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Über dieses Buch

Wer sich für Gasturbinen interessiert, erhält mit der Neuauflage dieses Referenzwerks das aktuelle Wissen von Experten aus Industrie und Forschung. In fast 40 Kapiteln werden die Grundlagen aufbereitet und der derzeitige technische Entwicklungsstand von stationären Gasturbinen beschrieben. Der gesamte Lebenszyklus der Kraftwerksanlage wird behandelt – von der Auslegung und Konstruktion über die Fertigung bis zur Inbetriebnahme und Wartung. Werkstoffspezifische Themen finden dabei ebenso Berücksichtigung wie die zunehmend volatile Einspeisung von regenerativ erzeugtem Stroms – eine Entwicklung, die sich deutlich auf den Betrieb von Kraftwerks-Gasturbinen auswirkt. Auch auf den Einsatz von Brennstoffen zur Reduktion der CO2-Emissionen wird eingegangen.Die Herausgeber blicken beide auf langjährige Industrieerfahrung zurück. Für die Beiträge in dem Band haben sie zahlreiche erfahrene Experten gewonnen. Die Autoren kennen aus der täglichen Praxis die Probleme und Lösungen, die für die Qualität der Maschinen, den Betrieb und die Wartung der Anlage ausschlaggebend sind. Das Handbuch richtet sich sowohl an die Betreiber von Gasturbinen als auch an Konstrukteure und Hersteller von Komponenten. Etwa 500 Abbildungen, über 50 Tabellen, 300 Gleichungen und 600 Literaturangaben erleichtern das Verständnis.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Gasturbinentypen – eine Übersicht

Stationäre Gasturbinen sind kontinuierlich durchströmte ortsfeste Antriebsmaschinen mit hohen Leistungsdichten, die im Vergleich zu Abmessungen und Gewicht einen großen Energiebetrag umsetzen. Der Leistungsbereich umfasst die Spanne von nur wenigen Kilowatt für Mikrogasturbinen, z.B. in einer dezentralisierten Versorgungseinrichtung bis hin zu Leistungen von mehr als 250 MW als Bestandteil von kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozessen, wie sie in modernen Kombikraftwerken genutzt werden.

Alexander Wiedermann

2. Thermodynamische Grundlagen

Hier sollen die wesentlichen thermodynamischen Grundlagen von Gasturbinenprozessen erläutert werden. Anhand vereinfachter Betrachtungen werden die Zusammenhänge aufgezeigt, um damit das Verständnis der physikalischen und thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten zu vertiefen. Ein solides thermodynamisches Grundwissen wird dabei beim Leser vorausgesetzt, da das Kapitel kein Lehrbuch der Thermodynamik ersetzen kann. Es ist ebenfalls nicht beabsichtigt und auch gar nicht möglich, die Thermodynamik in Gasturbinenprozessen hier bis ins Detail zu beschreiben. Hierfür sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen (z.B. [2.1–2.3]). Die Thermodynamik bietet aber die Möglichkeit, mit Hilfe einfacher Berechnungsmethoden, globaler Systembetrachtungen und einiger weniger Voraussetzungen, die zudem nur geringe Einschränkungen der Gültigkeit mit sich bringen, bereits sehr gute Studien über Tendenzen und Auswirkungen verschiedener Maßnahmen durchzuführen. Von dieser Möglichkeit wird hier Gebrauch gemacht.

Jost Braun

3. GT-Kraftwerke

Die Gasturbine (GT) ist heute weltweit eine der wichtigsten Komponenten in der Energieversorgung. Ihr Einsatz reicht vom reinen Gasturbinenbetrieb zur Abdeckung von Spitzenlastbedarf und Sofortreserve mit wenigen Betriebsstunden im Jahr bis hin zu den kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozessen für den Mittel- und Grundlasteinsatz.Lagen vor etwa 25 Jahren die Gasturbinenwirkungsgrade noch bei 25 bis 28%, so erreicht man derzeit (Stand 2009) 40% und in der Kombination mit einer Dampfturbine nun bereits 60%. Wirkungsgrad, niedrige spezifische Investitionskosten, kurze Errichtungszeiten und niedrige Emissionen begründen die heutigen Erfolge von Gasturbinen in der Kraftwerkstechnik.

Lothar Balling

4. Aeroderivate

Für eine Reihe von Anwendungsfällen haben aus Triebwerken abgeleitete Gasturbinen, die man als Aeroderivate bezeichnet, ihren festen Anteil an der Energieerzeugung oder zum Antrieb stationärer Arbeitsmaschinen errungen. Bei den Aeroderivaten handelt es sich um eine weitgehende Übernahme des Kernteiles eines Flugtriebwerkes bestehend aus Mittel- und Hochdruckverdichter, der sie antreibenden Turbinenstufen sowie der Brennkammer. Durch den Ersatz der im Triebwerksbau zur Schuberhöhung eingesetzten Fanstufe mit einem Niederdruckverdichter kann man das so modifizierte Kerntriebwerk direkt als Gasgenerator einer stationären Gasturbine verwenden. Am Austritt aus der mit der Kompressorwelle gekoppelten Turbine besitzt das entspannte Verbrennungsgemisch noch ein Restdruckniveau von etwa 3–4 bar bei einer Gesamttemperatur um 700–800 °C, das dann über eine freie Nutzleistungsturbine, die häufig auf einer separaten Welle angeordnet ist, bis zum Umgebungsdruck entspannt werden kann. Die Gasgeneratoren werden von bekannten Triebwerken der führenden Flugtriebwerkhersteller General Electric (GE), Pratt & Whitney (PW) und Rolls Royce (RR) abgeleitet und von einem Systemlieferanten (package supplier) mit Nutzleistungsturbinen versehen, ausgerüstet, vertrieben und gewartet. Aufgrund der Mehrwelligkeit liegt die Abtriebsseite der Aeroderivate stets auf der Turbinenseite (hot end drive), während bei den in der Regel in einwelliger Bauform für die Energieerzeugung gebauten Industriegasturbinen wegen des sich an die Turbine anschließenden Abhitzekessels die Kompressorseite für den Abtrieb bevorzugt wird (cold end drive).

Alexander Wiedermann

5. Kraftwerkskomponenten

Die grundlegenden Aspekte von Hauptkomponenten eines Gasturbinenkraftwerkes werde in diesem Kapitel behandelt. Neben der Gasturbine selbst, die in anderen Kapiteln intensiv erörtert wird, sind dies: Turbogenerator, Wellenkupplungen, Getriebe und Wärmeabfuhrsysteme.Bei GuD-Anlagen kommen noch Dampfturbine, Abgasstrecke und Abhitzedampferzeuger hinzu.

Frank Rossig, Thomas Deeg, Hans-Gerd Brummel, Andreas Feldmüller, Georg Haberberger, Dieter Blanck, Joachim Böer, Klaus Sedlazek

6. Grundlagen der Strömungsmaschinen

Der Verdichter wird von der auf der gleichen Welle arbeitenden Turbine angetrieben. Er nutzt die ihm zugeführte mechanische Arbeit, um die Energie des ihn durchströmenden Luftstromes anzuheben. Seine Enthalpie wird erhöht, gepaart mit einer Steigerung von Druck und Temperatur. Als mechanisch angetriebene Maschine wird er zu den Arbeitsmaschinen gezählt.Die Turbine entzieht dem sie durchströmenden Gasstrom Energie und stellt sie als mechanische Arbeit an ihrer Welle zur Verfügung. Dabei sinkt die Enthalpie zusammen mit dem Druck und der Temperatur. Es vollzieht sich hier also der Umwandlungsprozess in umgekehrter Richtung wie im Verdichter. Als treibende Maschine wird sie zu den Kraftmaschinen gezählt.

Günther Dibelius

7. Verdichter

Aufgabe des Gasturbinenverdichters ist es, den ersten Schritt des Gasturbinenkreisprozesses zu erfüllen, d. h. Luft aus der Umgebung anzusaugen, auf das gewünschte Druckniveau zu verdichten und der Gasturbinenbrennkammer zur weiteren Temperatursteigerung zuzuführen. Die benötigte Antriebsleistung wird über die Welle zugeführt und über die Beschaufelung an das Fluid übertragen.

Reinhard Mönig, Ulrich Waltke

8. Axialturbinen

Die Turbine von stationären Gasturbinenanlagen unterscheidet sich von der in Fluggasturbinen neben der Größe in zwei weiteren, wesentlichen Punkten:- Die stationäre Anlage läuft einen großen Teil ihrer Lebenszeit unter Volllast. Damit wird die Beschaufelung fast ständig der max. Auslegungstemperatur am Brennkammeraustritt ausgesetzt. Dagegen muss die Triebwerksturbine praktisch nur während der Startphase und damit nur einen sehr kleinen Bruchteil ihrer gesamten Einsatzdauer unter diesen Extrembedingungen arbeiten.- Die dadurch für den industriellen Einsatz notwendige robustere Konstruktion bedingt höhere Wärmespannungen mit entsprechend negativem Einfluss auf die LCF-Lebensdauer.

Konrad Vogeler, Herbert F. J. Bals

9. Grundlagen der Verbrennung in stationären Gasturbinen

In den Kap. 10–13 wird anhand ausgeführter Beispiele die Technologie der Gasturbinenbrennkammern und ihrer Peripherie beschrieben. Der heutige Stand ist das Ergebnis einer simultanen Optimierung mehrerer in Brennkammern ablaufender Teilprozesse. Wenn die Evolution der Brennkammertechnik auch zu teilweise sehr unterschiedlichen technischen Lösungen geführt hat, besteht doch eine große Ähnlichkeit in der Weise, wie die Teilprozesse in den Brennkammern ablaufen und miteinander wechselwirken. Auf diese gemeinsamen verbrennungstechnischen Grundlagen soll nachfolgend phänomenologisch beschreibend eingegangen werden, um die Basis für das Verständnis der individuellen Brennkammerdesigns zu schaffen.

Thomas Sattelmayer

10. Technische Verbrennungssysteme

Anhand des thermodynamischen Kreisprozesses soll das Verbrennungssystem von stationären Gasturbinen in erster Linie nur „heiße Luft“ erzeugen. Entsprechend waren bei Gasturbinen älterer Bauart die Anforderungen an das Verbrennungssystem moderat, und die Konstruktion hatte keinen hohen Entwicklungsaufwand erfordert. Durch die enorme Steigerung der Turbineneintrittstemperaturen bei hocheffizienten Gasturbinen und die verschärften Abgasvorschriften entwickelte sich die Gasturbinenverbrennungstechnik aufgrund der vielfältigen im Folgenden genannten Anforderungen zur Schlüsseltechnologie.

Adnan Eroglu, Jaan Hellat, Werner Krebs

11. Brennstoff, Brennstoffsystem und Fahrkonzept

Das Brennstoffsystem stellt die Verbindung her zwischen dem Brennstoffreservoir (i.d.R. eine Erdgaspipeline oder ein Heizöltank) und dem Brennstoffverbraucher, den Brennern bzw. der Brennkammer der Gasturbine. Aufgabe des Brennstoffsystems ist es, den Brennern in jeder Betriebssituation die erforderliche Brennstoffmenge in der richtigen Qualität und Quantität zur Verfügung zu stellen.

Eberhard Deuker, Jaan Hellat, Wolfgang Kroll

12. Vergasung fester und flüssiger Brennstoffe

Gasturbinen werden bis heute noch fast ausschließlich zur Verstromung von Erdgas oder Heizöl eingesetzt. Die Vorschaltung einer Vergasungsanlage ermöglicht auch die Nutzung von festen oder flüssigen Brennstoffen wie Kohle oder Raffinerierückständen, die sonst nicht direkt in einer Gasturbine bzw. GuD-Anlagemit hohem Wirkungsgrad umgesetzt werden könnten. Diese Kopplung aus Vergasungsanlage mit nachgeschalteter Gasreinigung und anschließender Nutzung des gereinigten Synthesegases (Syngas) in einer GuD-Anlage wird als IGCC-Kraftwerk (IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle) bezeichnet.

Andreas Heilos, Jaan Hellat, Michael Huth, Jürgen Karg

13. Besonderheiten des Betriebs mit Schweröl, Naphtha und Kondensaten

Brennstoffe, deren Einsatz in Gasturbinen eine Anpassung von Hilfsanlagen, Brenner oder zusätzliche Aufbereitungsmaßnahmen gegenüber der Anwendung von Standard-Flüssigbrennstoff bedeuten, werden als Sonderbrennstoffe bezeichnet. Sonderbrennstoffe dienen in der fossilen Energieerzeugung im Gasturbinen- wie auch im kombinierten Gas- und Dampfturbinen (GuD) Kraftwerk in vielen Fällen als Ausweichbrennstoffe zu den konventionellen Brennstoffen Erdgas und Heizöl und werden mit Schwerpunkt dann eingesetzt, wenn als Folge lokaler Preispolitik solche Sonderbrennstoffe wirtschaftlich sind und den Zusatzaufwand rechtfertigen, der für Brennstoffaufbereitung, Systeme und Verbrennung damit in der Regel verbunden ist. Eine Alternative zum Standard-Flüssigbrennstoff Leichtes Heizöl (siehe Kap. 11.2.2) bilden die Produkte der Verarbeitung von Rohöl in Raffinerien (siehe Abb. 13-1).

Jaan Hellat, Roger Waldinger

14. Konstruktion, Berechnung und Fertigung von Verdichterschaufeln

Die Auslegung der Beschaufelung eines Axialverdichters ist ein iterativer Prozess, bei dem die Aerodynamik (s. Kap. 7), die Konstruktion, die Berechnung und die Fertigung so aufeinander abgestimmt werden, dass sämtliche Auslegungsrichtlinien und -kriterien erfüllt werden. In diesem Prozess wird der erste geometrische Entwurf für die Beschaufelung durch den Aerodynamiker erstellt, wobei mechanische und konstruktive Erfahrungswerte bereits hier mit einfließen. Die konstruktive Umsetzung stellt den zweiten Schritt dar. Zusammen mit dem Konstrukteur trifft der Berechner die Werkstoffauswahl, um anschließend eine Nachrechnung der Auslegung mit dem Ziel durchzuführen, die statische und die dynamische Festigkeit des Bauteils zu überprüfen. Parallel zur Berechnung klärt der Konstrukteur, ob der vorgestellte Entwurf in der Fertigung zu realisieren ist. Falls alle Kriterien erfüllt sind, ist der Entwurfsprozess abgeschlossen, die Fertigung wird eingeleitet und, falls notwendig, die experimentelle Absicherung der Bauteile geplant, durchgeführt und ausgewertet.

Bernd van den Toorn, Ulf D. Köller, Horst Saathoff

15. Turbinenbeschaufelung

In stationären Gasturbinen werden Axialturbinen eingesetzt, um die Energie des aus der Brennkammer strömenden Heißgases in mechanische Arbeit umzuwandeln. Im Heißgaskanal wird zwischen feststehenden Leitschaufeln, rotierenden Laufschaufeln und feststehenden Gehäusesegmenten unterschieden. Die Leitschaufeln dienen der Strömungsumlenkung. Durch die Umlenkung der Strömung in den rotierenden Laufschaufeln wird der Rotor in Bewegung versetzt und gibt die Leistung an Verdichter und Generator ab. Die Gehäusesegmente begrenzen zusammen mit den Plattformen der Leit- und Laufschaufeln den Strömungskanal.

Herbert F. J. Bals, Hans-Thomas Bolms

16. Sekundärluftsystem

Das Sekundärluftsystem beschreibt alle Strömungswege durch die Gasturbine, die neben dem primären Gaspfad bestehen. Der primäre Gaspfad führt vom Ansaugtrakt der Gasturbine durch die Verdichterbeschaufelung, die Brennkammer und die Turbinenbeschaufelung in den Abgaskanal.

Arnd W. Reichert

17. Turbinenschaufel-Kühlung

Eine der wirkungsvollsten Methoden zur Steigerung der Leistungsdichte und des thermischen Wirkungsgrades einer Gasturbine im Kombiprozess besteht in der Anhebung der Turbineneintrittstemperatur (s. auch Kap. 2). Abbildung 17-1 zeigt die Entwicklung der Eintrittstemperatur seit 1950. Man erkennt, dass zu Beginn der 50er-Jahre die Gasturbinenschaufeln ohne eine aktive Kühlung auskamen. Dies lag natürlich an den niedrigen Heißgastemperaturen von rund 1000 K, die am Eintritt der Turbine auftraten. Die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Gasturbinen mit höheren thermischen Wirkungsgraden verlangte aber gerade eine Steigerung der Eintrittstemperatur in die Turbine.

Bernhard Weigand

18. Läuferbauformen

In den Bauformen des Gasturbinenläufers wird die Entwicklungsgeschichte dieses Maschinentyps widergespiegelt (vgl. Kap. 1). Bei der ersten industriellen Gasturbine, die im Jahre 1939 von der damaligen BBC gebaut wurde, hatten das Verdichter und das Turbinengehäuse eine horizontale Trennebene, so dass der Läufer als Ganzes eingelegt werden konnte. Er war bereits damals unlösbar aus einzelnen Scheiben zusammengeschweißt, eine Technik, die bei BBC seit 1929 üblich war.

Michael Müller, Manfred Janssen, Joachim Schulte

19. Statische und dynamische Auslegung des Turbinenläufers

Das Einhalten der mechanischen Integrität sowohl in der statischen als auch in der dynamischen Auslegung ist die Hauptaufgabe bei der Auslegung des Turbinenläufers. Für die statische Auslegung werden die mechanischen und thermischen Beanspruchungen von Rotorbauteilen anhand von analytischen Gleichungen erläutert. Anschließend wird die Festigkeitsbewertung auf Basis von zeitunabhängigen und zeitabhängigen Spannungsgrenzwerten aufgezeigt. Für die Läuferkomponenten ist zum einen die Bewertung mittels Anrißlebensdauer wichtig und zum anderen die Durchführung einer bruchmechanischen Bewertung von zu unterstellenden Fehlstellen in den Bauteilen. Bei der dynamischen Auslegung stehen die Schwingungseigenschaften des Läufers und die daraus resultierenden dynamischen Lasten im Vordergrund. Zum Abschluß wird erläutert, welche Anforderungen an warmfeste und hochwarmfeste Werkstoffe gestellt werden, um die erläuterten Auslegungskriterien für Läuferbauteile einzuhalten. Dazu gehören unter anderem die Kriechfestigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Schweißbarkeit von Läuferkomponenten.

Ekkehard Maldfeld, Michael Müller

20. Gehäuse und Leitzeug

Die Gehäuse der Gasturbine unterliegen sehr unterschiedlichen Belastungen und müssen sehr vielfältige Anforderungen erfüllen. Zunächst werden Aspekte der konstruktiven Ausführung in einschaligen und mehrschaligen Gehäusen dargelegt. Es werden die verschiedenen Konstruktionsprinzipien wie Gussgehäuse und geschweißtes Gehäuse erläutert. Weiterhin werden die Werkstoffaspekte für die verschiedenen konstruktiven Anforderungen wie z.B. Kriechbeständigkeit, Zunderbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie Verschleißschutzschichten und Wärmedämmschichten diskutiert. Die prinzipielle Vorgehensweise für den Festigkeitsnachweis von schalenförmigen Gehäusebauteilen wird mithilfe von analytischen Lösungen zur Vordimensionierung aufgezeigt. Da die großen stationären Gasturbinen ein horizontal geteiltes Gehäuse haben, wird auch auf das Konstruktionselement Schrauben, insbesondere die Flanschverschraubung, eingegangen. Abschließend werden auch die Anforderungen an die dynamische Auslegung der Gehäuse erläutert.

Ekkehard Maldfeld, Michael Müller

21. Spalte

In diesem Kapitel werden in Abgrenzung zu den verschiedensten Füge- und Dehnspalten einer Gasturbine nur die Radial- und Axialspalte oder -spiele zwischen Rotor und Stator behandelt. Diese Spalte sind aufgrund der Relativbewegung zwischen Rotor und Stator erforderlich. Sie sind in zweierlei Hinsicht von Bedeutung für den Betrieb der Gasturbine: der durch diese Spalte dringende Leckagemassenstrom hat großen Einfluss auf die Leistungsdaten der Gasturbine. Die in möglicherweise zu eng gewählten Spalten auftretenden Anstreifvorgänge können zu Bauteilschäden führen. Dies kann zum einen die Beschaufelung, zum andern auch die Welle und die Wellendichtungen betreffen. Die möglichen Folgen des Anstreifens für das Schwingungsverhalten werden in Kap. 30.7 behandelt.

Arnd W. Reichert

22. Lagerung – Grundlagen und konstruktive Gestaltung

Die Gleitlager bilden die Schnittstelle zwischen dem Läufer mit Laufbeschaufelung und dem Gehäuse mit Leitbeschaufelung. Ihre Aufgabe ist die Positionierung dieser Komponenten zueinander (Einhaltung der Spiele), sowohl in radialer als auch in axialer Richtung, und das Übertragen statischer sowie dynamischer Kräfte (Gewichtskraft des Läufers, Unwuchtkräfte). Der Ölfilm der Gleitlager dämpft durch unvermeidliche Restunwuchten bedingte Rotorschwingungen; er kann jedoch seinerseits selbsterregte Schwingungen verursachen, die bei geeigneter Auslegung vermieden werden. Die Gleitlager spielen daher für das Systemverhalten und die Betriebssicherheit des Turbosatzes eine wichtige Rolle. Mit der Weiterentwicklung stationärer Gasturbinen zu Einheiten größerer Leistung und Leistungsdichte wachsen die Anforderungen an die Gleitlager, die bei immer höheren Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden und deren spezifische Belastung steigt.

Frank Böckel, Stefan M. Verstege

23. Keramische Komponenten

In diesem Kapitel wird ein Überblick über die Betriebserfahrungen mit vollkeramischen Isolationselementen in den Brennkammern großer stationärer Gasturbinen gegeben.Prinzipiell besteht bei der Entwicklung von Gasturbinen die Aufgabe, steigende Wirkungsgrade bei immer strenger limitierten Emissionen zu erzielen. Die Höhe der Verbrennungstemperatur ist durch die gesetzlich vorgegebenen Begrenzungen der NOx-Emissionen beschränkt. Die Mitteltemperatur im Heißgaspfad lässt sich daher nur über die Reduktion der für die Kühlung der heißgasführenden Bauteile verbrauchten Verdichterluft erhöhen. Das kann sowohl durch höhere Materialtemperaturen, durch verfeinerte Kühlkonzepte als auch durch die Verringerung der zu kühlenden Oberflächen realisiert werden. Am Beispiel der Entwicklung der Siemens-Gasturbinen lässt sich verfolgen, wie das Volumen der Brennkammern über die Generationen von der SGTX-2000E (früher VX4.2) über die VX4.3 bis hin zur SGTX- 4000F (früher VX4.3A) minimiert wurde (Abb. 23-1).

Wolfgang Kollenberg, Uwe Rettig, Christine Taut, Holger Grote

24. Korrosion und Beschichtungen

Stationäre Gasturbinen operieren in unterschiedlichsten geografischen Umgebungen und mit verschiedenen Brennstoffen unterschiedlicher Qualität (vgl. hierzu Kap. 3 und 11). Hieraus können Korrosionserscheinungen an den GT-Komponenten resultieren.Die wichtigsten Korrosionsarten in Gasturbinen sind Nasskorrosion im Ansaug- und Verdichterbereich sowie Hochtemperaturkorrosion/Oxidation im heißgasführenden Bereich, d. h. der Brennkammer und der Turbinenbeschaufelung. Sonderfälle von Korrosionsangriffen – z. B. Spannungsrisskorrosion an Schweißnähten in Brennstoffleitungen – sind von untergeordneter Bedeutung.

Norbert Czech

25. Hochtemperatur-Schaufelwerkstoffe

Die Entwicklung der stationären Gasturbine, insbesondere die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Turbinenbeschaufelung, war viele Jahre lang eng mit der Entwicklung von Flugtriebwerken verknüpft. Drei wesentliche Entwicklungen haben den Fortschritt bestimmt:- Die Weiterentwicklung hochwarmfester Werkstoffe von den Eisen- und Kobaltbasislegierungen hin zu den ausscheidungshärtenden Nickelbasislegierungenmit hohem γ’-Anteil,- die Entwicklung der Herstelltechnologie vom Schmieden über den Präzisionsfeinguss unter Vakuum zur Technologie der gerichteten und einkristallinen Erstarrung auch größerer Schaufeln und- die Entwicklung der Schaufelkühlung.

Christina Berger, Hermann W. Grünling

26. Normung

Die Industriegasturbine hat in den letzten Jahrzehnten eine dramatische Verbesserung ihrer Leistungerfahren. Gleichzeitig wurde durch Anhebung der Temperatur und der Komponentenwirkungsgrade der Wirkungsgrad des Kombiprozesses in die Nähe von 60% gebracht. Dies war nur durch den Einsatz leistungsfähiger Berechnungsverfahren, innovativer Materialien und ihrer höheren Ausnutzung möglich, weil sie nicht in ein festes Regelwerk von Gestaltungs- und Berechnungsvorgaben gezwängt wurden.

Bernard Becker

27. Montage

Die Montage des Turbosatzes am Bestimmungsort (erection) erfordert im Vorfeld die Schaffung einer geeigneten Baustelleninfrastruktur. Vor Beginn der Montage sind der Bauplatz und die Zwischenlagerplätze für Teile und Komponenten herzurichten, Transport- und Hebeeinrichtungen sind bereitzustellen und die Standorte für Werkzeugcontainer und Spezialwerkzeuge festzulegen. Geeignete Büro- und Arbeitsplätze für das Baustellenpersonal müssen vor Beginn der Montage bereit stehen.

Willi Paschmann

28. Ausrichten des Wellenstrangs

Das Ausrichten des Wellenstrangs eines Turbomaschinensatzes hat zum Ziel, eine vertraglich festgelegte Güte des Laufzustandes abzusichern bzw. die Voraussetzungen zu schaffen, die für den geforderten Laufzustand notwendig sind. Obwohl die Einzelwellen wie der Gasturbinenrotor und der Generatorrotor i.d.R. bereits in den Herstellerwerken ausgewuchtet werden, kann das Kuppeln der Einzelwellen zusätzliche Störgrößen (Unwuchten) erzeugen. Um hier ein akzeptables Minimum zu erreichen, sollte das Ausrichten des Wellenstrangs möglichst präzise erfolgen.

Willi Paschmann

29. Inbetriebsetzung

Die Inbetriebsetzung ist die Überführung einer Anlage vom Ruhe- in den Betriebszustand. Ziel der Inbetriebsetzung (IBS, engl.: Commissioning) ist es, dem Kunden eine erstmalig zur Aufnahme des bestimmungsgemäßen Betriebes betriebsbereite Anlage zu übergeben [4, 5].Die Inbetriebsetzung einer Gasturbine beginnt nach Abschluss der Montage und ist, einschließlich der Abnahmemessung und des Probebetriebes, der letzte Abschnitt eines Neuanlagenprojektes vor der Übergabe an den Kunden. Mit der Übernahme durch den Kunden beginnen gleichzeitig sowohl die Garantiephase als auch der offizielle, kommerzielle Betrieb der Anlage.Alle Vorleistungen laufen bei der IBS wie in einem Brennglas zusammen. Deren perfektes Zusammenspiel wird bei der IBS gewissenhaft geprüft und intensiv erprobt.

Michael Wegen

30. Maschinendynamik

Da es im Rahmen dieses Gasturbinenhandbuches nicht möglich ist, alle rotordynamischen Schwingungserscheinungen umfassend zu erläutern, soll dem praktisch tätigen Betriebsingenieur ein Überblick gegeben werden über das maschinendynamische Verhalten von Gasturbosätzen unter den sich im Betrieb einstellenden Gegebenheiten, wobei viele Verhaltensweisen nur in ihren Ergebnissen dargestellt werden können.Die Rotordynamik erfordert bekanntlich viel Mathematik und Mechanik, auf die hier aber verzichtet werden soll. In der Hochschule wird das Aufstellen und Lösen von Differenzialgleichungen mit gegebenen Parametern gelehrt. Der praktisch tätige Ingenieur steht indessen vor der Lösung der Differenzialgleichung in Form von zu interpretierenden Schwingungen seiner Maschine und es stellt sich ihm die Aufgabe, diejenigen Parameter herauszufinden, die von den vorgegebenen Werten abweichen.Dieses Kapitel stellt in komprimierter Form die vieljährige Erfahrung des Autors als Turbinenversuchsingenieur eines bekannten Herstellers von Dampf- und Gasturbinen in Südwestdeutschland dar. Viele der hier angerissenen Themen gelten allgemein für thermische Turbomaschinen. Bezüglich weiterführender Literatur sei auf Gasch et al. [1], Krämer [2, 3] und die VDI-Richtlinie 3839 [7] verwiesen.

Peter Wutsdorff

31. Abnahmemessungen

Abnahmemessungen an Gasturbinen finden i.Allg. statt, um vertraglich garantierte Betriebseigenschaften der Maschine nachzuweisen. Bei Anlagen mit reinem Gasturbinenbetrieb handelt es sich dabei meist um die elektrische Leistung an den Generatorklemmen sowie den Wirkungsgrad, gebildet aus elektrischer Leistung und zugeführtem Brennstoffenergiestrom. Darüber hinaus werden i.d.R. Emissionsmessungen zum Schadstoffausstoß und zur Schallausbreitung durchgeführt. Wird die Gasturbine in einem Kombikraftwerk betrieben, so können auch ihre Abgasgrößen, Massenstrom und Temperatur, Gegenstand der Abnahmemessung sein. Dieses Kapitel befasst sich im Wesentlichen mit den nachzuweisenden thermodynamischen Größen, da diese fast immer den Hauptanteil der Messkampagne ausmachen.Ziel der Messung ist also, die garantierten Größen und alle Randbedingungen der Garantie, z. B. Umgebungszustände, zu bestimmen. Liegen diese Daten vor, so können die nachzuweisenden Eigenschaften auf die Garantierandbedingungen umgerechnet und mit den vertraglich zugesicherten Werten verglichen werden.

Klaus Werner, Ulrich Wepler

32. Systematik der Erprobung

Für die Erprobung schwerer stationärer Gasturbinen existieren, abgesehen von den Normen zur Durchführung der Abnahmemessungen vor Übergabe der Gasturbine an den Kunden, die in Kap. 31 beschrieben werden, keine Normen oder Regelwerke (s. auch Kap. 26). Sowohl die Erprobung innovativer Komponenten einer Gasturbine als auch die Erprobung einer Neuentwicklung einer kompletten Gasturbine ist dem Hersteller überlassen. In diesem Kapitel sollen die Typen von Versuchsanlagen beschrieben werden, die zur Erprobung des vielschichtigen Systems „Gasturbine“ genutzt werden.

Christof Lechner, Jochen Lütche

33. Versuchsmesstechnik

Der Anteil der Mess- und Leittechnik an den Kosten eines modernen Gasturbinenkraftwerkes nimmt seit Jahren beständig zu. Betriebsmessstellen wie beispielsweise für Temperaturen, Drücke, Ventilstellungen und Durchflüsse sind für die Lebensdauer der Gasturbine vorgesehen und liefern ihre Informationen kontinuierlich an die Leittechnik. Diese stellt dann die Betriebsparameter automatisch so ein, dass jederzeit ein sicherer, zuverlässiger und umweltfreundlicher Betrieb der Gasturbinenanlage gewährleistet ist.

Stefan Frank, Jochen Lütche, Frank Woditschka

34. Stationäres Betriebsverhalten

Üblicherweise geben Gasturbinenhersteller für ihre Gasturbinentypen charakteristische Kennwerte wie Nennleistung und Wirkungsgrad an. Diese Werte gelten aber nur für ganz bestimmte Referenzbedingungen. Jede Abweichung hinsichtlich Umgebungsbedingungen (T∞, η∞, φ∞), Brennstoff (Typ, unterer Heizwert Hu und Zusammensetzung), Zustand des elektrischen Netzes (cos φ, f) und Druckverluste der Luftzufuhr (∆pein) sowie der Abgasabführung (∆paus) führt zu Änderungen dieser Kennwerte. Neben diesen Parametern, welche im Normalfall durch den Aufstellungsort, die meteorologischen Bedingungen und die Kraftwerkskonfiguration gegeben sind, können der Lastzustand einer Gasturbine und damit die Leistungskennwerte durch Änderung von Regelungsparametern im Rahmen der Betriebsgrenzen beeinflusst werden. Als wichtigste Parameter zur Lastregelung sind hier die Turbineneintrittstemperatur (TET), der Verdichteransaugmassenstrom (mein) sowie die Wasser- bzw. Dampfeinspritzung zu nennen.

Andreas Bauer, Robert Marmilic, Stefan Rofka

35. Automatisierungstechnik

Die Gasturbinenautomatisierungstechnik umfasst alle Einrichtungen der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik sowie die elektronischen Schutzeinrichtungen, die für den optimalen Betrieb des Gasturbosatzes in allen Betriebsarten und bei allen Umschaltvorgängen erforderlich sind. Infolge der zunehmenden Komplexität moderner Gasturbosätze und der vielfach sehr schnell ablaufenden dynamischen Vorgänge nehmen die Möglichkeiten zum manuellen Eingreifen durch das Betriebspersonal ab. Die Folge ist ein nahezu vollautomatischer Betrieb im modernen Gasturbinenkraftwerk, in dem es im Wesentlichen dem Zusammenwirken der projektierten Hard- und Software der Prozessrechnersysteme überlassen bleibt, wie die Gasturbine betrieben wird. Dieses Kapitel enthält Informationen über Reglerstrukturen, die Steuerung des An- und Abfahrens und Schutzkonzepte. Auch wird auf Normen zur Automatisierung und Sicherheit Bezug genommen.

Olaf Drobner, Andreas Pahl

36. Ferndiagnose von Kraftwerks- und Gasturbinenanlagen

In den vergangenen Jahren haben in der Kraftwerkswirtschaft bedeutende Veränderungen in den Beziehungen zwischen Herstellern von Turbomaschinen und deren Kunden stattgefunden. Diese Änderungen haben zu neuen Formen der Zusammenarbeit speziell im Servicegeschäft geführt. Die Ferndiagnose durch den Hersteller ist eines der Ergebnisse dieser Entwicklung, auf die im Rahmen dieses Kapitels näher eingegangen werden soll.

Hans-Gerd Brummel

37. Betriebsdatenanalyse

Für Planung und Einsatz technisch komplexer Systeme besitzt die Kenntnis ihres Betriebs- und Ausfallverhaltens große Bedeutung, da eine Vielzahl von sicherheitstechnischen, betriebswirtschaftlichen und wettbewerbsspezifischen Kennzahlen von diesen Eigenschaften beeinflusst werden.

Ayhan Inceoglu, Christopher Steinwachs

38. Wartung, Inspektionen und Ersatzteilkonzepte

Stationäre Gasturbinen nutzen atmosphärische Luft als Arbeitsfluid sowie die direkte Einspritzung des Brennstoffs in die verdichtete Luft; sie erfahren somit durch deren Schadstoff- und Staubbelastung Verschmutzungen und Korrosion. Weitere Kennzeichen dieser Gasturbinen sind die hohen Arbeitstemperaturen, die zu Wärmespannungen und Materialermüdung sowie zu Oxidation an den Heißteilen führen. Damit stellt der Gasturbinenprozess hohe Anforderungen insbesondere an die Heißteile.

Gerhard Bohrenkämper

39. Modernisierungen im Gasturbinenservice

Ähnlich anderen Wärmekraftwerken wird für Gasturbinenkraftwerke eine Nutzungsdauer von 30 bis 40 Jahren zu Grunde gelegt. In diesem Zeitraum altert eine Gasturbinenanlage. Verglichen mit dem Auslieferungszustand, nehmen Wirkungsgrad und Leistung deutlich ab und Schadstoffemissionen können ansteigen. Andererseits drängen hocheffiziente und schadstoffarme Gasturbinen der neuesten Generation auf den Markt. Sie repräsentieren den aktuellen Stand der Technik und treiben damit die Herabsetzung der Genehmigungswerte für Schadstoffemissionen an. Möglicherweise genießen sie darüber hinaus aufgrund ihrer Effizienz Steuervorteile. Da außerdem die modernen Gasturbinenanlagen in der Zeit der Liberalisierung des Strommarktes, des Markteintritts unabhängiger Stromerzeugungsunternehmen und des verschärften Wettbewerbs bezüglich Betriebsführung und Instandhaltung erfolgreich optimiert werden, drohen im Vergleich dazu die älteren GT-Kraftwerke technisch und wirtschaftlich unattraktiv zu werden.

Gerhard Bohrenkämper

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