Bau und Berechnung der Dampfturbinen

96 Pages·1919·6.687 MB·German

by  Franz Seufert

Bau und Berechnung
der Dampfturbinen
Eine kurze Einfiihrvng
Franz Senfert
Ingenieur, Oberlehrer an der staatl. hoheren Maschinenbauschule
in Stettin
:Mit 54 Textabbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
ISBN 978-3-662-42084-3 ISBN 978-3-662-42351-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-42351-6
Alle Rechte, insbesondere das der
Ubersetz ung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1919 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Vorwort.
Mit diesem Werkchen wollte ich dem Lernenden eine Grund
lage für das Verständnis der Wirkungsweise der Dampfturbinen
geben und den künftigen Dampfturbinenkonstrukteur für das Studium
umfassender Werke, wie Stodola, Pohlhausen usw., vorbereiten. Der
Schwierigkeiten wohl bewußt, auf kleinem Raum das Wesentliche
zu bringen, mußte ich einerseits manche Vernachlässigung begehen
und auf eingehende Behandlung wichtiger Theorien verzichten,
andererseits aber manche Vorgänge, die nach Formeln nicht ohne
Weiteres verständlich sind, durch Zahlenbeispiele näher erläutern.
Die Berechnung der Laufradscheiben, obwohl sie etwas verwickelt
ist, glaubte ich nicht weglassen zu dürfen, dagegen habe ich die
beschreibenden Teile nach Möglichkeit abgekürzt. Aus diesem
Grunde habe ich die Ausführungen von nur einigen wenigen Firmen
gebracht, denen ich für die Überlassung der Abbildungen auch an
dieser Stelle meinen besonderen Dank zum Ausdruck bringe.
Stettin 1919.
Seufert.
Inhaltsverzeichnis.
Erster Teil.
Wirkungsweise der Dampfturbinen.
Seite
I. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
II. Wirkung des Dampfes auf die Laufradschaufel · · · 3
HI. Unterschied zwischen Gleichdruck- und Überdruckturbine 4
IV. Mehrstufige Turbinen . . . . . . . . 6
a) Überdruckturbine mit Druckstufen · . . . . . 7
b) Gleichdruckturbine mit Druckstufen . . . . . 9
c) Gleichdruckturbine mit Geschwindigkeitsstufen 11
Übersicht über die Turbinensysteme · · . 13
Zweiter Teil.
Aufbau der Dampfturbinen.
I. Allgemeines . . . . . 17
11. Hauptteile . . . . . . . . . . . . . . . . 19
a) Welle und Laufzeug . . . . . ..... 19
b) Gehäuse mit Leitapparaten und Stopfbüchsen 21
c) Lager .. 26
d) Regelung 28
e) Ölpumpen 32
f) Kondensation 33
Dritter Teil.
Berechnung der Dampfturbinen.
I. Formeln aus der Wärmelehre des Wasserdampfes · 35
II. Die Lavaische Düse . . . . . . . . . . . . 38
a) Ohne Berücksichtigung der Dampfreibung 38
b) Mit Berücksichtigung der Dampfreibung 42
lli. Energie-Umsatz im Gleichdrrick-Laufrad 44
a) Verluste . . . . . . . . . . . . . . 44
b) Indizierter Wirkungsgrad . . . . . . 45
c) Effektiver Wirkungsgrad und Dampfverbrauch 48
d) Berechnung der einstufigen Gleichdruckturbine 49
Inhaltsverzeichnis. V
Seite
e) Berechnung der Gleichdruckturbine mit Geschwindigkeits
stufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
f) Berechnung ·der Gleichdruckturbine mit Druckstufen ohne
Geschwindigkeitsstufung . . . . . . . . . . . . . . . . 56
g) Berechnung der Gleichdruckturbine mit Druckstufen und vor
geschaltetem Geschwindigkeitsrad . . . . . . . . . . . . 61
h) Berechnung der mehrstufigen Überdruckturbine mit vor
geschaltetem Geschwindigkeitsrad . . . . . . . . . . . . 62
Vierter Teil.
Berechnung wichtiger Einzelteile.
I. Welle . 67
II. Laufrad 71
Fünfter Teil.
Turbinen für besondere Zwecke.
I. Abdampfturbinen · 82
II. Gegendruckturbinen 84
III. Schiffsturbinen . . 85
Erster Teil.
Wirkungsweise der Da1npfturbinen.
I. Allgemeines.
In den Kolbenmaschinen gibt der Dampf sein Arbeits
vermögen dadurch ab, daß er vermöge seines Überdruckes einen
Kolben hin und her bewegt, der durch ein Kurbelgetriebe die Arbeit
auf eine umlaufende Welle überträgt. Die potentielle Energie
des Dampfes, vermindert um die unterwegs
durch Reibung der Getriebeteile, Konden
sation und Abwärme entstehenden Verluste,
erscheint als lebendige Energie an der
Kurbelwelle. In den Dampfturbinen da
gegen wird dem Dampf lebendige Energie
unmittelbar entzogen und durch ein Schaufel
rad auf eine Welle übertragen. Der Grund
gedanke einer Dampfturbine von einfachster
Form ist in Fig. 1 dargestellt. Auf dem
Umfang einer Seheibe sitzen radial stehende,
l<'ig. 1.
gebogene Schaufeln; die Abwicklung des
Schaufelkranzes zeigt der Grundriß. Ein Dampfstrahl strömt aus
einem feststehenden Leitapparat mit der Geschwindigkeit c unter
dem Winkel a seitlich gegen den Radkranz. Durch die Biegung
1
der Schaufeln wird der Dampf gezwungen, seine Geschwindigkeit
nach Richtung und Größe zu ändern und dadurch an das Laufrad
den Teil seiner lebendigen Energie abzugeben, welcher der Ände
rung der Größe seiner Geschwindigkeit entspricht, natürlich abzüg
lich der Reibungsverluste.
Bezeichnet man mit
A, den Wärmeinhalt von 1 kg Dampf,
1
T = 427 mkg das mechanische Wärmeäquivalent,
Seufert, Dampfturbinen. 1
2 Wirkungsweise der Dampfturbinen.
dann könnte 1 kg Dampf eine theoretische Arbeit von
).,
L = A = 427 A. mkg
leisten.
Beispiel: Die theoretische Arbeit von 1 kg Sattdampf von 11 Atm.
Überdruck ist für
.l.=668 WE.,
L = 427· . 668 "' 285 000 mkg;
also für eine sekundliehe Dampfmenge von 1 kg
N = __.!:__ = ~8500~ = 3800 PS.
75 75 .
Die wirklich erreichbare Leistung ist wegen der Verluste viel kleiner.
Würde der Dampf reibungslos mit der Geschwindigkeit c in
das absolute Vakuum ausströmen, dann würde sich sein gesamtes
Arbeitsvermögen in lebendige Energie umsetzen; die lebendige Energie
vo11 1 kg Dampf würde also
1 c2
L~g·2
sein, welcher Wert mit der aus dem Wärmeinhalt oben berechneten
Arbeit
L= J._
A
übereinstimmen müßte. Durch Gleichsetzung der beiden Werte für L
1 c2 ).,
--g·2=T
ergibt sich eine Gleichung zur Berechnung der theoretischen
Ausströmgeschwindigkeit c aus dem Leitapparat; also
c=y2!).,·
Beispiel: Fürv da s obige Beispiel wird
c = 2. 9,81 . 668 . 427 = 2370 mfsek.
Praktisch wird, wie später gezeigt wird, c viel kleiner, weil der Dampf
nicht in das absolute Vakuum ausströmt und Reibungsverluste erfährt.
Bezeichnet man die absolute Eintrittsgeschwindigkeit des
-Dampfes in das Laufrad, die mit der Ausströmgeschwindigkeit aus
dem Leitapparat identisch ist, mit c und die absolute Austritts
1
geschwind!ig k·e it aus dem Laufrad mit ~. dann ist
L1 = c~i die lebendige Energie von 1 kg Dampf vor dem
Eintritt in das Laufrad,
Allgemeines. - Wirkung des Dampfes auf die Laufradschaufel. 3
g1 · -c- }2
L2 = die lebendige Energie, die 1 kg Dampf beim V er-
lassen des Laufrades noch besitzt.
Demnach gibt 1 kg Dampf die Arbeit
c12- ~2
L=Ll-L2= 2g
an das Laufrad ab.
Beispiel: Es sei die ·wirkliche Eintrittsgeschwindigkeit
c1 = 1000 mfsek.,
ferner c2 = 200
1000'-2002
dann ist L = 2 . 9,81 ~ 49 000 mkg.
Strömt sekundlich 1 kg Dampf in die Turbine, dann ist ihre Leistung
N = 49000 = 653 PS.
75
und der stündlfche Dampfverbrauch für 1 PS.
D = 1 . 360()_ = 3600 = 5 5 k
N 653 ' g.
11. Wirkung des Dampfes auf
die LaufradschaufeL
Diese geht in ihrer einfachsten
Weise aus Fig. 2 hervor.
Die absolute Geschwindigkeit des
unter dem Winkel a gegen die Lauf
1
radebene eintretenden Dampfes sei c1, r
die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufel
kranzes u. Durch Zeichnen eines Pa
rallelogramms ergibt sich die relative
Dampfeintrittsgeschwindigkeit w Soll
1•
der Dampf ohne Stoß auf die Schaufel 1
ebintreten, dann muß die Schaufel so ge- --1--i --+=====~
ogen. sein, daß die Richtung w Tan
1
gente an dem Schaufelanfang wird II
(Winkel f/1). Der Dampf gleitet an der III
Schaufelfläche entlang mit der Relativ I
I
geschwindigkeit w1, die sich wegen der '-;,--LJ._ __- _j-:]~}z
Reibung des Dampfes an der Schaufel
um einen geringen Betrag auf w2 ver- Fig. 2.
1*
4 Wirkungsweise der Dampfturbinen.
mindert. Zeichnet man an der Dampf-Austrittsstelle mit den Seiten w
2
und u ein Parallelogramm, dann ergibt sich als Diagonale die ab
solute Austrittsgeschwindigkeit c des Dampfes. 'Durch entsprechende
2
Wahl des Austrittswinkels fJ läßt sich c ziemlich beliebig einrichten.
2 2
Aus Fig. 2 geht außerdem hervor:
a) Der Verlauf des Dampfdruckes p. Im Leitapparat expandiert
der Dampf vom Kesseldruck p auf Kondensatordruck p und
1 2
durchströmt die Schaufelzelle mit dem unveränderten Druck p2.
b) Der Verlauf der absoluten Dampfgeschwindigkeit c. Diese
wächst im Leitapparat von c = o auf c1 und nimmt im Schaufel
kranz auf c ab.
2
c) Der Verlauf der relativen Dampfgeschwindigkeit w, die von_
w1 auf w2 abnimmt----. Ohne Reibung wäre w1 =w2•
111. Unterschied zwischen Gleichdr-uck- und
Überdruckturbine.1)
Bisher war vorausgesetzt, daß der Dampf schon im Leit
apparat bis auf den Kondensatordruck expandiert, also mit der
größten, überhaupt möglichen Geschwindigkeit in das Laufrad ein
tritt. In der mechanischen Wärmetheorie wird_ bewiesen, daß die
Strömungsgeschwindigkeit c von dem Verhältnis p1: p2 der Dampf
drücke vor und hinter dem Leitapparat abhängt und daß c seinen
größten Wert für ein bestimmtes Druckverhältnis erreicht, das für
trocken gesättigten Dampf p1 = 0,577
P2
Heißdampf p1 = 0,545
P2
beträgt.
Dieses Verhältnis wird kritisches Druckverhältnis und
die zugehörige Geschwindigkeit kri tis ehe Geschwind igk ei t
genannt.
Ist z. B. p1 = 12 Atm. abs., dann ist für Sattdampf der zu
gehörige kritische Druck p = 0,577. 12 = 6,9 Atm. abs. Sinkt der
2
Expansionsenddruck unter 6,9 Atm. abs., dann nimmt die Ausström
geschwindigkeit nicht mehr zu, sondern bleibt dieselbe wie für
6,9 Atm. abs. Sie hat jedoch noch nicht den für das neue Druck
verhältnis aus dem Wärmegefäll sich ergebenden \Vert erreicht.
1) Früher auch Aktions- und Reaktionsturbine genannt