Titel: Der heutige Stand im Dampfturbinenbau.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1911, Band 326 (S. 403–407)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj326/ar326117

Der heutige Stand im Dampfturbinenbau.

Von Bauinspektor Dr.-Ing. Meuth, Stuttgart.

(Fortsetzung von S. 391 d. Bd.)

Gleichdruckturbinen mit einer oder nur wenigen Druckstufen.

Die de Laval-Turbine, die erste in die Praxis eingeführte Vertreterin der Aktionsturbinen, wird heute kaum noch gebaut. In Deutschland hat die Maschinenbauanstalt Humboldt in Kalk den Bau von de Laval-Turbinen übernommen. Gegenüber der in D. p. J. Bd. 313, Jahrgang 1899, S. 145 beschriebenen Ausführung ist bei neueren Maschinen nichts Wesentliches geändert worden. Ihre Oekonomie ist von neueren Turbinen gleicher Größe noch nicht übertroffen; die hohe Umfangsgeschwindigkeit, die Zwischenschaltung eines Zahnrädergetriebes, die Reguliereinrichtung, die eine peinlich genaue Ausführung verlangte, wenn keine Störungen auftreten sollten, überhaupt die Empfindlichkeit ihrer Teile beeinträchtigen ihren Wert als Betriebsmaschine, abgesehen davon, daß sie wegen der notwendigen Zahnräderübersetzung auf kleine Leistungen bis 300 PS beschränkt bleibt. Im übrigen wird sie an Einfachheit der Bauart von keiner anderen Turbine übertroffen. Die Maschinenbauanstalt Humboldt in Kalk baut neuerdings Gleichdruckturbinen mit Geschwindigkeitsabstufung, je nach der Leistung mit einer oder mehreren Druckstufen. Die Bauart des Regulators ist von der de Laval-Turbine übernommen; der Antrieb erfolgt aber von der Turbinenwelle aus durch Schraubenräder. Der Rotor der Turbine besteht aus einem dreikränzigen Turbinenrad; die Schaufeln aus 25 prozentigem Nickelstahl blankgezogen sind mit Schwalbenschwanz in den Kranz eingesetzt. Am Umfang der Schaufelkränze sind Bänder zum Abschluß der Schaufelkanäle aufgenietet. Die Lager sind einfache Ringschmierlager; die Dichtungen werden durch Kohlenringe gebildet, die aus einzelnen Segmenten bestehen und durch Schlauchfedern zusammengehalten und leicht gegen die Welle gepreßt werden. Die Tourenzahl beträgt bei den kleinsten Größen von 2 bis 7 PS 3500 i. d. Min., bei allen anderen 3000. Nur in besonderen Fällen, wo eine geringe Umdrehungszahl der angetriebenen Maschine verlangt wird, wird ein Zahnradvorgelege ausgeführt.

Textabbildung Bd. 326, S. 403

Den Bau von Gleichdruckturbinen mit Geschwindigkeitsstufen hat sich in Deutschland besonders die Allgemeine |404| Elektrizitätsgesellschaft in Berlin zur Aufgabe gemacht. Aufbauend auf die Erfahrungen mit der in Amerika stark verbreiteten Curtis-Turbine hat die A. E. G. diese Bauart planmäßig fortentwickelt und sie zu großer Vollkommenheit gebracht. Von der amerikanischen Curtis-Turbine unterscheidet sich die Turbine der A. E. G. vor allem durch die wagerechte Welle, ferner durch die ausschließliche Verwendung von Druckstufen im Niederdruckteil großer langsamlaufender Turbinen, in welchem die amerikanische Bauart auch Geschwindigkeitsstufen aufweist.

Textabbildung Bd. 326, S. 404

Die Vorteile einer Turbine mit Geschwindigkeitsstufen liegen hauptsächlich in der Einfachheit der Bauart und in der hierdurch bedingten höheren Betriebssicherheit. In einem einzigen Rad kann ein großes Druckgefälle verarbeitet werden, so daß gewöhnlich nur zwei Räder mit je zwei Schaufelkränzen nötig sind. Der Dampf gelangt auch bei hohen Anfangsdrucken und Temperaturen in das Turbineninnere und vor die Schaufeln mit stark vermindertem Druck und mit niederer Temperatur; die Schwierigkeiten der Abdichtung der Welle und infolge auftretender Wärmedehnungen sind dadurch bedeutend verringert. Die Schaufelräder können mit großem Spielraum im Gehäuse laufen, zur Entlastung der Welle vom Achsialschub bedarf es keiner besonderen Einrichtungen, vor allem aber erhält die Turbine eine äußerst kurze Baulänge, was mit Rücksicht auf eine sichere Lagerung, einen guten Lauf und eine bequeme Bedienung von großem Vorteil ist. Hierzu kommt noch, daß die Turbinen in ihrer Grundfläche sehr wenig Raum beanspruchen. In der Dampfökonomie können Turbinen mit Geschwindigkeitsstufen Turbinen mit vielen Druckstufen nicht erreichen, weil die hohen Dampfgeschwindigkeiten größere Energieverluste bedingen. Denn diese nehmen etwa mit dem Quadrat der Dampfgeschwindigkeit zu. Dem steht ein etwas größerer Verlust bei den vielstufigen Turbinen gegenüber durch den längeren Reibungsweg des Dampfes und die größere Zahl von Schaufelkanten, an denen ein Stoß stattfindet. Durch die Möglichkeit, sehr hohe Dampfdrucke und Temperaturen zu verarbeiten, ferner bei kleinerer Belastung die Frischdampfmenge nicht durch Drosselung, sondern durch Aenderung der Beaufschlagung bei konstanter Anfangsspannung zu regeln, wird jedoch ein recht günstiger Dampfverbrauch erreicht. Diese Gründe waren auch für einzelne Firmen mitbestimmend bei der Einführung eines Gleichdruckrades mit Geschwindigkeitsstufen im Hochdruckteil vielstufiger Druck- und Ueberdruckturbinen außer dem Vorteil der kurzen Baulänge und der größeren Unempfindlichkeit im Betriebe.

Textabbildung Bd. 326, S. 404

Fig. 25 zeigt den Schnitt durch eine A. E. G.-Turbine mit zwei Druckstufen und je zwei Geschwindigkeitsstufen. Diese Ausführung wird ausschließlich für raschlaufende Maschinen bis zu 2000 KW Leistung gewählt. Alle wesentlichen Einzelheiten gehen aus der Darstellung hervor. Das Gehäuse ist am Abdampfstutzen mit der Grundplatte verbunden; es ist in der Wandstärke sehr kräftig gehalten, um größere Formänderungen zu vermeiden. In der Horizontalebene ist das Gehäuse nicht geteilt. Zur Demontage werden Dekkel, Rad und Zwischenwand über die Welle heruntergezogen. Auf der Vorderseite der Turbine befindet sich der Düsenkasten mit der Reguliereinrichtung. Bei größeren Turbinen, die mit geringerer Tourenzahl laufen müssen, kommt an Stelle des zweiten Rades ein mehrstufiger Niederdruckteil mit einkränzigen Aktionsrädern zur Ausführung, wie es Fig. 26 zeigt. In Fig. 27 ist eine solche größere Turbine dargestellt. Hier ist das Gehäuse des Niederdruckteiles auch in der Horizontalmittelebene geteilt, um dessen Schaufelung durch Abheben des oberen Gehäusedeckels zugänglich zu machen. Am Gehäuse sind ferner Oeffnungen vorgesehen, um das Innere nachsehen zu können, ohne die Maschine auseinanderzunehmen. Wie aus Fig. 27 ersichtlich, befindet sich zwischen Turbine und Dynamo nur ein Traglager, mit dem Außenlager der Dynamo besitzt also das ganze Aggregat nur drei Lager. Eine solche Ausführung, die natürlich die ganze Baulänge sehr verkürzt, bedingt eine starre Kupplung der Welle, ferner eine große Steifigkeit |405| des rotierenden Teiles und Unveränderlichkeit der Lagerstellen. Zu diesem Zweck werden Dynamo und Turbine auf eine gemeinsame steife Grundplatte gesetzt und Welle und Gehäuse sehr kräftig gehalten. Die starken Lagerkörper werden mit breiten Füßen und starken Schrauben mit der Grundplatte verschraubt. Das vordere Lager sitzt konsolartig an dem Gehäusedeckel; das als Kammlager ausgebildete Spurlager ist sehr klein gehalten; es dient auch nur dazu, den Rotor genau einzustellen und hat im übrigen nur unbedeutende Kräfte aufzunehmen. Die Lager haben Weißmetallfutter und die übliche Schmierung durch Drucköl. Dasselbe wird von unten einer Längsnute zugeführt, die sich unten etwas vor dem tiefsten Punkt (in der Richtung der Zapfendrehung) befindet. Von da aus wird es von der umlaufenden Welle nach der Lagermitte, wo die Belastung am größten ist, mitgenommen und über die übrige Lagerfläche verteilt; es fließt dann nach den Seiten in einen Hohlraum ab, der nach außen durch Spritzringe abgeschlossen ist. Zur Kühlung der Lager wird entweder Kühlwasser durch die Hohlräume der Lagerschalen geschickt oder das Drucköl wird durch einen besonderen Kühlapparat gekühlt und umspült vor seiner Verwendung zur Schmierung die äußeren Flächen der Lagerschalen, die zur besseren Wärmeabführung mit zahlreichen Rippen versehen sind.

Textabbildung Bd. 326, S. 405
Textabbildung Bd. 326, S. 405
Textabbildung Bd. 326, S. 405

Eine betriebssichere und dauernd gute Lagerung der oben beschriebenen Art ist nur bei der sorgfältigsten Werkstattausführung und genauer Ausbalanzierung des ganzen rotierenden Teiles möglich. Die A. E. G. führt nicht bloß die Ausbalanzierung der einzelnen Teile des Rotors, sondern auch des vollständigen Rotors der Turbine und des angekuppelten Generators aus. Durch sorgfältige Konstruktion und Ausführung ist dafür gesorgt, daß eine Verschiebung des Massenschwerpunktes im Betriebe nicht eintritt.

Fig. 25 läßt auch die Art der Dampfzuführung zu den Schaufelrädern und diese selbst erkennen. Die Düsen sind in Fig. 28 noch besonders dargestellt. Sie haben rechteckigen Austrittsquerschnitt, welcher aus der runden Form durch Pressen gebildet wird; die einzelnen Düsen liegen dicht nebeneinander und ergeben auf eine gewisse Strecke des Umfangs eine ununterbrochene Beaufschlagung. Für besonders hohe Ueberhitzung werden die Düsen in einem Segmentstück aus Spezialguß vereinigt. Eine Auswechslung des Düsenkörpers bei veränderten Dampfverhältnissen ist leicht möglich. Im Niederdruckteil großer, langsamlaufender Turbinen werden statt Düsen Leitapparate verwendet mit eingegossenen, am Austritt parallelwandigen Leitschaufeln (Fig. 26). Die Schaufelräder sind annähernd als Scheiben gleicher Festigkeit aus hochwertigem Stahl hergestellt. Die Naben sind zur genaueren Zentrierung und leichteren Demontage mittels konischer Büchsen auf der Welle befestigt. Der Kranz ist als starker Wulst zur Aufnahme der Schaufeln ausgebildet. Fig. 29 läßt die Schaufelbefestigung mit Schwalbenschwanznut deutlich erkennen. Die |406| Schaufeln sind von gezogenen Profilstäben abgeschnitten; als Material wird im ersten Kranz gewöhnlich Nickelstahl, in den folgenden eine Spezialbronze verwendet. Der schwalbenschwanzförmige Fuß wie das Zwischenstück wird in einer Presse hergestellt; die Arbeit läßt sich natürlich viel rascher ausführen als durch Fräsen, doch ist es eine ziemlich gewaltsame Behandlung des Materials; es ist auch notwendig, den durch das Pressen entstehenden Grat bei jeder Schaufel zu beseitigen. Die Schaufeln werden abwechselnd mit den Zwischenstücken aus weicherem Material durch eine seitliche Oeffnung im Kranz, die am Schlusse verschlossen wird, in die ringsumlaufende Nut eingeführt. Außen sind die Schaufelkanäle durch eine segmentweise umgelegte und mit den Köpfen der einzelnen Schaufeln vernietete Bandage abgeschlossen. Ebenso sind die Schaufeln der Umkehrsegmente hergestellt.

Die Abdichtung der Welle kann auf der Hochdruckseite zweistufiger Turbinen sehr einfach sein, da hier der innere Ueberdruck bei Vollbelastung nur sehr gering ist, während bei geringen Belastungen gegen einen kleinen Ueberdruck abzudichten ist. Für letzteren Fall wird, wie in Fig. 25 angedeutet, etwas Dampf zur Dichtung geführt. Die Niederdruckdichtung besitzt eine etwas größere Zahl von Labyrinthkammern als die Hochdruckdichtung. Der Dichtungsdampf wird aus der ersten Turbinenkammer der Hochdruckstufe entnommen und von dort durch die Hochdruckdichtung hindurch angesaugt. Nur falls auf diesem Wege nicht genügend Dichtungsdampf zu bekommen ist, wird gedrosselter Frischdampf zugeführt. Die Kämme der umschließenden Büchse aus Nickelbronze nähern sich bis auf einen sehr geringen Spielraum den Rillen in der Welle, was nur dadurch ohne Gefahr für das Anstreifen möglich ist, daß infolge der steifen Bauart der Turbine die Durchbiegungen der Welle und die Formänderungen des Gehäuses in sehr kleinen Grenzen bleiben. Dasselbe gilt von der Dichtung in der Zwischenwand. Bei größerem Spielraum würde bei dieser nur sehr kurzen Dichtung ein nicht unbeträchtlicher Dampfverlust entstehen.

Zur Regulierung der Dampfmenge wird in der Regel der Frischdampf durch ein doppelsitziges Regulierventil gedrosselt. Letzteres wird in der gewöhnlichen Weise von einem Schwungkugelregulator mit Hilfe eines Druckölservomotors verstellt. Fig. 30 läßt die Einzelheiten der Reguliereinrichtung deutlich erkennen. Das Preßöl für die Regulierung wird zusammen mit dem Oel für die Lagerschmierung von einer Zahnradpumpe geliefert, die am Ende der Regulatorspindel sitzt. Für das Anfahren, bei dem es gewöhnlich längere Zeit dauert, bis die Pumpe für die Lager Oel liefert, ist eine besondere Hand- und bei größeren Maschinen eine Dampfpumpe vorgesehen. Die Regulierung arbeitet sehr genau; sie beschränkt die Tourenänderungen bei plötzlicher Zu- oder Abschaltung von ¼ der Belastung auf 1,5 v. H. Bei plötzlicher Entlastung von Vollast auf Leerlauf bleibt die Tourenänderung noch unter 5 v. H. Fig. 30 läßt auch die Feder zur Verstellung der normalen Tourenzahl während des Betriebes um ± 5 v. H. für die Parallelschaltung ungleich belasteter Wechselstrommaschinen erkennen, die auch für Fernschaltung von der Schalttafel aus eingerichtet werden kann.

Textabbildung Bd. 326, S. 406

Für starke und häufige Belastungsschwankungen, wie in Berg- und Hüttenbetrieben, werden die einzelnen Düsen der ersten Stufe vom Regulator geöffnet und geschlossen und auf diese Weise die Verluste durch die Dampfdrosselung vermieden. Hierbei wird vom Regulator mit Hilfe des Druckkolbens eines Servomotors eine Kurvenstange bewegt, durch welche je nach ihrer Stellung mehr oder weniger Düsenventile geöffnet werden. Ein Drosselventil ist dann nicht vorhanden. Nur wo große Belastungsänderungen mit einer gewissen Regelmäßigkeit allmählich und nicht stoßweise auftreten, wie z.B. in elektrischen Zentralen, werden die Düsen von Hand zu- und abgeschaltet und im übrigen die Dampfmenge durch das Drosselventil geregelt. Der Anfangsdruck kann bei aufmerksamer Bedienung auch hierbei annähernd unverändert erhalten werden. Bei den raschlaufenden Turbinen mit 3000 Touren sind gewöhnlich die Ventile von zwei Düsengruppen abschaltbar gemacht, von denen das eine bei Ueberlastung geöffnet, das andere etwa bei halber Last geschlossen wird. Für größere Maschinen werden gewöhnlich vier Düsengruppen durch Ventile abschaltbar gemacht. Im Bereich der kleineren Belastungen macht sich die Düsenregulierung in hohem Maße geltend, wie die Versuchsergebnisse in Fig. 31 zeigen. In die Figur sind außerdem die Resultate des Versuches an einer 4000 KW-Zoelly-Turbine eingetragen (strichpunktierte Linie). Die Turbine arbeitete fast unter den gleichen Dampfverhältnissen wie die Turbine der A. E. G. Die Resultate können daher unmittelbar miteinander verglichen werden. Die Gegenüberstellung zeigt die Ueberlegenheit der Düsenregulierung namentlich bei den kleineren Belastungen.

Tabelle 2.

Dampfdruck am Ein-
laßventil kg/qcm
Dampftemperatur
°C
Druck vor den Ein-
laßdüsen kg/qcm
Erste Zweite Vakuum in Kon-
densator mm Hg
Barometerstand
mm Hg
Kühlwassertemp.
°C
Warmwasseraustritt
°C
Tourenzahl Leistung nach dem
Wattmeter in KW
Leistung der Er-
regermaschine KW
Stündl. Wasser-
menge in kg
Wasser für
1 KW/Std. kg
Druckstufe
Druck in
mm Hg
Temperatur Vakuum in
mm Hg
Temperatur
Vollast 10,17 246 8,5 81 119,3 681 39,6 695,6 723 18,6 28,9 3020 305,0 2,05 2620,0 8,6
Halbe Last 10,34 216 4,3 365 101,0 696 31,5 707,0 723 18,4 24,2 3020 151,8 1,43 1532,5 10,1
Gewöhnl.
Fabrfklast
10,20 233 5,7 262 108,7 694 34,0 705,6 723 17,4 24,7 3020 208,3 1,80 1958,0 9,4
|407|

Für vorübergehenden Betrieb mit Auspuff – bei einem Defekt an der Kondensationsanlage – sind zwei Zusatzventile für die weitere Beaufschlagung der ersten Stufe (siehe Fig. 30) vorgesehen, mit deren Hilfe auch beim Auspuffbetrieb nahezu die volle Leistung der Turbine erreicht werden kann. Es arbeitet dabei nur die erste Stufe und es ist dafür gesorgt, daß der Dampf durch eine besondere Oeffnung teilweise direkt aus der ersten Stufe ins Freie gelangen kann. Diese Einrichtung mit Zusatzventilen findet sich aber nur bei kleineren Anlagen, bei denen mangels einer Reserve der Betrieb mit Auspuff weitergeführt werden muß beim Versagen der Kondensation.

Die hohen Dampfgeschwindigkeiten, namentlich in den ersten Stufen von Turbinen mit Geschwindigkeitsabstufung, beeinträchtigen natürlich die Dampfökonomie; auch treten bei der teilweisen Beaufschlagung und bei den hohen Radgeschwindigkeiten höhere Ventilations- und Reibungsverluste als bei vielstufigen Turbinen auf; doch ist der Dampfverbrauch keineswegs ungünstig. Eine 300 KW-Drehstromturbodynamo, deren Resultate in Tab. 2 mitgeteilt sind, erreichte bei Vollast einen thermischen Wirkungsgrad von 48 v. H. auf den Dampfzustand am Einlaßventil und im Kondensator und auf die effektive Dynamoleistung bezogen. Bei einer 4000 KW-Drehstromturbodynamo mit vielstufigem Niederdruckteil betrug der thermische Wirkungsgrad 63 v. H. Nachstehend sind die Versuchsresultate beider Maschinen mitgeteilt.

Eine große 4000 KW-Drehstromturbodynamo wies die nachstehenden Dampfverbrauchszahlen auf, die bei Vollast und halber Last annähernd dieselben sind; ein Erfolg der Düsenabschaltung.

Versuch Nr. 1 2 3
Dampfdruck at Ueberdruck 12,4 12,3 12,2
Dampftemperatur°C 334 333 341
Unterdruck im Abdampfstutzen v. H. 98,2 98,1 97,6
Nutzleistung an den Klemmen abzüglich
Erregerleistung KW

2200

3240

4232
Dampfverbrauch für 1 Nutz-KWSt.
an den Klemmen (einschl. Erregung,
ausschl. Kondensation) kg

5,40

5,49

5,50

(Fortsetzung folgt.)

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