Gasturbinen Handbuch

602 Pages·1999·15.149 MB·German

by  Meherwan P. Boyce (auth.)

Gasturbinen Handbuch
Meherwan P. Boyce
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Hongkong
London
Mailand
Paris
Singapur
Tokio
Meherwan P. Boyce
Gasturbinen Handbuch
Mit 398 Abbildungen
Obersetzung aus dem Englischen
Karl Schmitt
Originaltitel
Gas Turbine Engineering Handbook
Gulf Publishing Company, Houston, Texas
, Springer
Professor Dr. rer. nat. Dr. he. Hans GUnther Natke
UniversitiH Hannover
Curt-Risch-Institut fur Dynamik. Schall-und MeGtechnik.
Appelstr·9A
o -30167 Hannover
Professor Dr. habil. Czeslav Cempel
Technical University Poznan
Applied Mechanics Institute
3 Piotrowo Street
PL -60-965 Poznan
ISBN-13: 978-3-642-64145-9 e-ISBN-13: 978-3-642-59841-8
001: 10.1007/978-3-642-59841-8
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Natke, Hans G_:
Model-aided diagnosis of mechanical systems: fundamentals, detection, localization, assessment /
H. G. Natke ; C. CempeL -Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong
London; Milano; Paris; Santa Clara; Singapore; Tokyo: Springer 1997
lSBN-13: 978-3-642-64145-9
NE: Cem~l, Czeslaw:
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concerned, specifically of translation, reprinting reuse of illustrations, recitatioo, broad'~sting,
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1965, in its current version, aod permission for use must always be obtained from Springer-Verlag_
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C Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
Softcover reprim of the hardcover 1st edition 1999
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implay. even in the absence absence of a specific statement, that such names are exempt from the
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ProductiOn: PRODUserv Springer Produktions-Gesellschaft. Berlio
Typesetting: Lewis &: Leins, Berlin
SPIN: 10519674 68/3010 -5 4 3:t. 1 0
Vorbemerkung des Autors
Das Gasturbinen Handbuch diskutiert die Konstruktion, Fertigung, Installation,
Betrieb und Instandhaltung von Gasturbinen. Es wurde geschrieben, urn einen
Gesamtuberblick fur den erfahrenen Ingenieur zu liefern, der in einem speziali
sierten Bereich der Gasturbinentechnik arbeitet, und fur den Jungingenieur oder
Absolventen, der zum ersten Mal im Turbomaschinenbereich arbeitet. Das Buch
wird sehr nutzlich sein, als Nachschlagewerk fur studentische Lehrveranstaltun
gen zu Turbomaschinen und auch fur In-House Unternehmenslehrgange im
Bereich der Petrochemie, der Energieerzeugung und der Off-Shore-Industrien.
Gasturbinenanwendungen in der Petrochemie, Energieerzeugung und Off
Shore-Industrie sind in den letzten paar Jahren wie Pilze aus dem Boden
geschossen. An diese Anwender und Hersteller von Gasturbinen ist dieses Buch
gerichtet. Es wird dem Hersteller einen Eindruck von einigen der Probleme
geben, die im Zusammenhang mit Maschinen im Feldeinsatz auftreten, und es
wird dem Betreiber helfen, maximale Leistungseffektivitat und hohe Verfugbar
keit der Gasturbinen zu erreichen.
Ich war in Forschung, Konstruktion, Betrieb und Instandhaltung von Gastur
binen seit den fruhen 60er Jahren tatig. Ich habe auch Kurse im Hauptstudium
und Vorstudium-Bereich an der Universitat von Oklahoma und Texas A&M Uni
versity und nun i.allg. in der Industrie gehalten. Der Enthusiasmus der Studen
ten im Zusammenhang mit diesen Kursen gab mir die Inspiration, diese Anstren
gung des Buchprojekts vorzunehmen. Die vielen Kurse, die ich in den vergange
nen 15 Jahren gelehrt habe, waren eine Bildungserfahrung fUr mich und auch fur
die Studenten. Das Texas-A&M -University-Turbomachinery-Symposium, das
ich seit 7 Jahren organisieren und ihm vorstehen durfte, hat einen groBen Bei
trag zu den Betriebs- und Instandhaltungsabschnitten dieses Buches gegeben.
Die Diskussionen und Konsultationen, die aus meiner Tatigkeit mit hochprofes
sionellen Personen resultieren, wurden ein Hauptbeitrag sowohl zu meinem per
sonlichen und beruflichen Leben als auch zu dies em Buch.
Ich habe versucht, die Hauptgegenstande aus verschiedenen VerOffentlichun
gen (und manchmal unterschiedlichen Ansichten) zusammenzufuhren, urn
hiermit eine verdichtete, allgemeine Behandlung von Gasturbinen zu erreichen.
Viele Illustrationen, Kurven und Tabellen wurden verwandt, urn das Verstand
nis des beschreibenden Textes zu erweitern. Mathematische Behandlungen wur
den absichtlich auf einem Minimum gehalten, so daB die Leser jegliche Proble
me identifizieren und losen konnen, bevor sie hiermit eine spezifische Auslegung
VI Vorbemerkung des Autors
durchfiihren. Zusatzlich fiihren die Referenzen die Leser zu Informationsquel
len, die ihnen helfen werden, spezifische Probleme zu untersuchen und zu 16sen.
Es besteht die Hoffnung, daB dieses Buch als ein Referenztext dienen wird, nach
dem es sein erstes Ziel erreicht hat, die Leser in den breiten Bereich der Gastur
binen einzufiihren.
Ich moche den vielen Ingenieuren danken, deren verOffentlichte Arbeiten und
Diskussionen ein Eckstein dieses Werks geworden sind. Ich mochte speziell all
meinen graduierten Studenten und friiheren Kollegen von der Fakultat der Texas
A&M University danken, ohne deren Engagement und Hilfe dieses Buch nicht
moglich gewesen ware. Spezieller Dank geht an das Advisory Committee des
Texas-A&M-University-Turbomachinery-Symposium und an Dr. C. M. Simmang,
Vorstand des Texas A&M University Department of Mechanical Engineering, der
wichtig fiir die Initiierung des Manuskripts war, und an Janet Broussard fur die
Erstellung der Erstform des Manuskripts. AuBerordentlicher Dank gilt ebenfalls
der kompetenten Fuhrung von William Lowe und Scott Becken der Gulf Publish
ing Company. Ihre Kooperation und ihre Sorgfalt ermoglichten die Umwandlung
des Rohmanuskripts zum fertigen Buch. SchlieBlich mochte ich meinen speziel
len Dank an meine Frau Zarine richten, fur ihre jederzeit gegebene Hilfe und ihr
konstantes Engagement wahrend dieses Projekts.
Ich hoffe aufrichtig, daB dieses Buch so interessant zu lesen sein wird, wie es
fur mich war, es zu schreiben, und daB es eine nutzliche Referenz fur das schnell
wachsende Feld der Turbomaschinen sein wird.
Meherwan P. Boyce
Houston, Texas
Vorwort
Der alexandrinische Wissenschaftler Hero (ca. 120 v. Chr.) wiirde die heutige
moderne Gasturbine kaum als einen Nachfolger seines Aeolipile erkennen. Die
se Vorrichtung produzierte keine Wellenarbeit - sie wirbelte nur. In den nach
folgenden Jahrhunderten wurde das Prinzip des Aeolipile in der Windmuhle (A.
D. 900-11 00) und dann wieder im angetriebenen BratspieB (1600) angewandt.
Die erste erfolgreiche Gasturbine ist wahrscheinlich weniger als ein Jahrhundert
alt.
Bis vor kurzem sah sich der Konstruktionsingenieur bei seiner Suche nach
einer hocheffizienten Turbine mit 2 prinzipiellen Anforderungen konfrontiert:
(1) Die Temperatur des Gases am Turbineneintritt des Turbinenbereichs muB
hoch sein und (2) der Kompressor und der Turbinenbereich mussen beide mit
hohem Wirkungsgrad arbeiten. Metallurgische Entwicklungen haben bestandig
die EinlaBtemperaturen angehoben, wahrend ein besseres Verstandnis der Aero
dynamik teilweise verantwortlich fUr eine Verbesserung des Wirkungsgrads
radialer und axialer Kompressoren und radial eingestromter und axial durch
stromter Turbinen ist.
Heute gibt es viele andere zu berucksichtigende und zu bedenkende Punkte,
mit denen sich die Konstruktions- und Betriebsingenieure von Gasturbinen
konfrontiert sehen. Dies beinhaltet Lager, Dichtungen, Brennstoffe, Schmierung,
Auswuchtung, Kupplungen,Abnahmeversuche und Instandhaltung. Das Gastur
binen Engineering Handbuch liefert notwendige Daten und hilfreiche Anmer
kungen, urn die Ingenieure bei ihren Anstrengungen zur Erreichung optimaler
Leistung fUr jede Gasturbine unter allen Bedingungen zu unterstutzen.
Meherwan Boyce ist kein Fremder im Gasturbinenbereich. Fur mehr als eine
Dekade war er sehr aktiv mit den Techniken von Turbomaschinen in Industrie,
akademischen Bereichen, Forschung und VerOffentlichungen beschaftigt. Die
Etablierung des jahrlichen Texas-A&M -University-Turbomachinery-Symposi
urns kann zu seinen Hauptbeitragen zum Feld der Turbomaschinen gezahlt wer
den. Dr. Boyce lei tete die nachfolgenden 7 Symposien, bevor er seine eigene Con
sulting und Engineering Gesellschaft grundete. Das 10. Symposium wurde kurz
lich gehalten und 109 mehr als 1200 Ingenieure aus vielen unterschiedlichen
Landern an.
Dieses wichtige neue Handbuch kommt von einem erfahrenen Ingenieur zur
bestpassenden Zeit. Niemals waren die Energiekosten hOher, noch gibt es ein Ver
sprechen, daB sie ihren PreishOchststand erreicht haben. Dr. Boyce kennt diese
Sorgen, und mit seinem Handbuch hat er eine Anleitung und die Mittel geliefert,
VIII Anmerkung des Obersetzers
urn hiermit den optimalen Gebrauch jeder Einheit von Energie zu erreichen, die
zu einer Gasturbine geliefert wird. Das Handbuch sollte seinen Platz in allen Refe
renzbuchereien fur Ingenieure und Techniker finden, die auch nur eine kleine
Verantwortlichkeit fur Auslegung und Betrieb von Gasturbinen haben.
Clifford M. Simmang
Department of Mechanical Engineering
Texas A&M University
College Station, Texas
Anmerkung des Ubersetzers
Diese Ubersetzung des "Gas Turbine Engineering Handbook" von Meherwan P.
Boyce, Gulf Publishing Company, wurde erstellt, urn Erfahrungen aus dem eng
lischsprachigen Raum fur die im deutschsprachigen Raum schnell wachsende
Anzahl von Gasturbinenanwendungen leichter zuganglich zu machen.
Eine Eigenart der amerikanischen technischen Termini sind unkomplizierte
Zusammensetzungen von Begriffen. Die wortlichen Ubersetzungen in diesem
Buch lauten z.B. "Plattenrippen-Industrie-Regenerator" oder "Flugtriebwerk
Legierungen". Die genauer dem Deutschen entsprechenden Ubersetzungen hat
ten lauten muss en "Industrieregeneratoren in Plattenrippenbauweise" oder gar
"Regeneratoren fur den Industrieeinsatz in der Bauweise mit Plattenrippen". Der
zweite Begriff hatte auch ubersetzt werden konnen mit "Legierungen fur Flug
triebwerke" oder "Legierungen, die in Flugtriebwerken eingesetzt werden". Der
kurzeren, mehr dem Amerikanischen entsprechenden Form, wurde in dieser
Ubersetzung meistens der Vorzug gegeben. Dies allein schon deshalb, damit der
Buchumfang nicht urn weitere 100 Seiten anschwillt.
Ich hoffe, mit der Ubersetzung Betreibern, Serviceleistenden, Herstellern und
auch Studenten eine nutzliche Hilfe fur Projektierung, Errichtung, Betrieb und
Instandhaltung von Gasturbinenanlagen geben zu konnen.
Dr.-Ing. Karl Schmitt
Berlin, im Sommer 1998
Inhaltsverzeichnis
Ein Uberblick tiber Gasturbinen .......................................... 3
1.1 Industriegasturbinen in Schwerbauweise (Heavy Duty) ................ 8
1.2 Luftfahrtabgeleitete Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 MittelgroBe Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
104 Kleine Gasturbinen ............................................... 13
1.5 Hauptkomponenten der Gasturbine ................................. 14
1.5.1 Kompressoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.2 Regeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.3 Brennkammern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.504 Turbinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6 Dampfgeneratoren mit Warmertickgewinnung ....................... 24
2 Analyse des theoretischen und realen Zyklus ............................... 26
2.1 Allgemeiner Brayton-Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.1 Effekt der Regeneration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.2 Zwischenktihlungs-und Wiedererwarmungseffekte ........... 30
2.2 Analyse des wirklichen Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.1 Der einfache Zyklus .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2 Einfacher Zyklus mit geteilten Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.3 Der regenerative Zyklus ................................... 37
2.204 Der zwischengekiihlte einfache Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.5 Der wiedererwarmte Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.6 Der zwischengekiihlte regenerative Wiedererwarmungszyklus .. 41
2.2.7 Der Dampfeinspritzzyklus ................................. 42
2.2.8 Der regenerative Zyklus mit Verdampfung ................... 45
2.2.9 Der Brayton-Rankine-Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Leistungscharakteristika der Kompressoren und Turbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1 Thermodynamik der Luftstrtimung in den Turbomaschinen . . . .. . .. . . . . 53
3.1.1 Ideales Gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.2 Kompressibilitatseffekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2 Die Aerothermischen Gleichungen .................................. 57
3.2.1 Die Kontinuitatsgleichung ................................. 58
3.2.2 Die Impulsgleichung ...................................... 58
3.2.3 Die Energiegleichung ..................................... 61
3.3 Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.l Adiabater Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.2 Polytroper Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
304 Dimensionsanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5 Leistungscharakteristika der Kompressoren .......................... 70
3.6 Leistungscharakteristika von Turbinen .............................. 72
3.7 Leistungsberechnung zur Gasturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
X Inhaltsverzeichnis
4 Normen zur mechanischen Ausriistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1 API-Norm 616 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2 API-Norm 617 ....... " ... .. ... ... .. ... ... ... ... ..... .. ... ........ 87
4.3 API-Norm 613 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4 API-Norm 614 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 API-Norm 670. .. ... ..... ..... ... .. ... ......... .. ... .. .. ..... .. .. . 96
4.6 Spezifikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Rotordynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 104
5.1 Mathematische Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 104
5.1.1 Ungedampftes freies System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107
5.1.2 Gedampftes System ....................................... lOS
5.1.3 Erzwungene Schwingungen ................................ III
5.1.4 Auslegungsiiberlegungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 115
5.2 Anwendungen fUr rotierende Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116
5.2.1 Steife Aufhangungen ...................................... 116
5.2.2 Flexible Aufhangungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. I1S
5.3 Kritische Drehzahlberechnungen fUr Rotor-Lager-Systeme ............. 120
5.4 Elektromechanische Systeme und Analogien ......................... 123
5.4.1 Krafte an einem Rotor/Lager-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 124
5.4.2 Rotor-Lager-System-Instabilitaten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 126
5.4.3 Selbsterregte Instabilitaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 129
5.5 Campbell-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 135
5.6 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 140
6 Radialkompressoren.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 145
6.1 Komponenten der Radialkompressoren . ... .. ... ... .. .. ... .. ..... .... 147
6.1.1 EinlaBleitschaufeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 152
6.1.2 Laufrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 154
6.1.3 Einstromteil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
6.1.4 Zentrifugalabschnitt eines Laufrads .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 160
6.1.5 Griinde der Stromungsabweichung (Slip) in einem Laufrad. .. .. 162
6.1.6 Stodola-Verschiebungsfaktor .... ... .. ..... ... .. ..... .. ... .. 165
6.1.7 Stanitz-Verschiebungsfaktor. ..... ... .. ... .. ... .. ..... ... .. 166
6.1.S Diffusoren .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166
6.1.9 Schneckengehause (Scroll oder Volute) ...................... 169
6.2 Leistung des Radialkompressors .................................... 17l
6.2.1 Rotorverluste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
6.2.2 Statorverluste. .. ... ..... ..... ... ... .. ... ..... .... ... ..... 175
6.3 Kompressorpumpen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 177
6.3.1 Pumpdetektion und -steuerung ............. '" .. ... .. ... ... 179
6.4 Radiale ProzeBkompressoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 182
6.4.1 Kompressorkonfiguration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 185
6.4.2 Laufradfertigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
6.5 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
7 Axial durchstromte Kompressoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 190
7.1 Nomenklaturfur Schaufeln und Gitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 192
7.2 Elementare Tragflugeltheorie .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
7.3 Laminarumstromte Tragflugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197
7.4 Gitterversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 198
7.5 Geschwindigkeitsdreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 205
7.6 Reaktionsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
7.7 Radiales Gleichgewicht ............................................ 212