Table Of ContentStefan aus der Wiesche
Franz Joos Hrsg.
Handbuch
Dampfturbinen
Grundlagen, Konstruktion, Betrieb
Handbuch Dampfturbinen
(cid:2)
Stefan aus der Wiesche Franz Joos
(Hrsg.)
Handbuch Dampfturbinen
Grundlagen, Konstruktion, Betrieb
Herausgeber
StefanausderWiesche FranzJoos
FachhochschuleMünster Helmut-Schmidt-Universität,Universitätder
Steinfurt,Deutschland BundeswehrHamburg
Hamburg,Deutschland
ISBN978-3-658-20629-1 ISBN978-3-658-20630-7(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-20630-7
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Vorwort
Vor rund einhundert Jahren konnte man die Gesamtheit des damaligen Dampfturbinen-
bausnoch in einem monumentalenWerk zusammenfassen, wie es A. Stodola in seinem
Klassiker„DieDampfturbinen“(4.Auflage,Springer-Verlag,Berlin,1910)gelungenist.
EinesolchevollständigeDarstellunginnureinemBuchistheutenichtmehrmöglich,da
indenletztenJahrzehntenimDampfturbinenbaueineenormeErweiterungdesKenntnis-
standes und der konstruktiven Ausführungen erfolgte. Bemerkenswert ist, dass speziell
seit den 1990er-Jahren eine fast sprunghafteWeiterentwicklung einsetzte, die man nach
einemWortvonW.Ulm(VGBPowerTech83(2003),1)alseineweitgehendunbemerkte
technologische Revolution bezeichnen könnte. Die modernen Dampfturbinen von heute
werden–vereinfachtausgedrückt–anderskonstruiertundgefertigtalsihreerfolgreichen
Vorgängerinnen von einst. Diese technologische Revolution blieb einer breiten Öffent-
lichkeit – aber auch einem großen Kreis von Fachleuten – verborgen, weil sie nur sehr
begrenztinderLiteraturaußerhalbvonFachkonferenzenundFachzeitschriftenbehandelt
wurde. Die Mehrzahl der englisch- und deutschsprachigen Bücher über Dampfturbinen
wurdenvor1990geschrieben.AuchdiederzeitverbreiteteFachliteratur,wiebeispielswei-
se die VGB-Fachkunde „Dampf- und Gasturbinen“ (VGB PowerTech, Essen), spiegeln
meist nur den Stand der späten 1980er-Jahre wider. Infolgedessen erschien es den Her-
ausgebern undAutoren des vorliegendenBuchesund dem Verlag geboten, ein aktuelles
HandbuchüberDampfturbinenzuverfassen,waseinergrößerenLeserschaftwiedereine
OrientierungüberdiesennachwievorwichtigenBereichdesMaschinenbausermöglicht.
Wie wichtig eine zeitgemäße Darstellung von Dampfturbinen ist, vermitteln die in
denUSAerschienenekurzeZusammenfassungvonH.Termuehlen(„100YearsofPower
PlantDevelopment:FocusonSteam andGasTurbinesasPrimeMovers“,ASME Press,
2001) und die beiden ausführlichen Monographien„Steam Turbines for Modern Fossil-
FuelPowerPlants“(FairmontPress,2007)und„Wet-SteamTurbinesforNuclearPower
Plants“(PennWell,2005)vonA.S.Leyzerovich.IndiesenFachbüchernwirdderenorme
FortschrittderletztenJahrzehnteimDampfturbinenbauanschaulichdargestellt.ImUnter-
schiedzudiesenWerkensolldashiervorliegendeHandbuchabernichtnurübermoderne
Entwicklungeninformieren,sondernauchdieallgemeinenphysikalischenundkonstrukti-
venGrundlagendesDampfturbinenbausfüreinenweitenKreisvoninteressiertenLesern
vermitteln.DieserGrundideefolgend,befassensichnacheinerqualitativenÜbersichtdie
V
VI Vorwort
erstenKapitelmitdenthermodynamischen,strömungstechnischenundrotordynamischen
Grundlagen.AuchdieimmerwichtigerwerdendeThematikderZweiphasenströmungin
NassdampfdampfstufenwirdindiesemBuchinFormeineseigenenKapitelsausführlich
behandelt.ImgesamtenBuchwerdenanverschiedenenStellenmodernerechnergestützte
Auslegungs-undEntwicklungsverfahrenaufgeführt,wobeidieheuteimDampfturbinen-
bau unverzichtbaren numerischen Strömungssimulationen (Computational Fluid Dyna-
mics (CFD)) darüber hinaus auch in einem separaten Kapitel vorgestellt werden. Ein
GroßteildiesesHandbuchesbefasstsichmitdenvielfältigenkonstruktivenAspektendes
Dampfturbinenbaus und der enormen Fülle an Ausführungsbeispielen. Inhaltlich folgen
dieentsprechendenKapiteldemDampfpfad,d.h.beginnendmitdenEinlassorganenwer-
den entlang der Hauptströmung die einzelnen Komponenten der Dampfturbinen bis hin
zum Kondensator und Rückkühlwerk beschrieben. Die Ausführungsbeispiele und An-
wendungenderGesamtmaschinenerfolgeninseparatenKapiteln,dieauchallewichtigen
Kraftwerkseinsätze abdecken. Die überwältigendeMehrzahl der Dampfturbinenwird in
fossil befeuerten Kraftwerken oder in Kernkraftwerken eingesetzt, aber auch die geo-
und solarthermischen Dampfkraftwerke werden in diesem Buch als Beispiele für um-
weltfreundlicheDampfkraftprozesse näher behandelt. Der Einsatz der Dampfturbineals
SchiffsantriebwurdeaberwegenderheutesehrgeringenBedeutungindiesemHandbuch
weitgehendausgelassen. DerletzteTeilderKapitelbefassensichmitdenverschiedenen
Aspekten des Betriebs von Dampfturbinen, wie Regelung und Vermeidung von Störun-
gen,oderAbnahme-undBetriebsversuche.
BeiderAbfassungdereinzelnenKapitelwurdedaraufhingearbeitet,dassdiesemög-
lichst auchfür sich alleineschon gutlesbareEinheiten darstellen. Dieeventuellim Text
undimBildmaterialauftretendenkleineninhaltlichenÜberschneidungenwurdenimSin-
neeinerbesserenLesbarkeitbewusstinKaufgenommen.GrößereinhaltlicheWiederho-
lungenwurdenabervermieden,sodassinEinzelfällenRückgriffeaufandereKapitelfür
Leserhilfreichsein mögen.AuchwurdeindeneinzelnenKapitelndaraufgeachtet,dass
als Formelsymbole möglichst die in den jeweiligen Fachgebieten übliche Nomenklatur
verwendet wurde. Dies führt zwar zu einer teilweisen Mehrfachbelegung der Symbole,
doch sollten dadurch keine größerenSchwierigkeiten auftreten, da die jeweilige Bedeu-
tungimmerausdemZusammenhangklarhervorgeht.
In das Buch ist das Wissen eingeflossen, das die Autoren während ihrer Hochschul-
und Industrietätigkeit über viele Jahre hinweg im Bereich der Dampfturbinen erworben
haben. Dieses Buch konnte aber auch nur geschrieben werden, weil die Autoren in Ge-
sprächen mit vielen Experten aus Industrie und Hochschule wichtige Erfahrungen über
ihren persönlichen Arbeitsbereich hinaus sammeln durften. Diesen Experten und ihren
Firmen und Hochschulen, die das vorliegende Buch unterstützten, gilt der gemeinsame
DankderAutoren.BesondersseiandieserStelledieUnterstützungdurchdenVGBund
seinenExpertenerwähnt.
DiesesHandbuchkonntenurdurchdasInteresseunddieUnterstützungdesVerlages,
undganzbesondersdurchHerrn Zipsner undFrau Zander(Springer-Vieweg-Verlag)er-
scheinen.Wirallehoffen,dassdiesesHandbucheineguteAufnahmefindet.
Vorwort VII
BeidervielSorgfalterforderndenBearbeitungderManuskripteundAbbildungendie-
sesBucheswurdenwirvonunserenMitarbeitendengroßartigunterstützt.Ohnesiewäre
das hier vorliegende Buch in dieser Form nicht entstanden. Die Herausgeber möchten
an dieser Stelle den besonderen Einsatz von Martina Gerds hervorheben, die auch vor
den eher unangenehmen Aufgaben der Literaturverzeichniserstellung und der Kontrolle
der Nomenklatur nicht zurückschreckte. Weiterhin möchten wir die vielfältige adminis-
trative und zeichnerische Unterstützung (in alphabetischer Reihenfolge) durch Karsten
Hasselmann, Maximilian Passmann, Felix Reinker,Reiner Schönfeld, Stephan Uhkötter
undRobertWagnernichtunerwähntlassen.
StefanausderWiesche
FranzJoos Oktober2017
Einheiten und wichtige Formelzeichen
Einheiten
IndiesemBuchwerdendieEinheitenimSI-SystemmitdenGrundeinheiten
Länge m(Meter)
Masse kg(Kilogramm)
Zeit s(Sekunde)
Temperatur K(Kelvin)
verwendet. Für die Angabe der (absoluten) Temperatur wird im SI-System das Kelvin
(K)verwendet.InGrößengleichungendarfdasebenfallsgebräuchlicheGradCelsius(ıC)
stetsdurchKelvinersetztwerden.
Aus den Basiseinheiten können kohärent die Einheiten für alle übrigen verwendeten
mechanischenundwärmetechnischenGrößenabgeleitetwerden.DieEinheitenvonhäufig
verwendetenGrößenlassensichnachdennachfolgendenBeziehungenangegeben:
Kraft 1ND1kgm=s2
Druck 1PaD1N=m2und1barD105Pa
Energie/Arbeit 1JD1NmD1WsD1kgm2=s2
Leistung 1WD1J=sDNm=s
spezifischeEnthalpie 1J=kgD1m2=s2
Wärmemengen tragen dieselbe Einheit wie Energie und Arbeit (J). Bei Wärmeströ-
men (Watt) wird oft durch einen Index auf den thermischen Charakter hingewiesen
(z.B.MW ).DieUmrechnungderälterenWärmeeinheit„Kalorie“(cal)erfolgtgemäß
th
1calD4;1855Jbzw.1kcalD4;1855kJ
IX
X EinheitenundwichtigeFormelzeichen
In der angelsächsischen Literatur werden neben den SI-Einheiten auch nicht-metrische
Einheitenverwendet.DieUmrechnungder wichtigsten Einheitenkanngemäßdernach-
folgendenTab.1erfolgen.
Tab.1 UmrechnungvonEinheiten
Größe SI-Einheit Umrechnung(BritishoderImperialUnits)
Länge cm 1inchD2,54cm
Masse kg 1lbD0,4536kg
Temperatur ıC .ıF(cid:2)32/=1;8
Druck kPa 1psiD6,895kPa
Energie kJ 1BtuD1,055kJ
Leistung kW 1hpD0,7457kW
WichtigeFormelzeichen
NachfolgendwerdendieindiesemBuchhäufiggebrauchtenBuchstabensymboleundihre
Einheiten aufgeführt. Hierbei wurde angestrebt, die in der Praxis gebräuchlichen Kon-
ventionenzubeachten.BeispielsweisewirddiespezifischeGaskonstanteinderLiteratur
meist mit dem Buchstaben R bezeichnet, der auch für die Angabe von Radien verwen-
detwird.EbensoistesimTurbomaschinenbauüblich,dieUmfangsgeschwindigkeitmitu
zubezeichnen,wasinderThermodynamikoftdiespezifischeinnereEnergiebezeichnet.
DaherwerdendieBuchstabensymboleindeneinzelnenKapitelndiesesBuchesteilweise
mehrfachgebraucht.AusdemjeweiligenZusammenhangimTextwirddiejeweiligeBe-
deutung allerdings hervorgehen und sollte daher zu keinen praktischen Schwierigkeiten
führen.Formelzeichen,dieindernachfolgendeListenichtenthaltensind,gehenausder
ErläuterungimTexthervor.
LateinischeFormelzeichen
a Schallgeschwindigkeit m/s
a Beschleunigung m/s2
a dimensionsloseWinkelbeschleunigung –
a FlankentiefeeinesRisses m
A Flächebzw.Strömungsquerschnitt m2
A Übertragerfläche m2
A Korrekturfaktor –
a spezifischeTurbinenarbeit J/kg
t
a HebelarmderKrafteinleitung m
S
A Integrationskonstante –
n
B Dauer s
EinheitenundwichtigeFormelzeichen XI
b spezifischeAnergie J/kg
b axialeSehnenlänge m
b Lagerbreite m
b Rippenbreite m
B Lagerbreite m
b Stellgliedparameter –
L
b Dämpfungseintrag –
ij
B Integrationskonstante –
n
c Strömungsgeschwindigkeit m/s
c spezifischeWärmekapazität J/(kgK)
c Steifigkeit N/m
C Konstante –
C Konstante m
C Korrekturfunktion(HEI) –
C Steifigkeitsmatrix N/m
c spezifischeisobareWärmekapazität J/(kgK)
p
c Torsionssteifigkeit Nm/rad
T
c spezifischeisochoreWärmekapazität J/(kgK)
v
C Vorlastgröße m
b
C Cunningham-Faktor –
c
C Korrekturfunktionen(HEI) –
f
C Vorlastgröße m
m
Ca Kapillar-Zahl –
d Durchmesser(Wellenzapfen) m
D Durchmesser m
D Diffusionskoeffizient m2/s
d Durchmesser m
d spezifischerDampfverbrauch kg/kWh
D Durchmesser m
D Dämpfungsmaß –
D verallgemeinerteDämpfungsmatrix Ns/m
e Exzentrizität m
e Regelabweichung(normiert,imZeitbereich) –
E Energie J
E Elastizitätsmodul Pa
E Regelabweichung(normiert) –
e spezifischeExergie J/kg
e spezifischeEnergie J/kg
E E-Modul Pa
E Energie J
P
E Exergiestrom W
e Imperfektion,Unwuchtgröße m
S
