bei den kleineren und kleinsten Gasturbinen werden nur, wenn notwendig, behandelt.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

4. Brennkammer

Zusammenfassung

Die Brennkammer hat die Aufgabe, durch Verbrennen eines Brennstoffes (Gas oder Öl) mit der verdichteten Luft die Temperatur des resultierenden Verbrennungsgases so zu steigern, dass bei der nachfolgenden Entspannung in der Turbine eine – im Vergleich zur Verdichterleistung – möglichst hohe Turbinenleistung erzielt wird (Abb. 4.1).

Die direkten Wärmeverluste der Brennkammer sind relativ gering und können (bis auf die Kühlung des Brennkammeraustritts) praktisch vernachlässigt werden.

Die Verluste durch unvollständige Verbrennung sind ebenfalls sehr klein, besonders bei gasförmigen Brennstoffen, und können durch den chemischen Verbrennungswirkungsgrad \(\eta_{c}\), bezogen auf den Heizwert \(H_{u_{B}}\), berücksichtigt werden.

Sind die Verbrennungstemperaturen sehr hoch, so stellen die chemischen Reaktionen auf Grund von Dissoziation einen Verlust dar, der jedoch auch theoretisch nicht verhindert werden kann.

Strömungsverluste auf Grund von Dissipationsarbeit beim Ein-, Durch- und Ausströmen aus der Brennkammer stellen ebenfalls Verluste dar, die die resultierende Turbinenleistung verringern.

Schließlich sorgen die Geschwindigkeiten der Luft bzw. der Gase während der Verbrennung in der Brennkammer für einen theoretisch reversiblen Totaldruckverlust, der sich ebenfalls mindernd auf die Leistung auswirkt.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

5. Äußere Komponenten

Zusammenfassung

Gasturbinenanlagen werden von einem Fluidstrom durchströmt. Die eintretende Luft wird aus der Umgebung angesaugt und strömt dabei durch einen Schalldämpfer und einen Filter (vergl. Abb. Abb. 1.7). Das Abgas strömt nach der Turbine durch einen Diffusor und möglicherweise einen Schalldämpfer, bis es endlich über einen Kamin an die Umgebung abgegeben wird.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

6. Gesamtauslegung und Optimierung

Zusammenfassung

Nachdem in den vergangenen Kapiteln die Berechnung der einzelnen Komponenten einer Gasturbinenanlage gezeigt wurde, soll in diesem Kapitel die Auslegung und Berechnung der Gasturbinenanlage als Ganzes und daraus folgend die Optimierung der Auslegung behandelt werden.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

7. Weitere Gasturbinen

Zusammenfassung

Bisher war im Wesentlichen nur ein Typ Gasturbinen behandelt worden, sehr eingehend in den Komponenten, jedoch ohne zu erwähnen, dass es noch eine Vielzahl von weiteren Gasturbinenarten gibt, die sich in Aufbau (Schaltung), Größe und Anwendung von den bisher behandelten unterscheiden. Es werden in diesem Kapitel vor allem auch die Flug-Gasturbinen behandelt, die zwar den „stationären“ sehr ähnlich sind, jedoch wegen der unterschiedlichen Aufgabe besondere Merkmale haben.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

8. Betriebsverhalten

Zusammenfassung

Wie im Kapitel Wirtschaftlichkeit gezeigt wird, ist für die ökonomische Bewertung einer Anlage nicht der (maximale) Wirkungsgrad, sondern der (mittlere) Nutzungsgrad einer Gasturbinenanlage relevant. Dieser berücksichtigt vor allem die Tatsache, dass der Wirkungsgrad einer Anlage bei Teillast meist kleiner ist als der Wert bei Nennlast. Es ist daher wichtig, für die Bestimmung des Nutzungsgrades die Teillastwirkungsgrade in Abhängigkeit von der vorgegebenen veränderlichen Leistung zu kennen.

Dies setzt aber die Kenntnis des stationären Betriebsverhaltens nicht nur der Gesamtanlage, sondern auch deren Komponenten voraus. Stationär bedeutet, dass die einzelnen Teillast-Betriebszustände zeitlich unveränderlich betrachtet werden im Gegensatz zu den transienten Betriebszuständen, etwa beim An- und Abfahren oder schnellen Lastwechseln der Anlage. Die An- und Abfahrvorgänge werden in dem zweiten Teil dieses Kapitels behandelt.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

9. Wirtschaftlichkeit

Zusammenfassung

Die wirtschaftliche Optimierung wird im Falle eines Gasturbinenkraftwerks die gesamten Kosten, die mit der Stromerzeugung zusammenhängen, der Menge des erzeugten Stromes gegenüberstellen.

Die spezifischen Stromgestehungskosten \(\epsilon_{j}\) sind das Verhältnis der Kosten zu dem erzeugten Strom, jeweils berechnet für das Jahr j.

$$\epsilon_{j}=_{\mathrm{def}}\frac{\text{j{\"a}hrliche Gesamtkosten}}{\text{gesamte Jahresstromerzeugung}}$$

(9.1)

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

10. Der Dampfteil von Kombinations-Gasturbinenanlagen

Zusammenfassung

In vielen Fällen werden keine einfachen Gasturbinenanlagen eingesetzt, sondern Kombianlagen mit nachgeschaltetem Abhitzedampferzeuger und Dampfturbinen (Abb. Abb. 1.8). Selbstverständlich muss auch dieser Teil behandelt werden. Obwohl eigentlich als firmeneigene Bezeichnung bei der Firma Siemens geschützt, hat sich für derartige Anlagen der Ausdruck GuD-Anlagen eingebürgert.

Behandelt werden der Abhitzedampferzeuger, der mit der übertragenen Wärme des Abgases Frischdampf erzeugt. Und, relativ einfach, die eigentliche vielteilige und vielstufige Dampfturbine. Natürlich auch eine stark vereinfachte Optimierung hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Leistung in Abhängigkeit vom Verdichter-Druckverhältnis.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

11. Zusammengefasste Grundlagen

Zusammenfassung

In diesem Teil werden die technischen Grundlagen begrifflich und formelmäßig behandelt, die für die Berechnung der Gasturbinenanlagen benötigt werden. Dies sind die Thermodynamik, die Strömungsmechanik, die Gasdynamik, die Verbrennungslehre und für die gekühlten Turbinen die Gesetzmäßigkeiten vom Wärmeübergang und Werkstoffdaten.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

12. Schlussbetrachtung

Zusammenfassung

In dem Buch Gasturbinen ist sehr viel Stoff angeboten worden, den man unmöglich vollständig im Kopf behalten kann (und soll)!

Das ist aber auch weder notwendig noch beabsichtigt. Dafür ist das Buch, gedruckt oder als ebook mit seinen vielen Formeln und Zahlen da, wo man nachschlagen und – hoffentlich in verständlicher Form – Zusammenhänge ergründen kann.

Dieses war der letzte Streich und das Ende folgt sogleich! [frei nach Wilhelm Busch]

Nein! Dieses war der vorletzte Streich und der Anhang folgt sogleich!

Und wie geht es weiter mit den Gasturbinen? Schwer zu sagen!

Schlagzeilen der letzten Zeit:

„Erdgas, im Wärmemarkt Spitze, für Kraftwerke unrentabel“ (VDI-Nachrichten, Februar 2014)

„Gaskraftwerke werden zu Ladenhütern“ (Handelsblatt, Februar 2014)

„Der Irrsinn von Irsching könnte teuer werden“ (Die Welt, März 2015)

„Gaskraftwerke in Deutschland – ein Auslaufmodell“ (FAU, Oktober 2015)

Sicher werden die Jahresvolllastzeiten wesentlich kürzer werden. Und die Gaskraftwerksbetreiber werden eine „Sicherheitskompensation“ bekommen (müssen).

Eine mögliche Entwicklung könnten die „einfachen“ Gasturbinen mit Rekuperatoren, auch für große und mittlere Leistungen, an Stelle der „hochgezüchteten“ Anlagen mit hohen Temperaturen, Schaufelkühlung und Beschichtung und einem Dampfteil bieten.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

A. Berechnungsbeispiele

Zusammenfassung

Im Anhang A werden ein paar einfache Berechnungsbeispiele gegeben.

Die Gesamtturbinenberechnung wird für eine adiabate Turbine durchgeführt und entspricht daher nicht der Realität.

Bei den konvektions- und filmgekühlten Turbinen-Leitschaufeln ist die Berechnung insofern vereinfacht, als die Stoffwerte, die Wärmeübergangskoeffizienten und auch einige thermodynamische Werte vorgegeben sind.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

B. Ergebnisse der Auslegungsrechnung: Großkraftwerks-Gasturbinen Anlage

Zusammenfassung

Es wird eine einwellige Anlage (vergl. Abb. 1.7) mit einer elektrischen Nennleistung von \(P_{el}=400\) MW gewählt.

Da die Berechnung der elektrischen Abgabeleistung praktisch den „letzten“ Schritt der Gesamtberechnung darstellt, wird der Verdichtereintrittsmassenstrom \(\dot{m}_{V_{E}}\) vorgegeben, der bei der Berechnung derart variiert werden muss, bis die gewünschte Leistung erreicht ist. (Hier absichtlich auf genau 400 MW eingestellt!)

Ebenso ist der Verdichter-Austrittsdruck (und damit das Verdichterdruckverhältnis) durch die gewünschte Anlagen-Austrittstemperatur \(T_{t_{A_{A}}}\) „festgelegt“.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

C. Ergebnisse der Optimierungsrechnung für eine 30 MW Industrie-Gasturbine

Zusammenfassung

Nachstehend werden in der Tab. C.3 die wichtigsten Ergebnisse der Optimierungsrechnung für eine Gasturbinenanlage angegeben, die bei allen berechneten Fällen stets eine elektrische Abgabeleistung von \(P_{el}=30\) MW hat.

Gleich bleiben auch die folgenden Größen (Tab. C.1):

Tab. C.2 gibt die Daten an, die bei der Wirtschaftlichkeitsrechnung eingesetzt wurden.

Um den Vergleich unabhängig von speziellen Kosten-Werten zu machen, ist eine fiktive Monetäre Einheit (ME) eingesetzt.

Die Kühlluft ist zum Vergleich auf den Verdichtereintrittsmassenstrom bezogen:

$$f_{\text{K{\"u}hl}}=_{\mathrm{def}}\frac{\dot{m}_{KL}}{\dot{m}_{V_{E}}}\dot{m}_{V_{E}}.$$

Die zeichnerische Darstellung war schon in Abb. Abb. 9.1 von Teil I gezeigt worden.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

D. Ergebnisse für das stationäre Betriebsverhalten: 30 MW Industrie-Gasturbine

Zusammenfassung

Eine wichtige, entscheidende Komponente für das Betriebsverhalten der Anlage ist der Verdichter, der von außen durch eine Veränderung des Winkels des Vorleitrades \(\Updelta\alpha_{VLe}\neq 0\) beinflusst werden kann.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

E. Ergebnisse der Auslegungsrechnung für eine Große GuD-Anlage

Zusammenfassung

Es wird eine Dreidruck-GuD-Anlage zugrunde gelegt mit vielen vorgegebenen Werten für die Temperaturen und Geschwindigkeiten und Wirtschaftlichsdaten des Dampfteils der Anlage.

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

F. Ergebnisse der Optimierungsrechnung für eine GuD-Anlage

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

G. Zweiwellen-Industrie-Gasturbine L30A

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

H. Gasturbine mit Rekuperator

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

I. Kleingasturbine

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

J. Ergebnisse für eine Mikrogasturbine mit Rekuperator

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

K. Ergebnisse für eine Nano-Gasturbine

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

L. Einwellen-TL-Triebwerk J79

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

M. Zweiwellen-ZTL-Triebwerk Cfm56-5C

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

N. Dreiwellen-ZTL-Triebwerk Trent

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

O. Ramjet

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

P. Scramjet

Walter Bitterlich, Ulrich Lohmann

Backmatter