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1997 | Buch

Gasturbinen Handbuch

verfasst von: Meherwan P. Boyce

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : VDI-Buch

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Konstruktion Theorie und Praxis

Frontmatter
1. Ein Überblick über Gasturbinen
Zusammenfassung
Eine Gasturbine ist ein Triebwerk, das im Vergleich zu seiner Größe und seinem Gewicht einen großen Energiebetrag produziert. Die Gasturbine wurde in den vergangen 15 Jahren weltweit zunehmend in der petrochemischen Industrie und in Kraftwerken eingesetzt. Die kompakte Bauart, das niedrige Gewicht und die verschiedenen einsetzbaren Treibstoffe machen es zur natürlichen Antriebsmaschine auf Offshore-Plattformen. Heute gibt es Gasturbinen, die mit Erdgas, Dieselkraftstoff, Naphtha, Methan, Erdöl, Gasen mit niedrigen Brennwerten, verdampften Antriebsölen und auch mit Abgasen betrieben werden.
Meherwan P. Boyce
2. Analyse des theoretischen und realen Zyklus
Zusammenfassung
Die nachfolgende thermodynamische Analyse ist eine Überlick über den Standardluft-Brayton-Zyklus und seine verschiedenen Modifikationen. Diese Modifikationen werden untersucht, um ihre Auswirkung auf den Basiszyklus festzustellen.
Meherwan P. Boyce
3. Leistungscharakteristika der Kompressoren und Turbinen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel untersucht die Gesamtleistungscharakteristika von Kompressoren und Turbinen. Die Leser werden mit den Maschinen, die unter dem allgemeinen Terminus „Turbomaschinen” klassifiziert werden, vertraut gemacht. Pumpen und Kompressoren werden eingesetzt, um Druck zu produzieren; Turbinen produzieren Arbeit. Diese Maschinen haben einige gemeinsame Charakteristika. Das Hauptelement ist der Rotor mit den Schaufeln oder den Leitschaufeln. Der Pfad des Fluids im Rotor kann axial, radial oder eine Kombination aus beiden sein. Es gibt 3 Methoden, um die Elemente des Turbomaschinenbetriebs zu untersuchen.
Meherwan P. Boyce
4. Normen zur mechanischen Ausrüstung
Zusammenfassung
Das American Petroleum Institute (API) beschreibt Normen für die mechanische Ausrüstung, die eine Hilfe für die Spezifikation und die Auswahl von Ausrüstungen zum allgemeinen Gebrauch in der petrochemischen Industrie darstellen. Die Absicht dieser Spezifikationen ist, zur Entwicklung von Gerätschaften hoher Qualität mit einem hohen Grad an Sicherheit und Standardisierung beizutragen. Die Probleme und Erfahrungen der Betreiber wurden beim Schreiben dieser Spezifikation berücksichtigt. Der Arbeitskreis, der diese Spezifikation schreibt, setzt sich aus Betreibern, Anlagenerrichtern und Herstellern zusammen. Somit bringen die Mitglieder des Arbeitskreises sowohl Erfahrungen als auch Know-how mit. Nachfolgend werden einige der anwendbaren API-Normen für die Gasturbine und den Radialkompressor aufgeführt:
Meherwan P. Boyce
5. Rotordynamik
Zusammenfassung
Der gegenwärtige Trend bei rotierenden Maschinen geht in Richtung Erhöhung der Auslegungsdrehzahlen. Hierbei erhöhen sich auch die durch Schwingungen hervorgerufenen Betriebsprobleme—uns somit die Schwingungsanalyse wird bei der Diagnose von Rotordynamikproblemen helfen.
Meherwan P. Boyce

Hauptkomponenten

Frontmatter
6. Radialkompressoren
Zusammenfassung
Radialkompressoren werden bei kleinen Gasturbinen eingesetzt und sind in den meisten von Gasturbinen angetriebenen Kompressorsätzen die angetriebenen Einheiten. Sie sind ein integraler Teil der petrochemischen Industrie, wo sie einen weitverbreiteten Einsatz finden. Dieser beruht auf ihrem problemlosen Betrieb, der großen Toleranz fü Prozeßschwankungen und ihrer im Vergleich zu anderen Kompressortypen hohen Zuverlässigkeit.
Meherwan P. Boyce
7. Axial durchströmte Kompressoren
Zusammenfassung
Ein axial durchströmter Kompressor komprimiert sein Arbeitsfluid, indem er es zuerst beschleunigt und dann verzögert, um den Druckanstieg zu erhalten. Das Fluid wird in einer Reihe rotierender Tragflügel (Schaufeln) Beschleunigt. Die Schaufelreihe ist im Rotor angebracht. Dann wird das Fluid in einer Reihe stationäre Schaufel (dem Stator) verzögert. Die Verzögerung im Stator wandelt den Geschwindigkeitsanstieg, der im Rotor erhalten wurde, zum Druckanstieg. Ein Kompressor besteht aus mehreren Stufen. Ein Rotor und ein Stator ergeben eine Stufe im Kompressor. Eine zusätzliche Reihe befestigter Schaufeln (Einlaßleitschaufeln) wird oftmals benutzt, um am Kompressoreintritt sicherzustellen, daß die Luft mit dem erforderlichen Winkel in den Rotor der ersten Stufe eintritt.
Meherwan P. Boyce
8. Radial eingeströmte Turbinen
Zusammenfassung
Die radial eingeströmte Turbine wird seit vielen Jahren eingesetzt. Sie tauchte zuerst als eine in der Praxis einsetzbare leistungsproduzierende Einheit im Gebiet der hydraulischen Turbinen auf [1, 2]. Sie ist im Prinzip ein Radialkompressor mit umgekehrter Strömung und gegensätzlicher Rotation. Die radial eingeströmte Turbine wurde als erste im Strahltriebwerkflug in den späten 30er Jahren eingesetzt. Dies wurde als natürliche kombination für den Radialkompressor im gleichen Triebwerk angesehen. Die Konstrukteure gingen davon aus, daß es leichter sei, den Axialschub durch die 2 Rotoren zu kompensieren, und daß die Turbine aufgrund der beschleunigenden Natur der Strömung einen höheren Wirkungsgrad als der Kompressor mit dem gleichen Rotor habe.
Meherwan P. Boyce
9. Axial durchströmte Turbinen
Zusammenfassung
Axial durchströmte Turbinen sind die meist eingesetzten Turbinen Für kompresible Fluide. Sie treiben die meisten Gasturbineneinheiten—außer die Turbinen mit niedrigeren Leistungen—, und sie sind in den meisten Betriebsbereichen effektiver als radial eingeströmte Turbinen. Die axial durschströmte Turbine wird auch in Dampfturbinenkonatruktionen eingesetzt; jedoch gibt es einige signifikante Unterscheide zwischen den axial durchströmten Turbinenkonstruktionen für Gastrbinen und den Konstruktionen für Dampfturbinen.
Meherwan P. Boyce
10. Brennkammern
Zusammenfassung
Die Wärme, die in den Gasturbinen-Braytonzyklus eingegeben wird, wird von einer Brennkammer (combustor) geliefert. Die Brennkammer nimmt die Luft vom Kompressor auf und gibt sie mit angehobener Temperatur zur Turbine (im Idealfall ohne Druckverlust). Somit ist die Brennkammer ein direkt gefeuerter Lufterwärmer, in dem Treibstoff fast stöchiometrisch mit einem Drittel oder weniger der vom Kompressor gelieferten Luft verbrannt wird. Verbrennungsprodukte werden dann mit dem verbleibenden Lufttantiel gemischt, um eine passende Turbineneintrittstemperatur zu erreichen.
Meherwan P. Boyce

Werkstoffe, Brennstofftechnik und Brennstoffsysteme

Frontmatter
11. Werkstoffe
Zusammenfassung
Temperaturgrenzen sind die kritischsten begrenzenden Faktoren für Gasturbinenwirkungsgrade. Die Abb. 1 l-la,b zeigen, wie höhere Turbineneintrittstemperaturen sowohl den spezifischen Brennstoff- als auch den Luftverbrauch mindern und somit den Wirkungsgrad erhöhen. Werkstoffe und Edelstähle, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden können, sind sehr teuer - sowohl in der Anschaffung als auch in der Bearbeitung. Abbildung 11-1 zeigt die relativen Kosten der Rohmaterialien. Aus diesem Grund ist die Kühlung der Schaufeln, Düsen und Übertragungsstücke der Brennkammer ein integraler Bestandteil der gesamten Werkstoffproblematik.
Meherwan P. Boyce
12. Brennstoffe
Zusammenfassung
Der Hauptvorteil der Gasturbine war ihre Brennstoffflexibilität. Das gesamte Brennstoffspektrum reicht von Gasen bis zu festen Brennstoffen. Gasartige Brennstoffe beinhalten traditionell Erdgas, Prozeßgas, Kohlegase mit niedrigen Brennwerten und verdampfte Brennölgase.„ProzeBgas“ ist ein weiter Terminus,der zur Beschreibung von Gasen eingesetzt wurde, die in einigen Industrieprozessen anfielen. Prozeßgase beinhalten Raffineriegas, produziertes Gas, Koksofengas,Hochofengas und weitere. Erdgas ist üblicherweise die Basis, auf der die Leistung einer Gasturbine verglichen wird, da es ein Brennstoff ist, der eine langere Maschinenlebensdauer ermöglicht.
Meherwan P. Boyce

Nebenkomponenten und Zubehör

13. Lager und Dichtungen
Zusammenfassung
Die Lager in einer Gasturbine stützen und positionieren die rotiorende Komponente. Die radiale Abstützung wird allgemein durch die Radiallager und die axiale Positionierung durch die Axiallager durchgeführt. Einige Triebwerke, hauptsächlich Luftfahrt-Jettriebwerke, haben Kugel- oder Kegelrollenlager für die radiale Abstützung, doch bei fast allen Industriegasturbinen werden Gleitlager benutzt.
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14. Getriebe
Zusammenfassung
Das Getriebe ist eine der wichtigsten Komponenten zwischen dem Hauptantrieb und den angetriebenen Einheiten. Wird das Getriebe nicht sorgfältig ausgewählt, so können viele Probleme auftreten. Das Getriebe überträgt große Leistungen bei hohen Rotationsdrehzahlen. Jüngere Fortschritte in der Turbomaschinentechnologie, speziell bei den Turbinen, Kompressoren, Kupplungen und Lagern, benötigen Getriebe, die hohen externen Kräften widerstehen. Um problemfreie Maschinen auszulegen, ist es wichtig, die Auswirkung des externen Systems auf das Getriebe zu kennen. Somit sollten alle Faktoren, die die Konstruktion, die Anwendung und den Betrieb von Zahnradantrieben beeinflussen, in der Auslegungsphase berücksichtigt werden.
Meherwan P. Boyce

Installation, Betrieb und Instandhaltung

Frontmatter
15. Schmierung
Zusammenfassung
Für zuverlässige Turbomaschinenleistung ist es von elementarer Wichtigkeit, ein sorgfältig ausgelegtes, installiertes, betriebenes und instandgehaltenes Schmiersystem zu haben. Das Schmierungssystem einer Turbomaschine ist das „Lebensblut” für dies komplexe und sorgfältig getrimmte Maschinenteil. Das Öl muß in kontinuierlichem Kreislauf gepumpt, wieder aufbereitet, abgelassen und zurück zur Pumpe geführt werden. In einigen Einheiten gibt es unabhängiges und spezielles Turbinenschmieröl, Kompressorschmieröl und Turbinensteuerungsölsysteme. Es gibt kombinierte Systeme mit Turbinenschmieröl und Steuerungsöl von einem System und Kompressorschmieröl von einem anderem, oder mit Turbinen und Kompressorschmieröl von einem System und Turbinensteuerungsöl von einem anderen. In den meisten Fällen wird ein System die gesamte Schmierund Steuerungsölmenge liefern.
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16. Spektrumanalyse
Zusammenfassung
Eine komplette Maschinenanalyse mit hohen Rotationsdrehzahlen benötigt eine komplexe Mischung von Leistungs- und Schwingungsdaten. Der Trend in Richtung totale Analyse wächst mit den Problemen der Energieknappheit und der Notwendigkeit für maximale Nutzung der Produktionsanlagen. Leistungsanalyse ist ein notwendiger Bestandteil für die effektive Nutzung von Turbomaschinen und, wenn sie mit Schwingungsanalyse gekoppelt ist, ein unschlagbares Werkzeug als Gesamtdiagnosesystem.
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17. Auswuchtung
Zusammenfassung
Schwingungsprobleme in heutigen Turbomaschinen sind so zwingend und wichtig, wie Probleme in der Konstruktion, Herstellung und allgemeinen Instandhaltung. Enorme Mengen wertvoller Energie bleiben während Maschinenausfällen ungenutzt, und die zugehörigen Kosten von Maschinenstillständen addieren sich zu unproduktiven Gemeinkosten. Die Herstellung von Hochgeschwindigkeitsmaschinen benötigt neue, jeweils passende Techniken zur Reduzierung von Schwingungen.
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18. Kupplungen und Ausrichtung
Zusammenfassung
Kupplungen verbinden in den meisten Turbomaschinen die Antriebsmaschine mit der angetriebenen Maschine. Flexible Hochleistungskupplungen, wie sie in Turbomaschinen eingesetzt werden, müssen 3 Hauptfunktionen leisten: (1) die effiziente Übertragung mechanischer Leistung bei konstanter Geschwindigkeit direkt von einer Welle zur anderen, (2) Kompensation von Ausrichtfehlern, ohne hohe Spannungen zu erzeugen und mit minimalen Leistungsverlusten und (3) axiale Bewegungen einer Welle erlauben, ohne daß großer Axialschub oder andere Kräfte erzeugt werden [1].
Meherwan P. Boyce
19. Regelungssysteme und Instrumentierung
Zusammenfassung
Die Instrumentierung der Gasturbinen hat sich in den vergangenen Jahren von einfachen Regelungssystemen zu komplexeren Diagnostik- und Monitoringsystem entwickelt. Diese sind dafiir ausgelegt, daß große Katastrophen vermieden werden, und urn die Einheit in ihrer Spitzenleistung betreiben zu können.
Meherwan P. Boyce
20. Versuche und Überprüfungen an Kompressoren
Zusammenfassung
Eine sorgfältige Leistungsuntersuchung eines dynamischen rotierenden Kompressors ist für den Anlagenerrichter von enormer Wichtigkeit, da mit dieser Untersuchung die Fähigkeit definiert wird, einen spezifischen Job zu leisten. Hierzu gehören auch die Anforderungen an den Energieaufwand. Da der Kompressionsprozeß häufiger kontinuierlich statt intermittierend ist (wie bei Kolbenkompressoren), erlauben die physikalischen Dimensionen des Kompressors keine genaue Leistungsfeststellung. Statt dessen müssen die Charakteristika der Maschine durch Berechnungen festgestellt werden. Bei diesen wird die vom Gas geleistete Arbeit bestimmt, wie sie aus den beobachtbaren Gaszuständen gemessen werden kann [1]. Während der Errichter einer Kompressoranlage mit relativen Werten zur Bestimmung der Entwicklungsarbeit ziemlich zufrieden sein könnte, müssen zum effektiven Vergleich einer Maschine mit gleichartigen Maschinen absolute Feststellungen gemacht werden. Um derartige Vergleiche zu ermöglichen, wurden von derASME mit dem Power Test Code 10(PTC praktische Regeln erstellt [2]. Dies sind Richtlinien für die Ausführung und das Berichten zu Versuchen an einem Kompressor unter bestimmten Bedingungen. Die thermodynamische Leistung eines Kompressors an einem spezifizierten Gas mit unbekannten Eigenschaften kann während des Kompressionsprozesses festgestellt werden, bei dem unter spezifizierten Bedingungen weder Kondensation noch Verdampfung auftritt und keine Injektion von Flüssigkeiten vorliegt.
Meherwan P. Boyce
21. Instandhaltungstechniken
Zusammenfassung
Herstellung und Instandhaltung von Turbomaschinen sind vollkommen unterschiedliche Dinge. Die Herstellung beinhaltet die Formgebung und den Zusammenbau verschiedener Teile mit geforderten Toleranzen. Die Instandhaltung beinhaltet die Aufrechterhaltung der Toleranzen durch eine Serie intelligenter Kompromisse. Der Kern der Instandhaltungstechniken ist, diese Kompromisse intelligent zu halten.
Meherwan P. Boyce
Backmatter
Metadaten
Titel
Gasturbinen Handbuch
verfasst von
Meherwan P. Boyce
Copyright-Jahr
1997
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-59841-8
Print ISBN
978-3-642-64145-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-59841-8