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Über dieses Buch

Das Fachbuch behandelt die Grundlagen, die Konstruktion und das Betriebsverhalten von Dampfturbinen in aktueller Form. Die wichtigsten Fragen zu Dampfturbinen werden als zeitgemäßes Kompendium für fortgeschrittene Studierende, Berufseinsteiger und Ingenieure in der Praxis umfassend und detailliert dargestellt. Nach Grundlagen, Bauteilen und Komponenten werden ausgewählte Ausführungsbeispiele beschrieben und diskutiert. Praxisgerechte Beispiele und Fragen zum Betrieb und Einsatz von Dampfturbinen runden die Darstellung ab.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Die industrielle Revolution im 18. und frühen 19. Jahrhundert wäre ohne die Erfindung der Dampfmaschine nicht denkbar gewesen. Heute ist die moderne Welt auf eine sichere und flächendeckende elektrische Energieversorgung angewiesen. Die Elektrifizierung prägte das 20. Jahrhundert, aber die Energiefrage zählt schon jetzt zu den zentralen Fragen des 21. Jahrhunderts, weil der Schutz von Umwelt und Klima zu einem weltweiten Anliegen geworden sind. Heute werden mehr als zwei Drittel des weltweiten Stroms mit Hilfe von Dampfturbinen erzeugt. Zudem sind Dampfturbinen in der verfahrenstechnischen und petrochemischen Industrie unverzichtbare Kraftmaschinen für den Antrieb von Pumpen und Kompressoren. Trotz der Veränderungen auf dem Energiemarkt werden Dampfturbinen noch auf viele Jahrzehnte das Rückgrat der Industrie und Stromwirtschaft bleiben. In Bild 1-1 ist ein moderner Dampfturbosatz in einem Heizkraftwerk abgebildet. Die in Bild 1-1 gezeigte Anlage liefert eine elektrische Leistung von über 350 MW. Neben der elektrischen Leistung kann ein Heizkraftwerk auch Prozess- und Heizwärme an Verbraucher abgegeben, so dass die Brennstoffausnutzung gegenüber einem reinen Kraftbetrieb noch einmal deutlich erhöht wird.
Stefan aus der Wiesche

2. Aufbau und Wirkungsweise von Dampfturbinen

In diesem Kapitel werden der grundlegende Aufbau und die Wirkungsweise von Dampfturbinen in Form einer Übersichtsdarstellung vorgestellt. Im weiteren Verlauf dieses Buchs werden die verschiedenen physikalischen und konstruktiven Einzelheiten noch ausführlich behandelt, so dass das hier vorliegende Kapitel als technische Einführung dient. Eine Ausnahme bildet der Abschnitt über die Radialdampfturbine, die heute praktisch nicht mehr gebaut wird. Dieses interessante, allerdings derzeit historisch abgeschlossene Konzept wird kompakt in diesem Kapitel vorgestellt und im weiteren Verlauf dieses Buches nicht mehr weiter betrachtet.
Matthias Neef, Stefan aus der Wiesche

3. Thermodynamik der Dampfkraftprozesse

Dampfturbinen sind immer Teil von übergeordneten Wärmekraftanlagen, bei denen Wasser als Arbeitsfluid in einem geschlossenen Kreisprozess eingesetzt wird. Generell kann die Auslegung von Dampfturbinen nicht ohne eine detaillierte Betrachtung des thermodynamischen Gesamtprozesses erfolgen. In diesem Kapitel werden die erforderlichen thermodynamischen Grundlagen der Dampfkraftprozesse behandelt. Hierfür wird zunächst der einfache Clausius- Rankine-Prozess als elementarer Vergleichsprozess für Dampfkraftanlagen vorgestellt. Bereits an diesem einfachen Kreisprozess lassen sich wesentliche Zusammenhänge, die auch für komplexere Anlagen gelten, erklären. Da bei der Analyse der Kreisprozesse und für die Auslegung der Turbinen eine genaue Kenntnis des thermodynamischen Verhaltens von Wasser bzw. Wasserdampf unerlässlich ist, werden in diesem Kapitel ebenfalls entsprechenden Grundlagen kurz diskutiert. Hierbei zeigt sich, dass das Konzept des idealen Dampfes noch immer für das Verständnis der strömungstechnischen Verhältnisse bei Turbinen hilfreich ist. Im Anschluss an diese allgemeinen Grundlagen werden geeignete thermodynamische Maßnahmen zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads von Dampfkraftprozessen vorgestellt. Vor allem die exergetische Analyse ist geeignet, ein korrektes Bild von den Verbesserungspotentialen der Kreisprozesse zu gewinnen. Vor diesem Hintergrund können dann repräsentative Beispiele von ausgewählten Dampfkraftprozessen diskutiert werden.
Stefan aus der Wiesche

4. Strömungstechnische Grundlagen der Turbinen

Während die Thermodynamik grundlegend aufzeigt, welche Zustandsänderung ein Arbeitsfluid durchlaufen muss, wenn aus Wärme technisch nutzbare Arbeit gewonnen werden soll, definiert die Strömungsmechanik die Geometrie der Strömungskanäle, um den gewünschten Energieaustausch zwischen Fluid und Wand zu bewirken. Beide Erkenntnisse der Geometrie der Strömungsmaschine, wie im Folgenden grundlegend dargestellt wird.
Oft stellt sich die Aufgabe, eine bestehende Turbine weiter zu entwickeln oder aber grundlegende Versuche in einem anderen Maßstab durchzuführen. Die Übertragung der Ergebnisse auf die endgültige Ausführung erfolgt dann unter Zuhilfenahme der Ähnlichkeitstheorie über dimensionslose Kennzahlen. Stellenweise haben sich aber auch historisch begründete dimensionsbehaftete Darstellungen erhalten. Einleitend sollen die gängigsten Darstellungen zusammengestellt werden.
Franz Joos

5. Modellierung der Zweiphasenströmung

Niederdruckturbinen, wie auch die Hochdruckturbinen von Kernkraftwerken mit Siedewasserreaktor, entspannen in der Regel bis in das Nassdampfgebiet. Die hierbei entstehende Dampfnässe führt einerseits zu Wirkungsgradverlusten und andererseits zu Erosionsproblemen. Nahezu die Hälfte der Verluste einer Niederdruckturbine entsteht aufgrund der Kondensation. Die Ausscheidung von Wasser aus der gasförmigen Phase erfolgt in der Regel entweder an kühleren Oberflächen oder im Fluid durch Tropfenbildung. Prinzipiell stehen in geführten Strömungen die Schaufeloberflächen oder Gehäusewände zur Kondensation zur Verfügung. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen unter stationären Betriebsbedingungen ist der Wärmeübergang allerdings gering, so dass von einer zur Berandung adiabaten Strömung ausgegangen werden kann. Somit ist die Kondensation an den strömungsführenden, festen Oberflächen von keiner oder nur von untergeordneter Bedeutung. Stets dominiert die Kondensation im Fluid in Form von Tropfen.
Eine optimierte Auslegung der Niederdruckturbine kann nur unter Berücksichtigung der aus unterkühlten Bedingungen kondensierten Tröpfchen und deren Interaktion mit der Beschaufelung erfolgen.
Franz Joos, Niklas Neupert

6. Rechnergestützte Verfahren zur aero-thermodynamischen Auslegung und Entwicklung

In einer Dampfturbine erfolgt die Umwandlung von potentieller Energie in mechanische Energie auf indirektem Weg über die kinetische Energie des Arbeitsmittels. Daraus folgt, dass für die rechnerische Beschreibung der Energieumsetzung Strömungsvorgänge von entscheidender Bedeutung sind. Gerade im Bereich der Strömungen haben in den letzten Jahren rechnergestützte Verfahren eine stürmische Entwicklung erfahren. Numerische Verfahren zur Berechnung von dreidimensionalen Strömungen (CFD = Computational Fluid Dynamics) werden heute im Auslegungs- und Entwicklungsprozess von Dampfturbinen zunehmend eingesetzt. Trotzdem bilden einfachere null-, ein- und zweidimensionale rechnergestützte Berechnungsverfahren nach wie vor das Rückgrat bei der Auslegung von Dampfturbinen. In diesem Kapitel werden die Methoden und ihre Grundlagen kurz beschrieben und es werden Beispiele für deren Anwendung im Bereich der Auslegung und Entwicklung von Dampfturbinen gegeben.
Reinhard Willinger, Thomas Polklas

7. Rotordynamische Grundlagen

Die Entwicklung der Rotordynamik als wichtiges Teilgebiet der Maschinendynamik ist historisch eng mit dem Turbinenbau verbunden. Da Dampfturbinen grundsätzlich aus einem gelagerten Rotor mit hoher Betriebsdrehzahl bestehen, sind für Konstruktion und Betrieb fundierte rotordynamische Kenntnisse unerlässlich. Das wurde bereits 1883 von de Laval erkannt, dessen erste Dampfturbine maßgeblich aus rotordynamischen Überlegungen heraus konstruiert wurde. So nutzte er den damals noch theoretisch ungeklärten Selbstzentrierungseffekt durch den Einsatz einer schlanken, biegeelastischen Welle aus. Im Anschluss an die erste erfolgreiche Dampfturbine von de Laval entwickelte sich die Rotordynamik als unabhängiges Teilgebiet der Mechanik rasch, doch wurden wesentliche rotordynamische Phänomene und neue Konzepte bis in die heutige Zeit oft nur aufgrund von Fragestellungen aus dem Turbinenbau heraus gefunden.
Dieses Grundlagenkapitel kann nur eine erste Übersicht und Einordnung in das aus heutiger Sicht sehr umfangreiche Teilgebiet „Rotordynamik“ geben. Für eine umfassendere allgemeine Darstellung wird an dieser Stelle auf das ausführliche Buch [GAS2002] von Gasch, Nordmann und Pfützner hingewiesen. Nach einer kurzen Vorstellung von wichtigen rotordynamischen Grundlagen, die an einem mathematisch noch übersichtlichen Minimalmodell, dem sog. Laval- Läufer, erläuterbar sind, werden in diesem Kapitel wichtige spezifische Phänomene und Konzepte für den Dampfturbinenbau vorgestellt. Dies beinhaltet auch die rotordynamischen Aspekte von hydrodynamischen Gleitlagern, die detaillierter in einem späteren Kapitel 19 dargestellt sind. Der gegenwärtige Stand der Technik ist durch den Einsatz der Methode der finiten Elemente (FEM) charakterisiert, für die wichtige rotordynamische Anwendungsfälle in diesem Kapitel diskutiert werden.
Stefan aus der Wiesche

8. Ventile

Ventile bilden mithin die wichtigsten Sicherheitseinrichtungen beim Betrieb von Dampfturbinen. Dieses Kapitel beschreibt Auslegung und Aufbau von Schnell-Schluss (SSV) und Regel-Ventilen (RV) für die Frischdampf-Versorgung von Dampfturbinen sowie interne Entnahme- bzw. Überström-Ventile. Erläuterungen zu den vielfältigen anderen Stellorganen, die für den Betrieb von Dampfturbinen relevant sind, sind in Kapitel 18 (Umleitstationen) zu finden. In Kapitel 21 (Regelung) sind Hinweise für regeltechnische Auswirkungen der Ventile für den Betrieb von Dampfturbinen gegeben.
Im vorliegenden Kapitel erfolgt zunächst eine kurze Einführung in die grundlegenden Berechnungen von Ventilen. Anschließend werden verschiedene Bauformen und Anwendungsfälle erklärt. Abschließend wird die Betriebsweise der Ventile dargestellt.
Franz Joos, Thomas Polklas

9. Beschaufelung

Dampfturbinen gehören zu den thermischen Turbomaschinen und ihr besonderes Kennzeichen sind Schaufeln, die in der axialen Bauweise ringförmig auf einer Welle angebracht sind. Neben den rotierenden Laufschaufeln bestehen die Turbinenstufen aus Leitschaufelreihen, so dass die Darstellung der Kernmaschine immer die Beschaufelung, die Wellen und die Gehäuse umfassen muss. Die übrigen erforderlichen Komponenten und Bauteile, wie Ventile, Dampfleitungen, Kondensatoren, Lager und weitere Peripheriegeräte werden hier nicht zur Kernmaschine gezählt, obgleich sie für den Betrieb ebenfalls unentbehrlich sind.
Die Energieumsetzung erfolgt in den Stufen einer Dampfturbine in der Beschaufelung, und die strömungstechnisch-thermodynamische Auslegung der Beschaufelung steht zu Beginn jeder Entwicklung einer Dampfturbine. Diese muss durch eine entsprechende strukturmechanische Analyse ergänzt werden, um die Festigkeits- und Lebensdaueranforderungen zu erfüllen. In den vorangegangenen Kapiteln 2 bis 6 wurden die Grundlagen der Energieumsetzung in der Beschaufelung unter verschiedenen Blickwinkeln vorgestellt. Im hier vorliegenden Kapitel werden spezielle Aspekte und Besonderheiten der Beschaufelung von Dampfturbinen behandelt. Der Rotor- und Gehäuseaufbau wird im nachfolgenden Kapitel 10 detailliert behandelt. Grundsätzlich lässt sich zwar die Auslegung der Beschaufelung nicht unabhängig von der des Gehäuses und des Rotors durchführen, doch ist aufgrund der Komplexität eine entsprechende Kapitelunterteilung sinnvoll.
Stefan aus der Wiesche

10. Wellen und Gehäuse

Die Kernmaschine umfasst neben der Beschaufelung die Wellen und die Gehäuse. Die beschaufelte Welle wird auch Rotor oder Läufer genannt. Rein aus Sicht der Strukturdynamik (siehe Kapitel 7) zählen Wellen zur Klasse der Rotoren. In Bild 10-1 ist zur Illustration des Umfanges der Kernmaschine der eingelegte Rotor einer Dampfturbine gezeigt. Man kann in Bild 10-1 praktisch alle wesentlichen Elemente der Kernmaschine unmittelbar sehen. Die Auslegung der Beschaufelung ist Gegenstand von Kapitel 9. In diesem Kapitel 10 werden nach einer kurzen Übersicht und Darstellung von Werkstoffen für Dampfturbinen die Wellen und Gehäuse näher behandelt. Im weiteren Sinne werden in diesem Kapitel auch die Kupplungen zu den Wellen gezählt. Zudem werden Dreheinrichtungen und Getriebe für Turbinen vorgestellt.
Stefan aus der Wiesche

11. Dichtungen

Für jede Turbomaschine ist es notwendig, geeignete Dichtungen zwischen Rotor und Stator vorzusehen. Bei Dampfturbinen liegen in der Regel vergleichsweise große Drehzahlen und Wellendurchmesser vor, was auf hohe Umfangsgeschwindigkeiten an den zu dichtenden Kontaktstellen führt. In der Praxis haben sich für hochtourige Turbomaschinen berührungslose Labyrinthdichtungen bewährt. Historisch bedingt spricht man zwar auch bei Dampfturbinen noch von Stopfbüchsen, aber dieser Sprachgebrauch ist technisch gesehen nicht ganz korrekt. Wegen seiner weiten Verbreitung wird aber auch in diesem Buch der Begriff Stopfbüchse verwendet. Mit Labyrinthdichtungen sind immer gewisse Leckageströme verbunden, so dass diese Dichtungen an den Wellenenden meist noch durch Sperrdampfsysteme unterstützt werden müssen. Weiterhin werden bei Dampfturbinen in Kammerbauweise zur Vermeidung von Spaltverlusten an den Zwischenböden ebenfalls geeignete Dichtungen eingesetzt. Auch für Laufschaufeln sind Deckbänder mit Dichtungselementen üblich.
In diesem Kapitel werden die physikalischen Grundlagen der im Dampfturbinenbau eingesetzten Labyrinthdichtungen vorgestellt. Zunächst wird ihre primäre Funktion, die strömungstechnische Abdichtung und Minimierung eines Spaltstromes, diskutiert. Im Anschluss daran wird auf die rotordynamischen Eigenschaften von Labyrinthdichtungen eingegangen. Dieser sekundäre Aspekt der Dichtungen ist in der Praxis oft von fundamentaler Bedeutung, da gravierende rotordynamische Instabilitäten mit Dichtungen verbunden sein können. Neben den klassischen berührungslosen Labyrinthdichtungen werden in diesem Kapitel auch Bürstendichtungen behandelt. Diese Art von Dichtungen haben bereits seit vielen Jahren Einzug bei Gasturbinen und Flugtriebwerken gehalten. In den letzten Jahren werden große Anstrengungen unternommen, Bürstendichtungen auch verstärkt im Dampfturbinenbau anzuwenden. Derzeitig ist zumindest ein klarer Trend dahin erkennbar, so dass auch diese für Dampfturbinen eher moderne Art der Dichtungstechnik in diesem Kapitel vorgestellt wird.
Stefan aus der Wiesche

12. Abströmung

Die Ausprägung der Abdampfströmung aus einer Dampfturbine ist abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt, mit dem die Dampfturbine gefahren wird und mündet im Fall einer Kondensationsdampfturbine in das Abdampfgehäuse, welches für den Dampf eine direkte Verbindung zum Kondensator darstellt. Das Abdampfgehäuse kann je nach Randbedingung und Anforderung sowohl in radialer als auch in axialer Bauweise realisiert werden.
Da ca. 15 % der Gesamtverluste von großen Turbinen im Abströmteil entstehen, hat die Auslegung der Abströmung einen enormen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad einer Anlage.
Das Abdampfgehäuse beinhaltet unterschiedliche Komponenten zur Umsetzung verschiedener Aufgaben, die das Abdampfgehäuse leisten muss. Auf die einzelnen Komponenten, deren Aufgaben und Wechselwirkungen mit anderen Komponenten wird im Folgenden eingegangen.
Abströmungen bei Gegendruck-Dampfturbinen werden hier nicht behandelt. Erläuterungen dazu finden sich in Kapitel 13.
Thomas Polklas

13. Industriedampfturbinen

Als Industriedampfturbinen bzw. Industrieturbinen werden Dampfturbinen kleiner und mittlerer Leistungsklasse bezeichnet. Der Leistungsbereich beginnt bei einigen kW und reicht bis zu 250 MW. Üblich sind für Industrie-Dampfturbinen Nennleistungen im Bereich von 10 bis 100 MW. Der Begriff „Industrie“-Turbine leitet sich aus der häufigen Verwendung dieser Größenklasse von Dampfturbinen in Industrieanlagen ab. Er ist insofern missverständlich, als dass Industrie-Dampfturbinen auch in kleineren bis mittleren Kraftwerken eingesetzt werden, die keinen Bezug zu größeren Industriekomplexen haben. Ein sehr großer Anwendungsbereich von Industrieturbinen liegt in der petrochemischen Industrie (Oil and Gas), über die beispielsweise das Buch von Bloch und Singh [BLO2008] informiert.
Bei Industrieturbinen findet man eine sehr große Varianz von Schaltungen und Ausführungen, die jeweils eng mit ihren Einsatzbedingungen verknüpft sind. So gibt es neben den einfachen Kondensationsdampfturbinen auch Bauweisen mit Anzapfung(en) oder geregelten Entnahme(n). Auch Turbinen mit Zudampf sind im Einsatz. In diesem Kapitel werden einige der wichtigsten Schaltungen und Ausführungen von Industriedampfturbinen behandelt. Regelungstechnische Fragestellungen werden in Kapitel 21 aufgeführt. Aus technischer Sicht ist die große Bandbreite von Industriedampfturbinen bemerkenswert. Diese wird anhand der gezeigten Ausführungsbeispiele verdeutlicht.
Thomas Polklas

14. Dampfturbinen für fossil befeuerte Großkraftwerke

In diesem Kapitel werden die Besonderheiten und repräsentative Ausführungsbeispiele von Dampfturbinen für fossil befeuerte Großkraftwerke behandelt. Eine ausführliche Darstellung dieser Turbinenklasse stellt das Buch [LEY2007] von Leyzerovich dar, welches den Stand um 2005 darstellt. Man spricht von einem fossil befeuerten Großkraftwerk, wenn diese energietechnische Anlage überwiegend der Stromerzeugung dient und eine elektrische Bruttoleistung ab ca. 100 MW aufweist [VDI2013]. Zu dieser Klasse zählen auch die Kraftwerke auf Basis von Gasturbinen großer Leistung. Im Sinne der Systematik werden in diesem Buch die Dampfturbinen für kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke separat im nachfolgenden Kapitel 15 behandelt. Weiterhin unterscheidet man fossil befeuerte Großkraftwerke von fossil befeuerten Energieanlagen, die unabhängig von ihrer Leistung der Strom- und Wärmeerzeugung dienen. Im vorliegenden Kapitel sind die Dampfturbinen für Heizkraftwerke großer Leistung mit aufgenommen, da diese mit den Ausführungen für reine Großkraftwerke vergleichbar sind. Aufgrund der oben erwähnten Leistungsgrenze sind teilweise die Grenzen zwischen den in Kapitel 13 behandelten Industriedampfturbinen und den in diesem Kapitel behandelten Dampfturbosätzen nicht immer in der Praxis eindeutig zu ziehen. Im hier vorliegenden Kapitel werden aber vor allem die Großausführungen in mehrgehäusiger Bauweise betrachtet, so dass es an dieser Stelle zu keiner wesentlichen inhaltlichen Dopplung kommt.
Da die Dampfturbosätze in einem fossil befeuerten Großkraftwerk sich nur in Zusammenhang mit dem Dampferzeuger und dem Gesamtanlagenschema verstehen lassen, werden in diesem Kapitel auch einige allgemeine kraftwerkstechnische Informationen gegeben. Dies betrifft vor allem die Dampferzeugung, da die Entwicklung der Kessel untrennbar mit der Entwicklung der zugehörigen Dampfturbinen verbunden ist. Die Kondensatoren und Rückkühlwerke werden in einem separaten Kapitel 20 ausführlich behandelt, da die Problematik des „kalten Endes“ des Dampfkraftprozesses für jede Art von Energieanlage unabhängig besteht.
Stefan aus der Wiesche

15. Dampfturbinen für kombinierte Prozesse

Von einem kombinierten Kraftwerksprozess spricht man, wenn zwei unabhängige Prozesse zu einer übergeordneten Wärmekraftanlage zusammengefasst werden. Auf den ersten Blick scheinen die Kombinationsmöglichkeiten nahezu unbegrenzt, aber es wird sich nach einer allgemeinen Betrachtung zeigen, dass es für Großkraftwerke nur einen einzigen erfolgreichen Prozess dieser Art gibt, nämlich den kombinierten Gas- und Dampfkraftprozess. Dieser ist im deutschen Sprachraum auch unter der von Siemens eingeführten Bezeichnung „GuD“ bekannt. Der GuD-Prozess ist aus mehreren Gründen so vorteilhaft, dass er aktuell eindeutig den Kraftwerksmarkt dominiert. Sein hoher Wirkungsgrad, die niedrigen Investitionskosten, die kurzen Errichtungszeiten und die geringen CO2-Emissionen machen die Attraktivität der kombinierten Gas- und Dampfkraftwerke für Investoren und Betreiber aus. Weltweit beträgt der Anteil dieser Kraftwerksklasse bei der Vergabe von Neubauprojekten über 50 %. Einige Angaben zu den Wachstumsraten und Marktanteilen fanden sich auch schon im einführenden Kapitel 1. Aus Sicht der europäischen und amerikanischen Dampfturbinenindustrie hat sich das Gewicht von den reinen Dampfkraftwerken hin zu den kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken verschoben.
In diesem Kapitel werden nach einer kraftwerkstechnischen Einordung die konstruktiven Besonderheiten der Dampfturbinen für kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke behandelt. Da bei einem kombinierten Kraftwerksprozess die Teilprozesse nicht unabhängig voneinander sind, müssen hierzu auch einige wichtige Grundlagen aus dem Bereich der Gasturbinen und der übrigen Kraftwerkskomponenten vorangestellt werden. Zusätzlich wird in diesem Kapitel auch die nachträgliche Umrüstung eines reinen Dampfkraftwerks zu einer Anlage mit Gasturbine behandelt. Dieser auch als Repowering bekannte Schritt basiert auf ehemaligen Dampfkraftwerken und führt auf kombinierte Gas- und Dampfturbinenprozesse.
Stefan aus der Wiesche

16. Dampfturbinen für Kernkraftwerke

Der Anteil der Kernkraft an der weltweiten Stromerzeugung beträgt ungefähr 16 %. In einigen Industrieländern liegt er sogar deutlich höher. Auch wenn der relative Anteil der Kernkraft an der weltweiten Stromproduktion in Zukunft wohl nicht wesentlich zunehmend wird, so erwartet man eine Erhöhung der Kernkraftwerkskapazitäten in absoluten Zahlen. Dieser Ausbau erfolgt maßgeblich in Asien. Dampfturbinen in Kernkraftwerken weisen besondere Konstruktionsmerkmale auf und können als eine eigene Klasse betrachtet werden. Es handelt sich dabei um Sattdampfturbinen sehr großer Leistung (heute bis über 1600 MW). Eine sehr gute Darstellung dieser Turbinen bietet das Buch von Leyzerovich [LEY2005]. Das hier vorliegende Kapitel beginnt mit einer kraftwerkstechnisch-thermodynamischen Übersicht und leitet daraus die wesentlichen Unterschiede zwischen fossilen und nuklearen Dampfturbosätzen ab. Anschließend werden repräsentative Konstruktionsbeispiele besprochen und Besonderheiten beim Betrieb erläutert.
Stefan aus der Wiesche

17. Nutzung regenerativer Energieträger durch Dampfturbinenprozesse

In vielen Ländern ist es der erklärte politische Wille, den Anteil der regenerativen Energieträger bei der Stromversorgung deutlich zu erhöhen. Die Substitution der klassischen Energieträger hat in den letzten Jahren in manchen Regionen soweit zugenommen, dass einschneidende Veränderungen auf dem Energie- und Kraftwerksmarkt unverkennbar sind. Für Dampfkraftwerke, die seit rund hundert Jahren die Hauptlast an der Stromerzeugung weltweit getragen haben, ergeben sich durch diese Entwicklungen neue Herausforderungen. Da viele ältere Anlagen zumeist für einen Einsatz im Grundlastbereich unter mittlerweile völlig überholten Marktbedingungen ausgelegt wurden, ist ihre Wirtschaftlichkeit gefährdet. Dampfkraftwerke werden in Versorgungsnetzen mit hohen Anteilen regenerativer Energieträger zunehmend vom Grundlast- in den Mittellast- oder sogar Spitzenlastbetrieb gedrängt. Dadurch gewinnt die Teillastfähigkeit von Dampfkraftwerken an Bedeutung, was bei Konstruktion und Anlagenplanung sowie in ihrem Betrieb und der Einsatzplanung berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus ergibt sich ein weiteres Themenfeld, was mit dem direkten Einsatz von Dampfturbinen für regenerative Energieträger zusammenhängt. Prinzipiell lassen sich regenerative Energieträger, wie geothermische Ressourcen oder die Solarstrahlung, auch mit Hilfe von Dampfturbinen ausnutzen. Das erste geothermische Kraftwerk wurde 1904 in Betrieb genommen und die Idee von solarthermischen Dampfkraftwerken für eine Stromversorgung ohne Einsatz von fossilen Energieträgern wurde bereits vor dem ersten Weltkrieg vorgeschlagen. Geothermische Dampfkraftwerke tragen heute in bestimmten Regionen signifikant zur Energieversorgung bei. In diesem Kapitel werden diese beiden Anwendungen von Dampfturbinen für die Ausnutzung von regenerativen Energieträgern zusammen behandelt, und ihre konstruktiven Unterschiede zu den konventionellen Dampfturbinen aufgezeigt.
Stefan aus der Wiesche

18. Dampfturbinenumleitstationen

Dampfturbinenumleitstationen (oder kurz auch Turbinenumleitstation oder nur Umleitstation genannt) sind Armaturengruppen in Dampfkraftwerken, die dazu dienen, den im Dampferzeuger (oder Kessel) erzeugten Dampf um die Dampfturbinen herum zu leiten. Aus diesem Grunde werden Umleitstationen auch Bypass-Stationen genannt. Durch den Einsatz von Umleitstationen wird eine Entkopplung des Dampferzeugers von der Dampfturbine ermöglicht, die ansonsten durch den einfachen thermodynamischen Kreisprozess nicht gegeben wäre. Umleitstationen waren historisch zunächst als reine Sicherheitseinrichtungen konzipiert, doch wurden diese weiterentwickelt und ermöglichen heute flexiblere Betriebsweisen von Dampfkraftwerken, so dass ihre Bedeutung für den modernen Kraftwerks- und Turbinenbetrieb deutlich zugenommen hat.
In diesem Kapitel werden die Grundlagen von Dampfturbinenumleitstationen und deren konstruktive Ausführungen erläutert. Dabei liegt der Schwerpunkt vor allem auf den zugrundeliegenden thermodynamischen und strömungstechnischen Mechanismen. Eine kompakte Beschreibung von Umleitstationen im Sinne eines Regelwerks findet sich beispielsweise in der ANSI/ISA-Norm 77.13.01-1999 [ANS1999]. Eine allgemeine Darstellung von Rohrleitungen und Armaturen enthält das entsprechende Kapitel im Handbuch [BOH1982].
Bertram Gögelein

19. Gleitlager für Dampfturbinen

Maschinen mit rotierenden Wellen müssen über eine entsprechende Lagerung verfügen, deren Hauptaufgaben die Positionierung der Komponenten zueinander (Einhaltung der Spiele), sowohl in radialer als auch in axialer Richtung und das Übertragen statischer sowie dynamischer Kräfte (Gewichtskraft des Läufers, Reaktions- und Druckkräfte aus dem Prozess, Unwuchtkräfte) sind.
Nach einer kurzen Übersicht wird deutlich, dass für Dampfturbinen derzeit praktisch nur Gleitlager verwendet werden, deren Funktionsweise und Aufbau in diesem Kapitel daher näher behandelt werden. Der Ölfilm der Gleitlager dämpft durch unvermeidliche Restunwuchten bedingte Rotorschwingungen; er kann jedoch seinerseits selbsterregte Schwingungen verursachen, die durch geeignete Auslegung vermieden werden müssen. Die Gleitlager spielen daher für das Systemverhalten und die Betriebssicherheit des Turbosatzes eine wichtige Rolle, was bereits in den rotordynamischen Grundlagen in Kapitel 7 betont worden ist. Mit der Weiterentwicklung der Dampfturbinen zu Einheiten größerer Leistung und Leistungsdichte bei hoher Drehzahl wuchsen auch die Anforderungen an die Gleitlager und anspruchsvolle numerische Berechnungs- und rechnergestützte Auslegungsverfahren wurden entwickelt. Dieser moderne Zugang wird in diesem Kapitel neben den klassischen Auslegungsverfahren daher ebenfalls kurz behandelt.
Stefan Verstege, Stefan aus der Wiesche

20. Kondensatoren und Rückkühlwerke

Zur Schließung des Dampfkraftprozesses ist thermodynamisch die Niederschlagung des aus der Turbine strömenden Abdampfes in einer Kondensationsanlage erforderlich. Das niedergeschlagene Kondensat wird über eine Speisewasserpumpe wieder dem Dampferzeuger zugeführt, was den dauernden Ersatz und die teure Aufbereitung des Arbeitsfluides erspart. Der Kondensator stellt physikalisch die Umkehrung des Verdampfungsprozesses dar, bei dem eine große Änderung des spezifischen Volumens des Arbeitsfluides auftritt. Durch den Einsatz eines Kondensators können im Gegensatz zur offenen Dampfkraftanlage sehr niedrige Abdampfdrücke ermöglicht werden, was thermodynamisch für den Wärmekraftprozess günstig ist. In diesem Fall kann die im Kondensator übertragene Abwärme aufgrund ihres geringen Temperaturniveaus nicht mehr weiter sinnvoll genutzt werden. Bei einem Heizkondensator, der mit höheren Gegendrücken arbeitet, wird die Abwärme hingegen nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung energetisch verwertet.
Kondensatoren stellen für den Dampfkraftprozess die entscheidenden Wärmesenken dar, aber in der Regel muss der vom Abdampf abgegebene Wärmestrom noch durch geeignete Rückkühlwerke an die Umgebung abgeführt werden. Kondensator und Rückkühlwerk stellen das sog. „kalte Ende“ des Dampfkraftprozesses dar. Die enge Verbindung zwischen einem wärmetauschenden System (Kondensator) und einer Turbomaschine muss bei der Konstruktion von Dampfturbinen beachtet werden. Eine Dampfturbine kann nur gemeinsam mit dem Kondensator und der Rückkühlung sinnvoll ausgelegt werden. Für die Effizienz des Dampfkraftprozesses ist in der Praxis gerade das „kalte Ende“ relevant, wo zudem meist auch die höchsten Optimierungsreserven liegen. Aus diesem Grund befasst sich dieses Buch über Dampfturbinen explizit mit Kondensatoren und Rückkühlwerken, obgleich diese – wie die Dampferzeuger – für sich gesehen zur Klasse der Wärmeübertrager zählen. Nach einer allgemeinen Übersicht behandelt dieses Kapitel die wärmetechnische Auslegung der Kondensatoren und der Rückkühlwerke näher. Auf Basis dieser Grundlagen kann dann die für die Praxis wichtige Auswahl und Auslegung des „kalten Endes“ nachvollzogen werden.
Stefan aus der Wiesche

21. Regelung der Dampfturbine

Für den praktischen Einsatz benötigen Dampfturbinen eine Regelung, um auf geänderte Betriebsbedingungen oder Lastanforderungen reagieren zu können. Selbst wenn eine Dampfturbine nur für einen einzigen festen Betriebspunkt hin konzipiert wäre, so müsste dennoch eine Regelung für das An- und Abfahren dieser Maschine vorhanden sein. Regelungen sind für den sicheren Betrieb einer Dampfturbine unverzichtbar. In diesem Kapitel werden die verschiedenen Regelkonzepte, deren Realisierungen und die Auswirkungen auf das Verhalten der Dampfturbine besprochen. Der Betrieb der geregelten Dampfturbine im Kraftwerksprozess ist Gegenstand des nachfolgenden Kapitels 22.
Stefan aus der Wiesche

22. Betrieb von Dampfturbinen

Der Einsatz von Dampfturbinen erfolgt immer als Teil eines übergeordneten Dampfkraftprozesses, so dass Dampfturbinen nie unabhängig von den übrigen Anlagenkomponenten, wie Dampferzeugern und Speisewasserpumpen, betrieben werden können. Für den sicheren Betrieb sind daher Kenntnisse über das Zusammenspiel aller dieser Komponenten und Subsysteme erforderlich. In diesem Kapitel werden wichtige Aspekte, die beim Betrieb von Dampfturbinen in Kraftwerken zu beachten sind, erläutert. Denn trotz hohem Automatisierungsgrad des Kraftwerksbetriebes ist das ordnungsgemäße und sichere Betreiben einer Dampfkraftanlage anspruchsvoll und kann nur von geschultem Fachpersonal erfolgen.
Besonders anspruchsvolle Verhältnisse liegen beim Betrieb von Kraftwerksblöcken größerer Leistung für ein elektrisches Verbundnetz vor, doch können die im diesen Kapitel aufgeführten Punkte sinngemäß auch auf kleinere Anlagen übertragen werden.
Martin Heinen

23. Instandhaltung (Revisionen und Vermeiden von Störungen)

In diesem Kapitel werden Revisionen zusammen mit einer Diskussion von Schäden an Dampfturbinen und deren Vermeidung behandelt. Es liegt hierbei in der Natur der Thematik, dass dabei in einem sehr großen Maß auf langjährige Erfahrungen zurückgegriffen wird. Wobei der Prozess des Erfahrungsgewinns keinesfalls als abgeschlossen angesehen werden kann. Das hier vorliegende Kapitel basiert maßgeblich auf die einschlägigen VGB-Richtlinien und Darstellungen [VGB1983, VGB2004].
Martin Heinen

24. Abnahme- und Betriebsversuche

Trotz des Einsatzes von modernen Entwicklungsverfahren kann die Qualität einer neu aufgestellten Dampfturbine nur anhand eines Abnahmeversuches verlässlich bestimmt werden. Ein nach Stand der Technik durchgeführter Abnahmeversuch ist von zentraler Bedeutung für die Übergabe der Dampfturbine an den Betreiber und wird in diesem abschließenden Kapitel behandelt. Nicht nur an neu installierten Einheiten, sondern auch an umgebauten oder modernisierten Dampfturbinen werden Abnahmeversuche durchgeführt.
Neben den Abnahmeversuchen führt man auch Betriebsversuche an Dampfturbinen durch. Anhand von Betriebsversuchen können mögliche Schäden oder Zeitpunkte für Revisionen identifiziert werden. Betriebsversuche sind daher für den Betrieb einer Dampfturbine von großer Bedeutung. Wegen der großen Parallelität wird diese Klasse von Versuchen in diesem Kapitel zusammen mit den Abnahmeversuchen diskutiert.
Stefan aus der Wiesche

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