Entwicklung einer Versuchsgasturbine zur Messung der Läufertemperaturen im Betrieb

104 Pages·1963·4.215 MB·German

by  Dr.-Ing. Helmut Scheele (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1143
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 621.438621-253.5536.5
Dr.-Ing. Helmut Scbeele
Institut für Turbomaschinen an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
Prof DrAng. W. Dettmering
Entwicklung einer Versuchsgasturbine zur Messung
der Läufertemperaturen im Betrieb
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1963
ISBN 978-3-663-00490-5 ISBN 978-3-663-02403-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02403-3
Verlags-Nr.011143
© 1963 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Originally published by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen in 1963
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
1. Einleitung ..................................................... 7
2. Problemstellung ................................................ 9
3. Versuchsgasturbine zur Messung der Läufertemperaturen ...... . . . . . . . 11
3.1 Gesamtanlage des Prüfstandes ................................ 11
3.2 Beschreibung der Versuchsgasturbine ......................... 16
3.3 Allgemeine Betrachtung zur Meßeinrichtung ................... 22
3.31 Thermoelementschaltung mit rotierender Kaltlätstelle ........... 25
3.32 Thermoelementschaltung mit feststehender Kaltlätstelle . . . . . . . . .. 27
3.33 Thermoelementschaltung mit feststehender Kaltlätstelle, jedoch acht
voneinander unabhängigen Meßkreisen ........................ 28
3.34 Schleifringprüfeinrichtung ................................... 29
3.35 Konstruktive Ausführung der Meßeinrichtung ................. 31
3.36 Meßfehler, Toleranzen der Meßanordnung ..................... 38
3.37 Das Kittproblem ........................................... 39
3.38 Elektronischer Kompensationsschreiber ....................... 41
4. Untersuchung stationärer Betriebsbedingungen .................... " 43
4.1 Betriebszustände der Versuchsgasturbinenanlage ................ 43
4.2 Versuchsmessungen an einem Heißgasschwenkgitter ............ 45
4.21 Beschreibung des Heißgasschwenkgitters ...................... 45
4.22 Abhängigkeit der Temperaturverteilung des Schaufelprofils von der
Ansträmgeschwindigkeit .................................... 49
4.23 Abhängigkeit der Temperaturverteilung des Schaufelprofils vom
Ansträmwinkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Versuchsmessungen an der Versuchsgasturbine ................. 55
5
4.31 Abhängigkeit der Temperaturverteilung des Laufschaufelprofils
vom Ansträmwinkel ........................................ 56
4.32 Temperaturverteilung in der Turbinenscheibe .................. 62
4.33 Abhängigkeit der Temperaturverteilung des Laufschaufelprofils von
der axialen Gasgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 Ermittlung der Wärmeübergangszahl oe. zwischen Heißgassträmung
und Schaufel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.41 Wärmeübergangszahl am Heißgasschaufelgitter ................. 69
4.42 Wärmeübergangszahl an der Läuferbeschaufelung der Versuchsgas-
turbine ........ " .. ... . . ..... . . . ..... . . . .. ..... . . . .... . .. .. 71
5. Untersuchung instationärer Betriebsbedingungen .................... 75
5.1 Einführende Betrachtung ..................... " . . .. ... .. .... 75
5.11 Einfluß der Anfahrzeit auf die Temperaturdifferenzen im Lauf-
schaufelprofil .............................................. 77
5.12 Temperaturdifferenzen im Laufschaufelprofil während des An-
fahrens und Abstellens der Turbine ........................... 80
6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7. Literaturverzeichnis ............................................. 89
8. Tabellen ....................................................... 90
6
1. Einleitung
Die Entwicklungstendenz im neuzeitlichen Gasturbinenbau führt zur Verbesse
rung des wirtschaftlichen Wirkungsgrades der Anlage auf höhere Frischgas
temperaturen am Turbineneintritt, gleichzeitig aber durch angestrebte Verminde
rung des Leistungsgewichtes auf höhere Drehzahlen. Eine Steigerung von
Drehzahl und Gastemperatur ist aber begrenzt durch die noch zulässige Werk
stoffanstrengung, besonders der rotierenden Laufschaufel, die bei stationären
Gasturbinenanlagen natürlich niedriger als bei kurzlebigen Hochleistungsgas
turbinen, wie sie z. B. in Strahltriebwerken Verwendung finden, angesetzt werden
muß.
Bekanntlich unterliegt die Laufschaufel einer Turbine rechnerisch außerordentlich
schwer erfaßbaren Beanspruchungsverhältnissen, die sich im einzelnen als Zug
spannung infolge Fliehkrafteinwirkung, als Biege- und Torsionsspannung, her
vorgerufen durch die an der Schaufel angreifende Umfangs- und Axialkraft, an
sprechen lassen. Diesen Beanspruchungen überlagern sich beispielsweise bei Teil
beaufschlagung oft noch Schaufelblattschwingungen, immer aber bei Beauf
schlagung mit Heißgas thermische Spannungen, die durch ungleichmäßige Er
wärmung des Schaufelprofils hervorgerufen werden. Die Größe der thermischen
Spannungen im Innern des Schaufelprofils hängt von den unterschiedlichen
Materialtemperaturen einzelner Schaufelzonen ab, die ihrerseits vor allem von der
Schaufelprofilform, von der Anströmung und von den Wärmeleitungsverhält
nissen in Schaufelfuß und Radscheibe herrühren. In ungünstigen Fällen können
sich die thermischen Spannungen bei plötzlicher Änderung der Frischgastempera
tur der Turbine, also bei Änderung des Betriebszustandes, mit den dauernd er
tragenen mechanischen Spannungen derart superponieren, daß an bestimmten
Stellen des Profils die Bruchfestigkeit bei der entsprechenden Temperatur über
schritten wird, was zur Zerstörung der Beschaufelung führt.
Für eine optimale Werkstoffa usnutzung bei der Auslegung einer Gasturbinen
beschaufelung ist es daher wünschenswert, diejenigen Temperaturen genau zu
kennen, die besonders die Laufschaufel-weil sie der höchstbeanspruchte Teil des
Rotors ist - bei Beaufschlagung mit Heißgas von bekannter Temperatur im
Dauerbetrieb, also nach Erreichen stationärer Betriebsbedingungen, annimmt.
Der rapiden Gasturbinenentwicklung folgend, haben die Werkstoffhersteller in
zunehmendem Maße geeignetere Legierungen für die Herstellung von Be
schaufelung und Radscheiben herausgebracht, wobei vor allem von den Schaufel
werkstoffen, die im wesentlichen Legierungen aus Nickel, Chrom und Kobalt mit
Spuren anderer Ekmente sind, noch relativ hohe Werte für die Zeitdehngrenze im
Temperaturbereich über 7000 C gefordert werden. Neben hohem Widerstand ge
gen Kriechen, der durch den Wert der Zeitdehngrenze charakterisiert ist, wird
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eine hohe Korrosions-und Wärmeschockbeständigkeit, gepaart mit guten techno
logischen Eigenschaften, verlangt.
Jedem Betriebszustand der Turbine entspricht auch eine bestimmte Temperatur
verteilung in der Läuferbeschaufelung und in der Turbinenscheibe derart, daß sich
die von der Heißgasströmung an die benetzte Schaufeloberfläche übertragene
Wärmemenge im Gleichgewicht mit der im Läufer über die Lagerung weg
geleiteten Wärmemenge befindet.
Die Vielzahl der Einflußgrößen auf die Temperaturverteilung des Rotors und
seiner Beschaufelung und die Schwierigkeit, an entsprechenden feststehenden
Heißgasschaufelgittern gewonnene Meßergebnisse ohne Vernachlässigung wesent
licher Faktoren auf die Verhältnisse in einer Turbinenstufe zu übertragen, machen
es notwendig, die Temperaturmessungen am umlaufenden, mit Heißgas beauf
schlagten Schaufelgitter selbst durchzuführen.
Gelingt es, die sich einstellenden Schaufel- und Läufertemperaturen mit aus
reichender Genauigkeit zu messen und ihre Abhängigkeit von Frischgastempera
tur, Gasgeschwindigkeit, Anströmrichtung des Profils und von der Turbinen
drehzahl zu erkennen, so ist damit eine Möglichkeit der besseren Werkstoffaus
nutzung in dem Sinne gegeben, daß man bei Kenntnis der Schaufel- und Läufer
temperaturen entweder die Frischgastemperatur oder aber die Turbinendrehzahl
so weit steigert, bis der Rotorwerkstoff gerade an die als noch zulässig erkannte
Zeitdehngrenze herangeführt wird.
Diese Zusammenhänge, die für die stationären Betriebsbedingungen schon von
großer Wichtigkeit hinsichtlich der Lebensdauer und Sicherheit der Anlage sind,
nehmen für den instationären Betrieb, also für die Anlaß- und Schnellstartvor
gänge bei Gasturbinen, insbesondere bei Strahltriebwerken, fundamentale Be
deutung an. Die Temperaturmessung am umlaufenden mit Heißgas beaufschlag
ten Turbinenläufer, und dort insbesondere an der Laufschaufel, ist daher ein seit
langem angestrebtes Ziel der Turbinenforschung.
Bei dem relativ großen Aufwand, den die Entwicklung einer speziellen Versuchs
turbine erfordert, wird man von vornherein anstreben, die Temperaturen an mög
lichst vielen Stellen des Läufers zu messen, weil nicht zu erwarten ist, daß der ge
samte Profilumfang und der Schaufelkern bei stationären Betriebsverhältnissen
die gleiche Temperatur annehmen werden, insbesondere nicht bei einer Über
druckbeschaufelung, bei der eine Expansion des Arbeitsgases auch im Laufschau
felkanal erfolgt. Es sind also möglichst auch die verschiedenen örtlichen Tempera
turen am Profilumfang sowie die Änderung der Temperaturverteilung mit der
Schaufelhöhe zu erfassen. Für eine derartige Untersuchung kommen nur Thermo
elemente kleinster Abmessung, die an den gewünschten Stellen des Laufschaufel
profils und der Turbinenscheibe eingebettet sind, in Betracht, denn nur diese fol
gen praktisch trägheitslos den Schaufeltemperaturen und verfälschen wegen ihrer
geringen Wärmeableitung das Meßergebnis nicht.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung einer Versuchsgasturbine zur
Messung der Läufertemperaturen und gibt nach eingehender Darstellung des
Meßverfahrens und konstruktiver Einzelheiten der Meßapparatur einige 11eß
ergebnisse bei stationären und instationären Versuchsbedingungen wieder.
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2. Problemstellung
Die Entwicklung der Versuchs gasturbine geht auf ähnliche Versuche von
K. LEIST und E. KNOERNSCHILD in den Jahren 1936-1939 in der DVL Berlin
Adlershof zurück [1] [2] [3]. Bei der damaligen Versuchsanlage wurden ins
gesamt elf Thermoelemente Nier-Ni in einen Gasturbinenläufer eingebettet, und
zwar befanden sich vier Elemente im Teilkreisschnitt (2300) der prismatischen
Gleichdrucklaufschaufeln, die restlichen auf verschiedenen Radien der Läufer
scheibe. Die Abnahme der Thermoströme vom rotierenden Läufer erfolgte mit
von Hand angedrückten Kontaktzangen, deren Bürsten sich axial an entsprechende
Schleifringpaare jeweils eines Thermoelementes anlegten. Die insgesamt elf
Kupferschleifringpaare saßen auf einer für sich gelagerten Hilfswelle, die über eine
flexible Kupplungshülse mit der Turbinenscheibe verbunden war. Im Innern der
Hilfswelle wurden die elf Paare isolierter Thermodrähte gebündelt untergebracht
und über die mitrotierende Kaltlötstelle an die zugehörigen Schleifringe geführt.
Die Versuchsanlage, insbesondere die Methode, die Bürsten nicht wie sonst üblich
radial, sondern axial an die Schleifringe zu drücken, bewährte sich gut. Die nach
dem Strommeßverfahren gewonnenen Versuchsergebnisse sind in den genannten
Quellen veröffentlicht.
Es ist zunächst naheliegend, bei der Überleitung von Thermospannungen von
einem rotierenden auf ein feststehendes System den Bau eines Quecksilberdreh
übertragers vorzusehen, bei dem für jeden Strompfad eine umlaufende Kontakt
scheibe in eine mit Quecksilber gefüllte Metallkammer eintaucht, wobei sich im
Augenblick der Rotation der Kontaktscheibe unter Fliehkrafteinfluß ein geschlos
sener Quecksilberring bildet. Der einwandfreie elektrische Kontakt und der dreh
zahlunabhängige konstante Übergangswiderstand sind hierbei der besondere Vor
teil. Trotz dieser Vorzüge läßt sich für das vorliegende Problem ein Quecksilber
drehübertrager nicht anwenden, weil einerseits bei der geforderten hohen Tur
binendrehzahl und damit hohen Kontaktringgeschwindigkeit, andererseits durch
die notwendige räumliche Lage des Übertragers innerhalb des Abgasgehäuses der
Quecksilberinhalt der einzelnen Kammern verdampft, der Niederschlag des
Quecksilberdampfes die Isolation benachbarter Kammern überbrückt und diese
kurzschließt, und weil schließlich durch verschiedene Temperaturen von Kontakt
scheibe, Quecksilber und Kammern zusätzliche nicht kontrollierbare Thermo
spannungen der eigentlichen Meßspannung überlagert werden. Aus diesen Grün
den wird das gut bewährte Prinzip des Schleifringes mit axial angedrückter
Kohlebürste beibehalten.
Der Neuentwurf einer Versuchsgasturbine zur Messung der Schaufeltemperaturen
im Betrieb soll nun nach den Erfahrungen mit der ersten derartigen Versuchs
anlage folgende Gesichtspunkte umfassen:
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1. In der Radscheibe und in mehreren Profilschnitten der Läuferbeschaufelung
sollen eine größere Zahl von Thermoelementmeßstellen untergebracht sein.
2. Das Turbinengehäuse ist in seiner Formgebung so auszubilden, daß die Heiß
gasströmung möglichst zylindrisch und drallfrei der Turbinenstufe zuströmt
und eine eindeutige Messung des Gaszustandes vor dem Leitrad und hinter dem
Laufrad durchführbar ist.
3. Um Schwierigkeiten bei der Kupplung und gesonderten Lagerung des Schleif
ringläufers in der angegebenen Form zu vermeiden, soll dieser fliegend ge
lagert, also an die Turbinenscheibe angeflanscht sein.
4. Die Abnahme der Thermoströme von den Schleifringen soll nicht mehr durch
von Hand angedrückte Kontaktzangen, sondern durch selbsttätige oder fern
bedienbare Abnehmer erfolgen.
5. Als Meßverfahren zur Ermittlung der örtlichen Thermospannungen der Lauf
schaufeln soll statt der direkten Strommessung, deren Anzeige durch alle un
veränderlichen und temperaturabhängigen Widerstände im Thermokreis be
einflußt wird, das Kompensationsverfahren angewendet werden, bei dem
während des eigentlichen Messens kein Strom fließt. Dieses Meßverfahren hat
besonders bei Verwendung eines Schleifringübertragungssystems im Thermo
elementmeßkreis den besonderen Vorzug, daß veränderliche Übergangs
widerstände zwischen den Schleifringen und Bürsten bedeutungslos werden
und nicht berücksichtigt zu werden brauchen.
Zur ausreichend genauen Erfassung der TemperaturverteUung am Laufschaufel
profil erscheint es zweckmäßig, mindestens sieben Meßstellen gleichmäßig auf den
Profilumfang zu verteilen und eine achte in den Schaufelkern zu verlegen. Da die
Messung der Temperaturverteilung am Profil aber in mindestens drei Zylinder
schnitten, also im Fuß-, Teil und Kopfkreis, erfolgen soll, sind damit zunächst 24
Thermoelemente erforderlich. Mit acht weiteren Thermoelementen, die auf ver
schiedenen Radien der Scheibe angeordnet werden, beträgt die Gesamtzahl der
unterzubringenden Thermoelementanschlüsse 32. Da die Baulänge eines fliegend
gelagerten, an die Turbinenscheibe angeflanschten Schleifringläufers wegen des
unvermeidlichen Radialschlages am freien Ende möglichst kurz sein muß, ist es er
forderlich, die zweimal 32 Thermoelementanschlüsse durch einen mitrotierenden,
im Betrieb axial verstellbaren Umschalter im Scheibeninnern auf acht außen
liegende Schleifringpaare zu reduzieren, die nun je nach Umschalterstellung die
Thermospannungen der Scheiben-, Fußkreis-, Teilkreis- oder Kopfkreisthermo
elemente abgreifen lassen. Für den relativ komplizierten und wegen der bei der
Rotation auftretenden Massenkräfte im Durchmesser klein zu bauenden Um
schalter sind besondere konstruktive Maßnahmen erforderlich und Isolations
werkstoffe zu wählen, die ausreichende mechanische Festigkeit und vor allem
Wärmebeständigkeit besitzen.
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