Die Dampfturbinen: Band 3 Die Reglung der Dampfturbinen, die Bauarten, Turbinen für Sonderzwecke, Kondensationsanlagen 9783111701233, 9783111312644

Citation preview

SAMMLUNG

DIE

GÖSCHEN

BAND

716

DAMPFTURBINEN

IHRE WIRKUNGSWEISE, BERECHNUNG UND KONSTRUKTION VOll

PROF.

C O N S T . ΖI ETE ΜAN Ν Diplom-Ingenieur III

DIE REGLUNG DER

DAMPFTURBINEN,

DIE BAUAKTEN, T U R B I N E N FÜR

SONDERZWECKE,

KON DENSATIONSANLAGEN Dritte, verbesserte Auflage Mit 90 Abbildungen

WALTER DE GRUYTER & CO. vormal9 G. J . Göacben'sche Verlagshandlua&r • J. Guttentag, Verlagsbuchhandlung * Georg Reimer · Karl J . T r ü b n e r · Veit & Comp. BERLIN

1956

Alle H e c h t e , einschließlich der R e c h t e der H e r s t e l l u n g v o n P h o f o k o p i e n u n d M i k r o f i l m e n , v o n der V e r l a g a h a n d l u n g v o r b e h a l t e n

C o p y r i g h t 195« liy W A I / l ' K R D E G R U Y T . H R & CO. Herlin W 35, (ienthiiipr S t r a ß e l:i

Archiv-Nr. 110715 S a t z : W a l t e r de G r u y t e r & Co., Berlin W 35 D i u c k : P a u l F u n k , Berlin W 35 P r i n t e d in G e r m a n y

Inhaltsverzeichnis Erster Abschnitt Die Reglung

der

Dampfturbinen

I. Die Arten der R e g l u n g 1. Die Änderung clor Leistung 2. Drosselreglung 3. Mengen-(Düsen-. f ü l l u n g s - , Quantitiits-)Lteglung 4. Vereinigte Drossel- und Mengen reglung 5. Die Eigenschaften der lleglungsarten I I . Die Berechnung der Regelvcntili1 1. Die Hauptabmessungen 2. Die Drosselquerschnitte 3. Die Abschaltquersehnitte H I . A n o r d n u n g der R e g l u n g 1. 2. 3. 4. 5.

Die Anforderungen Direkte Reglung indirekte DrosselregLung Automatische Drüsenreglung Änderung der Drehzahlen

I V . Ausgeführte Regel Vorrichtungen 1. Direkte Reglung 2. Indirekte (Servomotor-)Drosst'lr«'ghuig a) Reglung der Wuniag b) ölringsteuerung von BBC) c) Stabfedereglung von K K K d) Drosselreglung von Jischer \Vy*> 3. Die Diisenreglung a) Düsenreglung von BJK' b) Diisenreglung der AEG c) Düsenreglung der SSW-Röder d) Öldrucksteuerung von BBC 4. Vereinigte Drossel- und Düsenreglung a) Vereinigte Reglung der Wunuiir b) Vereinigte Reglung der ΛΙΛ"Χ V. Überlastungsventile

Seite 6 6 Π 7 Ν 9 12 12 13 17 10 10 19 20 22 22 24 24 24 24 25 25 20 20 2. K a d i a l t u r b i n e n a) T u r b i n e der SSW b) LjungstrÖm-Turbine ITT. H o c h d r u e k t u r b i n e n

50 50 50 r»2 52 54 54 54 5*

Dritter Abschnitt Turbinen

f ü r Üo π d e r z w e c k e (Gegendruck- und Entnahmeturbinen; Turbinen für Abdampfverwertiins:

I. Z w e c k u n d A r t e n IT. G e g e n d r u c k t u r b i n e n 1. W i r t s c h a f t l i c h k e i t 2. Reglung a) Druckreglung von Brown-Boveri b) Druckreglung der AEG c) Druckreglung von K K K 3. A u s g e f ü h r t e Gegendruckturbinen ( E W , Borsig, C^K. B B C ) . . . III. Entnahme-(Anzapf-)Turbinen 1. W i r t s c h a f t l i c h k e i t 2. lleglung a) E n t n a h m o r e g l u n g der AEG b) E n t n a h m e r e g l u n g der W u m a g c) A n z a p f r e g l u n g von BBC 3. A u s g e f ü h r t e E n t n a h m e t u r b i n e n (AEG, CSll) IV. Abdampfturbinen 1. W i r t s c h a f t l i c h k e i t 2. Reglung und B a u a r t

59 (>1 62 63 64 64 65 66 67 71 75 76 76 76 79 82 82 84

Inhaltsverzeichnis

5 Seite

V. Zweidruck-(Frischdampf-Abdampf-)Turbinen 1. Wirtschaftlichkeit 2. Reglung a) Bedingungen b) Ausgeführte Zweidruckreglungen α) Reglung von R a t e a u β) Eeglung der A E G y) Reglung von B B C ö) Reglung der Wutnag 3. Ausgeführte Zweidruckturbinen (GH Η)

84 85 86 86 89 89 89 90 91 92

VI. Abdampf- und Wärraespeicher

93

1. Wärmespeicher mit Wnsserfiillung 2. Glockenspeicher 3. Raumspeicher

95 97 98

Vierter Abschnitt Die

Kondensationsanlagen

der

Dampfturbinen

I. D e r N u t z e n der K o n d e n s a t i o n

100

II. Misch-(Einspritz-)Kondensation

101

III. Die Oberf'ächenkondensation 1. 2. 3. 4.

101

Kühlwasserbedarf Luftmenge Ausführung der Oberflächenkondejisatoren Die Kondensationspumpen a) Die Luftpumpen a ) SSW-Luftpumpe ßj Dampf- und Wasserstrahl-i'umpen b ) Die TCiihlwasscrpumpen c) Die Kondensatpumpen d) Antrieb der Pumpen e) Gcsamtannrdnung

101 103 10Θ 111 111 111 112 114 114 114 1τö

Fünfter Abschnitt, Anwendungsgebiete En

der

Dampfturbinen

twicklungslinien

I. A n w e n d u n g s g e b i e t e II. Entwicklungslinien

119 122

D a m p f tabelle

124

Sachregister

125

Literatur siehe Teil I

Erster

Abschnitt

Die Regelung der Dampfturbinen 1. Die Arten der ß e g l u n p 1. Die Ä n d e r u n g d e r

Leistung

Aus der Beziehung -- Gsi: De oder mit : (he • ije) nach Gl. (77), Teil 1: -V, =

ht • Gat • η.:

De — 632

632 l ' S . ,

ist ersichtlich, daß die Leistung von dem verfügbaren Gefalle h t u n d von der Dampfmenge G s t a b h ä n g t . Die Leistung k a n n demnach geändert werden entweder durch Ä n d e r u n g des Gefälles h t durch D r o s s e l n oder durch Ä n d e r u n g der stündlichen D a n i p f m e n g e Gst durch Verändern der Leitquerschnitte, d. h. durch A b s c h a l t u n g e n , oder endlich durch Ändern beider Größen. Dementsprechend unterscheidet m a n D r o s s e l r e g l u n g , M e n g e n - (Fiillungs-, Düsen-) R e g l u n g und v e r e i n i g t e D r o s s e l - u n d M e n g e n r e g l u n g . 2. D i e

Drosselreglung

bewirkt einen Spannungsabfall durch Querschnittverengung im Kegel- (Drossel-) Ventil u n d verringert d a d u r c h das Gefälle (s. Abb. 1), aber auch die durchströmende D a m p f menge. Aus I)e = (532 : (he • η„) folgt, daß mit a b n e h m e n d e m Gefälle der D a i n p f v e r b r a u c h f ü r die PS e -Stunde bei Teillast zunimmt, so daß die Turbine unwirtschaftlicher arbeitet. Der Verlust an Wärmegcfällc wird aber u m so kleiner, je höher die "überhitzung u n d je besser das V a k u u m ; außerdem beschränkt die Verminderung des Dampfgewichtes den Verlust an Gefälle. Ferner wird wegen der kleineren D a m p f -

I. Die Arten der Reglung

7

geschwindigkeit Cj das Verhältnis w/Cj günstiger ( s . Teil I , S. 6 1 ) , da man meist unterhalb des günstigsten arbeitet; e s

wird also der Umfangswirkungsgrad η υ besser, aber auch der innere Wirkungsgrad η ί : da wegen der geringeren Dichte die Radreibungs- und / ) ι - konsr. . Ventilationsverluste «p ψ kleiner werden. Dai / gegen können bei zu kleinem Verluste durch Stoß auf den Schaufelrücken auftreten (Teil I, S. 85). % Endlich wird bei gcringererDampfnienge das Vakuum besser. / Durch diese Umstände wird die Drosselreglung bei nicht zu großer Entlastung keine bedeutende Zunahme desDampfverbrauches für die PSStunde ergeben, siehe Abb. 2. Bei großen /. ψ EnlropK S lj' Ε Ε BelastungsänderunAbb. 1 gen und bei an sich Änderung des Wärmegefälles bei Dros.selreglung kleinem verfügbarem Gefalle (Gegendruckturbinen, s. u.) ist die Zunahme des Dampfverbrauches bedeutend; deswegen wird in Fällen, wo zeitweiliger Betrieb mit Teillast in Frage kommt, Abschaltung von Leitquerschnitten vorgesehen. 3. M e n g e n - (Düsen-, Füllungs-, Quantitäts-) R e g l u n g Hierbei wird der Dampfzustand vor der Leitvorrichtung im Gegensatz zur Drosselreglung nicht geändert, es wird

8

Die Reglung dor Dampfturbinen

aber durch Abschließen einzelner Düsen oder Leitkanäle das durchströmende Dampfgewicht geändert. Würden bei mehrstufigen Gleichdruckturbinen gleichzeitig auch die Querschnitte der folgenden Stufen durch Verringerung des Beaufschlagungsgrades geändert, so bliebe der Dampfverbrauch fast unverändert, wenn man von der geringen Erhöhung durch die relativ größeren Verluste absieht. Wegen konstruktiver Schwierigkeiten werden jedoch nur die Leitquerschnitte der ersten Stufe geändert, wodurch sich die Verhältnisse in den übriürasselreglung Λ gen Stufen wesentlich \ Uusenreg/ung ändern und der Wirkungsgrad abnimmt, der Dampfverbrauch zunimmt. Ferner müßte die Änderung der Beaufschlagung kontinuierlich erfolgen, wozu sehr viele Abschaltungen nötig wäAbb. 2. Ä n d e r u n g des D a m p f v e r b r a u c h s bei ren; es werden aber aus Drossel- u n d Füllungsreglung u. Teilbelastung praktischen Gründen wenig Abschaltungen — bis 6 — ausgeführt, mit Querschnitten von einer gewissen Größe, so daß zwischen 2 Abschaltungen entweder Drosselung oder, bei ruckweise arbeitenden Abschaltungen, ein dauerndes Spielen der Ventile stattfindet. Die Kurve des Dampfverbrauches, Abb. 2, hat deswegen bei den Leistungsgrößen, bei denen Abschaltungen vorgesehen sind, 2 Werte für den Dampfverbrauch, den unteren bei Abschaltung, den oberen bei offenem Abschaltventil, also Drosselung zwischen den Abschaltungen, wodurch sich die Zickzackform der Kurve ergibt, während der idealen Düsenreglung die gestrichelte Kurve entspricht. Bei reinen Überdruckturbinen ist Mengenreglung nicht möglich.

\\

I. Die Arten der Reglung

9

Sind keine starken dauernden Belastungsschwankungen zu erwarten, so genügt Abschaltung von H a n d bei Eintritt einer längere Zeit andauernden Änderung; bei häufigen starken Belastungsschwankungen wird meist a u t o m a t i s c h e D ü s e n r e g l u n g angewendet, die aber eine kompliziertere Konstruktion erfordert. 4. V e r e i n i g t e D r o s s e l - u n d M e n g e n r e g l u n g Genau genommen, ist die Düsenreglung mit ihrer stufenweisen Abschaltung eine Vereinigung beider Reglungsarten, da zwischen den Abschaltungen Drosseln stattfindet, andernfalls die Reglung pendeln würde; ebenso könnte die Drosselreglung mit Abschaltungen bei einigen Belastungsgrößen als Vereinigung angesehen werden. Man bezeichnet jedoch als vereinigte Reglung eine solche Reglung, bei der beide Reglungsarten nacheinander zur Anwendung kommen, derart, daß bei kleinen Belastungen, die selten vorkommen, etwa bis 1 / 2 Last, reine Drosselreglung, bei höherer Belastung bis zur Überlastung Mengenreglung vorgesehen wird, d. h. es ist eine Anzahl Leitquerschnitte dauernd offen, die übrigen sind, meist automatisch, abschaltbar. Dadurch ergeben sich feinere Abstufungen. Charakteristisch sind 5. die E i g e n s c h a f t e n der R e g l u n g s a r t e n , die theoretisch abzuleiten sind und durch die Erfahrung bestätigt werden. Bei D r o s s e l r e g l u n g gilt bei genügend tiefem Gegendruck (Vakuum) folgendes: a) die Durcliflußmenge Gat bzw. C?3ek ist dem absoluten Druck vor dem ersten Leitapparat proportional; b) die Nutzleistung nimmt linear mit dem absoluten Druck zu;

Die R e g l u n g der D a m p f t u r b i n e n

10

c) der Leerlaufsdampfverbrauch ist etwa TO°/0 des Verbrauches bei Vollast; (1) die S t u f e n d r ü c k e nehmen linear mit G s t bzw. ö s e k zu. Bei Füllungsreglung ist letzteres auch der Fall, mit Ausn a h m e der letzten Stufe. Bei Verringerung der Belastung konzentriert sich die Leistung im Hochdruckteil, u n d zwar bei Fiillungsi'eglung stärker als bei Drosselreglung; erstere ist deshalb weniger empfindlich gegen Schwankungen des V a k u u m s . Bei Fiillungsreglung n i m m t bei Teilbelastung das adiabatische Gefalle der ersten Stufe zu, in den mittleren bleibt es gleich, u n d in der letzten n i m m t es ab. Bei Drosselreglung wird fast n u r das Gefalle der letzten Stufe geändert. Bei Gleichdruckturbinen können beide Keglungsarten angewendet werden, ebenso bei kombinierten GleichdruckÜ b e r d r u c k t u r b i n e n , doch erhalten diese meist automatische Diisenreglung. Reine Ü b e r d r u c k t u r b i n e n können n u r Drosselreglung erhalten wegen der vollen Beaufschlagung. Bei höherem Gegendruck gelten die obigen Sätze nicht mehr genau, die Abhängigkeit ist nicht geradlinig, sondern ein Schnitt des „Kegels der D a m p f g e w i c h t e " , wie von S t o d o l a angegeben 1 ). Die Drossellinie i = koust. s t i m m t ungefähr m i t der K u r v e p r = k o n s t . überein, und da nach obigem Satz a) 6 r s e k = / i - - p , wenn k ein P r o p o r t i o n a l i t ä t s f a k t o r , so ist mit ρ = koust. : /• i"sek = Κ : o

oder

Crset · ν — konst..

d.h. d a s s e k u n d l i c h d u r c h d i e T u r b i n e s t r ö m e n d e D a i n p f v o l u i n e n ist bei D r o s s e l r e g l u n g k o n s t a n t . Da

= h = Α- Ϋνν = * J!v (Ψ) ='"! 1

?V,

) S t o d o l a , D a m p f - u. Gasturbinen, s. L i t e r a t u r , Teil I oder J i i e t e m a n u , P i e D a m p f t u r b i n e , s. L i t e r a t u r , Teil I,

ί. Die Arten der Reglung

11

so ist Gst = 3600 (r sek = C γρ[ν. Durch Messung von Gst kann somit die Konstante C einer Turbine ermittelt werden. Dieselbe dient bei späteren Messungen als Kontrolle, ob Gst richtig gemessen, da sich mit Gat dieselbe Konstante ergeben muß. Der D r u c k v e r l a u f bei B e l a s t u n g s ä n d e r u n g bei Drosselreglung kann ermittelt werden, da der Anfangszustand aus der Proportionalität von Leistung und Druck vor dem I. Leitapparat bestimmt ist und ferner die Dampfmenge Gst diesem Druck proportional ist. Man kann sich zur Bestimmung des Endzustandes der Verfahren von Z e r k o w i t z 1 ) , Loschge 2 ), Baer 3 ), F o r n e r 4 ) u.a. bedienen, auf die hier verwiesen sei5). Man kann aber auch den Endzustand der letzten Stufe im is-Diagramm annehmen — er wird je nach der Belastung mehr oder weniger über dem Endzustand bei Normallast liegen — lind die Rechnung rückwärts durchführen, die in den Anfangszustand führen muß. Man schätzt die Verluste, erhält dadurch den Endzustand der adiabatischen Expansion, ermittelt die dem Leitradquerschnitt und dem Zustand entsprechende Geschwindigkeit c1 bzw. cH und findet durch Abtragen des zugehörigen Gefalles den Anfangsdiuck der Stufe usf. bis zur ersten Stufe. Gelangt man nicht in den der Belastung entsprechenden Anfangszustand, so ist die Rechnung mit neuer Annahme zu -wiederholen. Bei einiger Übung stimmt schon die erste Annahme, so daß dieses Verfahren schnell zum Ziele führen kann.

!

) ) ') s ) 3

Die T h e r m o d y n a m i k der Turbomaschinen, s. L i t e r a t u r , Teil I. Z. f. d. ges. T u r b w . 1911, s. L i t e r a t u r , Teil I. Ζ. d. V. D. I. 1909. Z. d. V. D. I . 1909, S. 674. S. auch Z i e t e m a n n , Die D a m p f t u r b i n e n , L i t e r a t u r , Teil Γ.

12

Die Reglung der Dampfturbinen II. Die Berechnung der Regclventile

1. Die H a u p t a b m e s s u n g e n der Ventile, die meist als Doppelsitzventile ausgeführt werden, ergeben sich aus den erforderlichen Querschnitten. Bei hohen Temperaturen werden Ventile auch als Tellerventile mit Diffusorwirkung ausgeführt. Die Regelventile der D a m p f t u r b i n e n werden fast ausnahmslos mit vollständiger Entlastung, also gleichem

Durchmesser beider Sitze, ausgeführt. Nach Annahme des Spindeldurchmessers ds, Abb. 3 und 4 (ds = 10—40 mm für d = 60—350 min), wird der Nabendurchmesser dn nach konstruktiven Rücksichten gewählt, wobei d zunächst überschläglich nach Schätzung der Verengung durch den Ventilkörper, die Arme und die Nabe zu 0,2 bei großen, bis 0,4 bei kleinen Ventilen aus der Beziehung (Kontinuitätsgleichung) (1)

- 0,2 bis 0,4)-

=

errechnet werden kann, mit der Dampfgeschwindigkeit iv = 25 bis 30 m/sek, bei sehr großen Leistungen mehr (bis 60 m/sek).

I I . Die Berechnung der Regel Ventile

13

i n der A n n a h m e , daß durch beide Querschnitte j e die halbe D a m p f m e n g e durchströmen soll, wird der innere Yent.ildurohinesser