Stationäre Gasturbinen (eBook)

Professor Dr.-Ing. Christof Lechner, Jahrgang 1962, studierte Maschinenbau/Turbomaschinen an der TU München und der RWTH Aachen und promovierte auf dem Gebiet der Triebwerkssimulation an der Universität Hannover. Ab 1996 war er in der Prototyperprobung stationärer Gasturbinen tätig. Seit 2005 ist er Professor für die Lehrgebiete Strömungsmechanik, Thermodynamik und Technische Mechanik an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg. Professor Dr-Ing. Jörg Seume, Jahrgang 1958, erhielt seinen MS an der University of Wisconsin, Madison, und promovierte1988 an der University of Minnesota, Minneapolis/USA. Nach zwei Jahren industrieller Tätigkeit in den USA und neun Jahren in der Erprobung und Entwicklung stationärer Gasturbinen in Mülheim und Berlin wurde er 2000 auf die Professur für thermische Turbomaschinen und Strömungsmechanik an der Leibniz Universität Hannover berufen. Dort lehrt und forscht er auf den Gebieten der Aerodynamik, Aeroelastik und Aeroakustik thermischer Turbomaschinen und der Strömungsmechanik.

Autoren 22
Nomenklatur 28
1 Gasturbinentypen – eine Übersicht 41
Alexander Wiedermann 41
1.1 Betriebsarten und Gasturbinentypen 42
1.2 Zur Entwicklung der Gasturbine 46
Literaturverzeichnis 50
2 Thermodynamische Grundlagen 51
Jost Braun 51
2.1 Definitionen der verwendeten Größen 52
2.1.1 Ideales Gasverhalten 52
2.1.2 Unveränderte Stoffeigenschaften im Kreisprozess 52
2.1.3 Mittlere Wärmekapazität über Zustandsänderungen 53
2.1.4 Thermischer Wirkungsgrad und Prozesswirkungsgrade 54
2.1.5 Verdichter- und Turbinenwirkungsgrade 55
2.1.6 Mischtemperatur und Mischwirkungsgrade 57
2.2 Ideale Vergleichsprozesse 59
2.2.1 Carnot-Prozess 59
2.2.2 Umsetzung des Carnot-Prozesses mit Gasen 60
2.2.3 Offener Joule- (oder Brayton-)Prozess 61
2.2.4 Ericsson-Prozess 62
2.3 Reale Gasturbinenprozesse 63
2.3.1 Einfluss der Hauptverluste auf den Joule-Prozess 64
2.3.2 Einfluss von Druckverhältnis und Prozesstemperaturen 67
2.3.3 Spezifische Arbeit, Wirkungsgrad und Abgastemperatur 69
2.3.4 Prozessbestimmende Komponenten 70
2.4 Varianten des offenen Joule-Prozesses zur Prozessverbesserung 75
2.4.1 Einfluss einer Zwischenerhitzung (Reheat) 75
2.4.2 Einfluss einer Zwischenkühlung 79
2.4.3 Einfluss eines Rekuperators 80
2.4.4 Leistungsorientierte Prozessverbesserungen 81
2.4.5 Beispiele stationärer Gasturbinen 82
Literaturverzeichnis 87
3 GT-Kraftwerke 88
Lothar Balling 88
3.1 Historische Entwicklung 88
3.2 Frühe Anwendungen 89
3.3 Wandel der Kundenstruktur und Marktanforderungen 91
3.4 Betriebs- und Wartungskosten 94
3.5 GT-Kraftwerke für die Stromerzeugung heute 95
3.5.1 Gasturbinen-Kraftwerke (simple cycle) 95
3.5.2 Phasenschieberbetrieb 97
3.5.3 Anlagen zur Wärme-Kraft-Kopplung 97
3.5.4 Gasturbinen für Verbund-/Kombikraftwerke und Repowering 97
3.5.5 GuD-Anlagen mit integrierter Vergasung 98
3.5.6 Luftspeicher-Kraftwerke („Compressed Air Storage System“ = CAS) 99
3.6 Aufbau des GT-Kraftwerkes 100
3.6.1 Gasturbine 100
3.6.2 Gasturbinen-Hilfssysteme 101
3.6.3 Generator, Hochspannungssystem 104
3.6.4 Ansaugsystem 105
3.6.5 Kupplung 107
3.6.6 Abgassystem 107
3.6.7 Elektrotechnik 107
3.6.8 Leittechnik 108
3.6.9 Bautechnik 110
3.6.10 Außen- und Nebenanlagen 111
3.7 GuD-Kraftwerke 111
3.8 Kraftwerkstypen, Konzepte 117
3.8.1 Mehrwellenanlagen 117
3.8.2 Einwellenanlagen 120
3.8.3 Standardisierung und Modularisierung 122
3.8.4 Basiskraftwerk mit Optionen 124
3.8.5 Reduzierte Abwicklungszeiten 125
3.8.6 Konzept einer modernen Testanlage 126
3.9 Hauptkomponenten der GuD-Anlagen 127
3.9.1 Wasser-Dampf-Kreislauf 128
3.9.2 Abhitzedampferzeuger 131
3.10 Betrieb der GuD-Anlage 131
Literaturverzeichnis 136
4 Aeroderivate 139
Alexander Wiedermann 139
4.1 Prinzipieller Aufbau 139
4.2 Bevorzugte Einsatzgebiete von Aeroderivaten und Industriegasturbinen in Schwerbauweise 142
Literaturverzeichnis 146
5 Kraftwerkskomponenten 147
5.1 Wellenkupplung 147
Frank Rossig-Kruska 147
5.1.1 Allgemeines 147
5.1.2 Nichtschaltbare Wellenkupplungen 148
5.1.3 Schaltbare Wellenkupplungen 150
5.2 Getriebe 154
Thomas Deeg 154
5.2.1 Einführung 154
5.2.2 Verzahnung 154
5.2.3 Lager 161
5.2.4 Getriebekonzepte 162
5.2.5 Werkstoffe und Wärmebehandlung 165
5.2.6 Herstellung von Rotoren und Verzahnungen 167
5.2.7 Schmierung und Getriebeverluste 168
5.2.8 Betriebsbedingungen und Überwachung 170
5.3 Abgasstrecke und Abhitzedampferzeuger in GuD-Anlagen 173
Hans-Gerd Brummel 173
5.3.1 Zusammenstellung der abgasführenden Komponenten, Funktionsbeschreibung, Bauformen und Varianten, Stand der Technik 173
5.3.2 Abhitzedampferzeuger 190
5.3.3 Abhitzedampferzeuger mit Sondereinbauten 226
5.3.4 Verhalten der Abgasstrecken/Abhitzedampferzeugerbeim Anfahren eines GUD-Blocks mit Abgas-Bypasskaminen 232
5.3.5 Zusammenfassung und Ausblick (Status 2003) 236
5.3.6 Neue Entwicklungstendenzen bei der Abgasstrecke und bei Abhitzedampferzeugern (Status 2010) 237
5.4 Dampfturbine 245
Andreas Feldmüller 245
5.4.1 Einleitung 245
5.4.2 Dampfturbinen für Dampfkraftwerke 246
5.4.3 Anforderungen an Dampfturbinen für Kombiprozessemit Gasturbinen 246
5.4.4 Bauformen der Dampfturbinen für GuD-Kraftwerke 249
5.4.5 Beschaufelung 253
5.4.6 Konstruktive Aspekte von Dampfturbinen für GuD-Prozesse 256
5.5 Wärmeabfuhrsystem 262
Georg Haberberger und Dieter Blanck 262
5.5.1 Komponenten des Kalten Endes 262
5.5.2 Einfluss des Kalten Endes auf den Wirkungsgrad 263
5.5.3 Kühlverfahren 263
5.5.4 Auswahl des Kühlverfahrens 279
5.5.5 Niederdruckteilturbine 280
5.5.6 Oberflächenkondensator 282
5.5.7 Abwärmenutzung 286
5.6 Turbogenerator 288
Joachim Böer und Klaus Sedlazeck 288
5.6.1 Allgemeines 288
5.6.2 Generatorbauarten im mittleren Leistungsbereich 297
5.6.3 Generatorerregung, Anfahrmotor- und Phasenschieberbetrieb 305
5.6.4 Anforderungen an Generatoren und Prüfungen 309
5.6.5 Ausblick 314
Literaturverzeichnis 317
6 Grundlagen der Strömungsmaschinen 322
Günther Dibelius 322
6.1 Energieumwandlung 322
6.1.1 Umwandlungsprinzip 322
6.1.2 Auswirkung der Energieumwandlung auf die Strömungsgrößen 324
6.1.3 Auswirkung der Energieumwandlung auf die thermodynamischen Größen 325
6.1.4 Wirkungsgrade 329
6.2 Schaufelgitter 331
6.2.1 Lauf- und Leitgitter 331
6.2.2 Verzögerungs- und Beschleunigungsgitter 332
6.2.3 Verluste in Schaufelgittern 333
6.2.4 Gitterauslegung 334
6.2.5 Gitterkenngrößen 335
6.3 Stufe 339
6.3.1 Kombination von Schaufelgittern zu Stufen 339
6.3.2 Stufenkenngrößen 341
6.3.3 Stufencharakteristiken, Betriebsverhalten von Stufen 343
6.4 Maschine 344
6.4.1 Beschaufelung 345
6.4.2 Schaufellose Strömungsführungen 345
6.4.3 Maschinenkenngrößen 346
6.4.4 Maschinencharakteristiken, Betriebsverhalten 346
6.4.5 Leistungsregelung von Gasturbinen 347
Literaturverzeichnis 348
7 Verdichter 349
Reinhard Mönig und Ulrich Waltke 349
7.1 Anforderungen an Gasturbinenverdichter 349
7.2 Grundlagen 352
7.3 Verdichterbetrieb 357
7.4 Leistungsbetrieb 361
7.5 Transsonische Verdichterstufen 364
7.6 Subsonische Verdichterstufen 371
7.7 Konzeption von Gasturbinenverdichtern 378
7.8 Auslegung und Betriebsverhalten von Gasturbinenverdichtern 388
7.9 Betrieb von Gasturbinenverdichtern 393
7.9.1 An- und Abfahren von vielstufigen Axialverdichtern 393
7.9.2 Massenstromregelung durch Leitschaufelverstellung 396
7.9.3 Drehzahlbereich und Umgebungsbedingungen 396
7.9.4 Kritische Betriebszustände 399
7.9.5 Experimentelle Erprobung 400
7.9.6 Praxisprobleme und Maßnahmen 401
Literaturverzeichnis 405
8 Axialturbinen 406
Herbert F. J. Bals und Konrad Vogeler 406
8.1 Grundsätzliches 406
8.2 Auslegungsverfahren 411
8.3 Wahl des Reaktionsgrades 413
8.4 Festlegung des Meridiankanals 415
8.5 Festlegung der Profilsehnenlänge 419
8.6 Profilierung der Schaufeln 421
8.7 Einfluss der Radialspalte 423
8.8 Dreidimensionale Nachrechnung 423
8.9 Lebensdauerbetrachtungen 425
8.10 Betriebsgrenzen 426
8.11 Betriebsverhalten 428
Literaturverzeichnis 430
9 Grundlagen der Verbrennung in stationären Gasturbinen 431
Thomas Sattelmayer 431
9.1 Aufgaben der Brennkammer 431
9.2 Energie- und Stoffumwandlung in der Brennkammer 433
9.3 Flammentypen 438
9.3.1 Einfluss des Brennstoffs 438
9.3.2 Hauptcharakteristika 440
9.4 Flammenstabilisierung 442
9.5 Ablauf der Reaktion 444
9.6 NO-Bildung 450
9.6.1 Kinetik 450
9.6.2 Diffusionsflamme 451
9.6.3 Vormischverfahren 452
9.6.4 Fett-Mager-Verbrennung 459
9.7 Rußemission 460
9.8 Teillastverhalten, Stufungskonzepte und Pilotierung 462
9.9 Flammendynamik 466
9.9.1 Pulsationen und Stabilisierungsmaßnahmen 466
9.9.2 Flammenrückschlag im Vormischbrenner 472
9.9.3 Selbstzündung 475
9.10 Aufbereitung flüssiger Brennstoffe 480
9.11 Zerstäubung 480
9.11.1 Tropfenverdampfung und -dispersion 482
Literaturverzeichnis 485
10 Technische Verbrennungssysteme 487
Werner Krebs, Jaan Hellat und Adnan Eroglu 487
10.1 Anforderungen an technische Verbrennungssysteme 487
10.2 Brenner und Brennstoffzugabe 490
10.2.1 Hybridbrenner 493
10.2.2 EV-Brenner 495
10.2.3 SEV-Brenner 498
10.2.4 Zugabe von flüssigem Brennstoff 500
10.3 Brennkammerbauarten 505
10.3.1 Entwicklungshistorie 505
10.3.2 Silobrennkammern 506
10.3.3 Ringbrennkammern 508
10.3.4 Rohrbrennkammern 513
10.3.5 Brennkammerwand-Konstruktionsprinzipien und Wandkühlung 517
10.4 Thermoakustisch induzierte Brennkammerschwingungen 518
Literaturverzeichnis 523
11 Brennstoff, Brennstoffsystem und Fahrkonzept 525
Eberhard Deuker, Jaan Hellat und Wolfgang Kroll 525
11.1 Aufgabe des Brennstoffsystems 525
11.2 Brennstoffanforderungen 525
11.2.1 Anforderungen an den Brennstoff Erdgas 526
11.2.2 Anforderungen an den Flüssigbrennstoff Dieselöl 529
11.3 Komponenten des Brennstoffsystems 531
11.3.1 Ventile 531
11.3.2 Rohrleitungen 533
11.3.3 Filter 533
11.3.4 Druckreduzierstation bzw. Gasverdichter (Erdgas) 534
11.3.5 Pumpen (Heizöl) 535
11.4 Brennstoffsystem für Erdgas 536
11.5 Brennstoffsystem für Heizöl 538
11.5.1 Systembeschreibung 538
11.5.2 Zusatzeinrichtungen für die Heizölbrenner 542
11.6 Fahrweisen 543
11.6.1 Erdgas- und Heizölbetrieb 543
11.6.2 Brennstoffwechsel 549
11.6.3 Lastabwurf 551
Literaturverzeichnis 552
12 Vergasung fester und flüssiger Brennstoffe 554
Andreas Heilos, Michael Huth, Jürgen Karg und Jaan Hellat 554
12.1 Konzepte für Vergasungskraftwerke 554
12.2 Übersicht über bestehende Anlagen 559
12.3 Brennstoff und Brennstoffsystem 559
12.3.1 Brennstoffcharakterisierung 559
12.3.2 Brennstoffsystem 564
12.4 Brenner 564
12.4.1 Konzepte für Syngas-Verbrennung 564
12.4.2 Überblick über Brennerkonzepte verschiedener Hersteller 566
Literaturverzeichnis 569
13 Besonderheiten des Betriebs mit Schweröl, Naphtha und Kondensaten 571
Roger Waldinger und Jaan Hellat 571
13.1 Anwendungsbereiche von flüssigen Sonderbrennstoffen 571
13.1.1 Charakteristische Brennstoffeigenschaften und Bestandteile von flüssigen Sonderbrennstoffen 572
13.1.2 Stoffdaten ausgewählter flüssiger Sonderbrennstoffe 573
13.2 Schweröl 573
13.2.1 Herkunft und Einsatzbereich von Schweröl 573
13.2.2 Gasturbinen für den Schweröleinsatz 575
13.2.3 Schwerölaufbereitung 575
13.2.4 Vermeidung von Hochtemperaturkorrosion 576
13.2.5 Emissionen 576
13.3 Naphtha und Kondensate 577
13.3.1 Eigenschaften von Naphtha und Kondensaten 577
13.3.2 Stoffeigenschaften von Naphtha, Kondensaten und Heizöl 577
13.3.3 Sicherheitskonzept für Naphtha und Kondensat-Betrieb 578
Literaturverzeichnis 579
14 Konstruktion, Berechnung und Fertigung von Verdichterschaufeln 580
Ulf D. Köller und Bernd van den Toorn 580
14.1 Konstruktive Ausführung 580
14.1.1 Laufschaufeln 581
14.1.2 Leitschaufeln 585
14.1.3 Verstellbare Leitschaufeln 586
14.1.4 Werkstoffauswahl 587
14.2 Berechnung 588
14.2.1 Statische Festigkeit 588
14.2.2 Dynamische Festigkeit 591
14.3 Fertigung 594
14.3.1 Fertigungsarten 594
14.4 Experimentelle Absicherung 595
Literaturverzeichnis 596
15 Turbinenbeschaufelung 597
Herbert F. J. Bals und Hans-Thomas Bolms 597
15.1 Allgemeine Betrachtungen 597
15.2 Leitschaufeln 597
15.2.1 Konstruktive Merkmale 598
15.2.2 Leitschaufelblatt 599
15.2.3 Fußteil 601
15.2.4 Kopfteil 602
15.2.5 Schnittstellen 602
15.3 Laufschaufeln 604
15.3.1 Konstruktive Merkmale 604
15.3.2 Laufschaufelblatt 605
15.3.3 Fußbereich 606
15.3.4 Anstreifkante 609
15.3.5 Deckband 609
15.3.6 Andere Dämpfungselemente 610
15.4 Gehäusesegmente 610
15.4.1 Konstruktive Merkmale 610
15.5 Schädigungsarten 611
15.5.1 Kriechschädigung 612
15.5.2 Thermische Ermüdung und zyklische Beanspruchung 612
15.5.3 Schädigung durch dynamische Beanspruchung 613
15.5.4 Schädigung durch Oxidation, Heißgaskorrosion 613
15.5.5 Schädigung durch Fremdteile 614
15.6 Lebensdauervorhersage 614
15.6.1 Statische Beanspruchung aus den Gaskräften 615
15.6.2 Statische Beanspruchung aus den Fliehkräften 616
15.6.3 Beanspruchung durch thermische Belastung 616
15.6.4 Dauerfestigkeit 617
15.6.5 Dynamische Beanspruchung aus Gaskräften 618
15.7 Werkstoffauswahl 619
15.8 Fertigung 620
15.8.1 Guss 620
15.8.2 Konventionelle Bearbeitung 621
15.8.3 Unkonventionelle Bearbeitung 621
15.8.4 Beschichtung 622
15.8.5 Weitere Fertigungsschritte 623
15.9 Reparatur 623
16 Sekundärluftsystem 624
Arnd W. Reichert 624
16.1 Grundlagen 624
16.1.1 Abgrenzungen und Definitionen 625
16.1.2 Einfluss des Sekundärluftsystems auf die Eckdaten des Kreisprozesses 626
16.1.3 Für das Sekundärluftsystem relevante Zustandsänderungen in Verdichter und Turbine 627
16.1.4 Strömungsphänomene in Radseitenräumen Heißgaseinzug
16.1.5 Strömungsphänomene in rotierenden Kavitäten 631
16.2 Auslegung des Sekundärluftsystems 632
16.2.1 Anforderungen an die Kühlluftversorgung von Turbinenschaufeln 632
16.2.2 Anforderungen an das Sperrluftsystem 632
16.2.3 Relevante Betriebszustände 633
16.2.4 Führung der Sekundärluft zur Turbine 633
16.2.5 Lage der Entnahmestellen 634
16.2.6 Dichtungstechnologien 634
Literaturverzeichnis 636
17 Turbinenschaufel – Kühlung 637
Bernhard Weigand 637
17.1 Einführung 637
17.2 Bauformen gekühlter Gasturbinenschaufeln 639
17.3 Der externe Wärmeübergang 640
17.4 Interne Wärmeübertragung 645
17.4.1 Prallkühlung 645
17.4.2 Pins 646
17.4.3 Rippen 648
17.4.4 Krümmer (180-Umlenkungen) 652
17.4.5 Einfluss der Rotation 654
17.4.6 Dampfkühlung 654
17.5 Kühlungsauslegung von Schaufeln 655
17.5.1 Konzeptionelle Auslegung (1D) 656
17.5.2 Auslegung der Kühlung (2D/q3D) 659
17.5.3 Tests/3D-Rechnungen/-Anpassungen 660
17.6 Ausblick 661
Literaturverzeichnis 662
18 Läuferbauformen 665
Joachim Schulte, Michael Müller und Manfred Janssen 665
18.1 Einleitung 665
18.2 Anforderungen an den Läufer 666
18.3 Läuferbauformen 667
18.4 Ausgeführte Maschinen 668
18.4.1 Rotor in Scheibenbauweise mit zentralem Zuganker 668
18.4.2 Rotor in Scheibenbauweise mit dezentralen Zugankern 671
18.4.3 Rotor in geschweißter Ausführung 672
18.4.4 Variationen der klassischen Läuferbauarten 674
18.5 Zusammenfassung 675
Literaturverzeichnis 676
19 Statische und dynamische Auslegung des Turbinenläufers 677
Ekkehard Maldfeld und Michael Müller 677
19.1 Auslegungsziele und Lastfälle für den Turbinenläufer 677
19.2 Festigkeitsnachweise 679
19.2.1 Statische Auslegung 680
19.2.2 Dynamische Auslegung 700
19.3 Zusammenwirken der Auslegungsverfahren am Beispiel der mittleren Hohlwelle 704
19.4 Werkstoffaspekte für die Rotorauslegung 706
19.5 Zusammenfassung 707
Literaturverzeichnis 708
20 Gehäuse und Leitzeug 710
Ekkehard Maldfeld und Michael Müller 710
20.1 Einleitung 710
20.2 Konstruktiver Aufbau 711
20.3 Auslegungsziel, Anforderungen und Lastfälle für Gehäusekomponenten 718
20.4 Festigkeitsnachweise 719
20.4.1 Allgemeine Vorgehensweise 719
20.4.2 Flächenpressungen 724
20.4.3 Schrauben 724
20.4.4 Auslegung von Teilfugenflanschen 726
20.4.5 Schweißverbindungen 728
20.4.6 Dynamische Auslegung 729
20.5 Zusammenfassung 730
Literaturverzeichnis 730
21 Spalte 732
Arnd W. Reichert 732
21.1 Grundlagen 732
21.1.1 Einfluss der Spalte auf die Eckdaten des Kreisprozesses 732
21.1.2 Anteile von Spalten 733
21.2 Spaltauslegung 734
21.3 Gestaltung von spaltbestimmenden Bauteilen 736
21.3.1 Einfluss von Rotorbauformen und Kühlkonzepten 736
21.3.2 Gestaltung der Statorbauteile, Justiervorrichtungen 737
21.3.3 Berücksichtigung von Verschiebungstrajektoren, Einlaufschichten 737
21.3.4 Anstreifkanten 738
21.3.5 Aktive Methoden 738
Literaturverzeichnis 739
22 Lagerung – Grundlagen und konstruktive Gestaltung 740
Stefan Verstege und Frank Böckel 740
22.1 Einführung 740
22.2 Grundlagen 740
22.2.1 Strömungsmechanische Grundlagen 742
22.2.2 Lagertypen, Lagerbauformen 746
22.2.3 Auslegungskriterien, Betriebsparameter 751
22.2.4 Berechnungsverfahren 752
22.2.5 Lagerwerkstoffe 757
22.3 GT-Lagerung, konstruktiver Aufbau 759
22.3.1 Lagerungskonzept der GT 759
22.3.2 Radiallager 759
22.3.3 Axiallager 760
Literaturverzeichnis 762
23 Keramische Komponenten 764
Holger Grote, Christine Taut, Wolfgang Kollenberg und Uwe Rettig 764
23.1 Hintergrund und Einsatzbereich 764
23.2 Vorteile und Risiken feuerfestkeramischer Brennkammerauskleidungen 767
23.3 Keramische Komponenten im Einsatz: keramische Hitzeschilde 767
23.3.1 Anforderungen an keramische Hitzeschilde 767
23.3.2 Modellierung des Betriebsverhaltens von Feuerfestkeramik 768
23.3.3 Konstruktion 769
23.3.4 Werkstoffeigenschaften 771
23.3.5 Betriebserfahrungen – Versagensmechanismen 775
23.4 Schlussfolgerungen und Zusammenfassung 780
Literaturverzeichnis 781
24 Korrosion und Beschichtungen 782
Norbert Czech 782
24.1 Korrosion im Verdichterbereich 783
24.1.1 Korrosive Ablagerungen 783
24.1.2 Beschichtungen 785
24.1.3 Einsatz alternativer Schaufelwerkstoffe 785
24.2 Korrosion im Heißgasbereich 785
24.2.1 Randbedingungen 785
24.2.2 Brennstoffe 786
24.2.3 Korrosionsmechanismen 789
24.2.4 Korrosionsmindernde Maßnahmen 793
24.2.5 Korrosionsbeständige Werkstoffe 794
24.2.6 Schutzschichten für den Heißgasbereich 795
24.3 Wärmedämmschichten 799
24.3.1 Beschichtungsverfahren 800
24.3.2 Anwendungsbeispiele 802
24.3.3 Versagensmechanismen 806
24.3.4 Ausblick 810
Literaturverzeichnis 810
25 Hochtemperatur-Schaufelwerkstoffe 812
Christina Berger und Hermann W. Grünling 812
25.1 Einführung und Geschichte 812
25.2 Bauteilanforderungen (Beanspruchungen, Werkstoffeigenschaften) 818
25.3 Fe-Basiswerkstoffe 820
25.4 Co-Basiswerkstoffe 822
25.5 Ni-Basiswerkstoffe 824
25.6 Werkstoffeigenschaften 835
Literaturverzeichnis 850
26 Normung 855
Bernard Becker 855
26.1 Allgemeine Hinweise 855
26.2 Bauweise und Entwicklung 857
26.2.1 Schwachstellen vermeiden 857
26.2.2 Bauteilspezifische Auslegungskriterien 858
26.3 Erprobung, Betrieb und Anwendungen 859
Literaturverzeichnis 860
27 Montage 863
Willi Paschmann 863
27.1 Montageplanung 864
27.1.1 Technische Planung 865
27.1.2 Terminplanung 865
27.1.3 Personalplanung 865
27.1.4 Planung der Baustellenorganisation 866
27.1.5 Planung der Baustellenlogistik 866
27.2 Montagedurchführung 866
27.2.1 Montagehandbuch (erection manual) 866
27.2.2 Montageschritte (vereinfacht) 867
27.2.3 Montageabschluss 867
28 Ausrichten des Wellenstrangs 868
Willi Paschmann 868
28.1 Begriffe 868
28.2 Ausrichtmethoden 869
28.2.1 Axial-Radial-Verfahren oder AR-Methode 869
28.2.2 Doppel-Radial-Verfahren oder DR-Methode 869
28.2.3 Doppel-Axial-Verfahren oder DA-Methode 871
28.3 Werkzeuge und Vorrichtungen 872
28.4 Vorausrichtung des Wellenstrangs 872
28.5 Endausrichtung des Wellenstrangs am Beispiel eines Turbosatzes SGT5-4000F 872
28.6 Kuppeln des Wellenstrangs, Dokumentation 876
Literaturverzeichnis 877
29 Inbetriebsetzung 878
Michael Wegen 878
29.1 Einleitung 878
29.2 Inbetriebsetzungsplanung 878
29.2.1 Technische IBS-Planung 878
29.2.2 Dokumentation 879
29.2.3 Personalplanung 880
29.3 Inbetriebsetzungsablauf 882
29.3.1 Voraussetzungen für die IBS 883
29.3.2 IBS-Phasen 883
29.3.3 Probebetrieb 887
29.4 Inbetriebsetzung nach einer Servicemaßnahme 888
Literaturverzeichnis 890
30 Maschinendynamik 891
Peter Wutsdorff 891
30.1 Schwingungsmessungen 891
30.1.1 Lagergehäuseschwingungsmessung 892
30.1.2 Wellenschwingungsmessung 894
30.1.3 Phasenmessung 895
30.1.4 Hinweise zur praktischen Durchführung von Betriebsschwingungsmessungen 896
30.2 Kritische Drehzahlen 896
30.3 Kinetisches Verhalten der Gleitlager 899
30.4 Untersuchungen an der äußeren Lagerabstützung 900
30.5 Einfluss des Kupplungszustands 903
30.6 Leistungsabhängige Schwingungen 905
30.6.1 Getriebemaschinen 906
30.6.2 Lastabhängige Schwingungen an Generatoren 907
30.6.3 Mediumbedingte Schwingungen 908
30.7 Anstreifprobleme und thermische Unwuchten 909
30.8 Axialschwingungen 913
30.9 Instabilitätsschwingungen 914
30.10 Auswuchten 916
30.11 Ausblick 920
Literaturverzeichnis 922
31 Abnahmemessungen 923
Klaus Werner 923
31.1 Zielsetzung 923
31.2 Grundlagen, Normen 923
31.3 Vorbereitung 924
31.3.1 Gespräche, Prozeduren, Festlegungen 925
31.3.2 Messinstallation 925
31.3.3 Messgrößen 927
31.4 Durchführung 927
31.4.1 Koordination 927
31.4.2 Betriebszustand 929
31.4.3 Dauer 930
31.4.4 Schwankungen 930
31.5 Wesentliche Messgrößen 930
31.5.1 Leistung 930
31.5.2 Brennstoff 931
31.5.3 Abgastemperatur 932
31.6 Auswertung 932
31.6.1 Ansaugmassenstrom und Turbineneintrittstemperatur 932
31.6.2 Umrechnung 933
31.6.3 Ein-/Mehrwellenanordnung 935
31.6.4 Solo-/Kombibetrieb 935
31.6.5 Fehlerbetrachtung 935
31.6.6 Bericht 937
Literaturverzeichnis 946
32 Systematik der Erprobung 947
Olaf König und Christof Lechner 947
32.1 Einführung 947
32.1.1 Komponentenversuchsstand 948
32.1.2 Erprobung im Kraftwerk 951
32.1.3 Erprobung im Prüffeld 953
32.2 Strategie der Erprobung 957
Literaturverzeichnis 957
33 Versuchsmesstechnik 958
Stefan L.F. Frank und Frank Woditschka 958
33.1 Radialspaltmessungen 958
33.2 Temperaturmessungen 961
33.2.1 Thermoelemente 961
33.2.2 Thermofarben 963
33.2.3 Optische Pyrometrie 963
33.3 Verbrennungsmessungen 967
33.3.1 Rauchgasanalyse 967
33.3.2 Flammenbeobachtung 968
33.4 Schaufelschwingungsmessungen 969
33.4.1 Schaufelschwingungen 970
33.4.2 Stillstandsuntersuchungen 971
33.4.3 Betriebsmessungen 974
33.4.4 Berührende Messverfahren 974
33.4.5 Datenerfassung und Auswertung 981
33.4.6 Berührungslose Verfahren 984
Literaturverzeichnis 987
34 Stationäres Betriebsverhalten 989
Andreas Bauer und Stefan Rofka 989
34.1 Grundlagen 990
34.2 Abweichung vom Referenzzustand 991
34.3 Teillastverhalten 995
34.3.1 Verstellung von Verdichterleitreihen 996
34.3.2 Absenkung der Turbineneintrittstemperatur 998
34.3.3 Methoden zur Leistungssteigerung 999
34.4 Einfluss des Brennstoffes 1002
34.5 Spezielle Betriebsfälle 1005
34.5.1 Frequenzabweichung 1005
34.5.2 Verschmutzung und Vereisung der Verdichterbeschaufelung 1006
34.5.3 Alterung 1007
Literaturverzeichnis 1008
35 Automatisierungstechnik 1009
Olaf Drobner und Andreas Pahl 1009
35.1 Turbinen- und Generatorregelung 1010
35.1.1 Einfluss der Regelungen im Gasturbinenbetrieb 1010
35.1.2 Struktur der Regelungen 1014
35.1.3 Stellantriebe 1018
35.2 Steuerung des Gasturbosatzes und dessen Hilfssysteme 1019
35.2.1 Gliederung der Steuerungsfunktionen 1019
35.2.2 Zusammenwirken der Steuerungsfunktionen im Gasturbinenbetrieb 1021
35.3 Turbinenschutz 1025
35.3.1 Grundsätzliche Anforderungen an Schutzeinrichtungen 1026
35.3.2 Wichtige Schutzeinrichtungen für Gasturbinen 1029
35.3.3 Projektierung von Schutzeinrichtungen 1032
35.4 Einsatz und Projektierung moderner Leittechniksysteme für die Gasturbinenautomatisierung 1032
Literaturverzeichnis 1034
36 Ferndiagnose von Kraftwerks-Gasturbinenanlagen 1037
Hans-Gerd Brummel 1037
36.1 Einleitung 1037
36.2 Strategie der Ferndiagnose 1038
36.2.1 Mess- und Analysetechnik vor Ort 1042
36.2.2 Datenakquisition für die Ferndiagnose 1043
36.2.3 Datenfernübertragung 1044
36.2.4 Empfang der Daten beim Hersteller 1045
36.2.5 Datenanalyse 1045
36.2.6 Zentrale Speicherung der Daten und Diagnoseergebnisse 1056
36.2.7 Erstellung und Verteilung von Diagnoseberichten 1057
36.2.8 Automatisierter Diagnoseprozess 1057
36.2.9 Kommunikation mit dem Kunden bei Feststellung einer Anlagenstörung 1058
36.3 Maschinendiagnose durch innovative Messtechnik 1059
36.3.1 Anforderungen an ein Online-Laufschaufel-Überwachungssystem 1060
36.3.2 Technische Lösung und Entwicklungsspezifikation 1062
36.3.3 Infrarotbilder 1063
36.3.4 Stand der Entwicklung 1065
36.4 Zusammenfassung und Ausblick 1066
Literaturverzeichnis 1068
37 Betriebsdatenanalyse 1069
Ayhan Inceoglu und Christopher Steinwachs 1069
37.1 Einführung 1069
37.2 Datenbasis 1070
37.2.1 Ereignisse 1070
37.2.2 Befunde 1071
37.2.3 Gasturbinenlebenslauf 1075
37.3 Verfügbarkeitskennzahlen 1076
37.3.1 Allgemeines 1076
37.3.2 Definitionen der Formelgrößen 1076
37.3.3 Zuverlässigkeit V3/RF 1077
37.3.4 Verfügbarkeit V7/AF 1078
37.3.5 Zwangsausfallkennzahl V11/FOR 1079
37.3.6 Zeitausnutzung V17/SF 1079
37.3.7 Startzuverlässigkeit V18/SR 1079
37.4 Risikoabschätzung von Zuverlässigkeitsgarantiewerten 1080
37.4.1 Ausgangsbedingungen 1080
37.4.2 Generierung einer Lernkurve 1080
37.4.3 Berechnung der Eintrittswahrscheinlichkeiten von Zuverlässigkeitswerten (V3) auf Basis der Lernkurven 1081
37.5 Abhängigkeiten der Kennzahlen 1082
Literaturverzeichnis 1084
38 Wartung, Inspektionen und Ersatzteilkonzepte 1085
Gerhard Bohrenkämper 1085
38.1 Einleitung 1085
38.2 Wartungsmaßnahme Verdichterwäsche, Verdichterverschmutzung 1086
38.3 Heißteilverschleiß und Kriterien für die Bemessung der Inspektionsintervalle 1090
38.4 Instandhaltungsprogramm 1094
38.4.1 Instandhaltungsgerechte Gasturbinenkonstruktion 1094
38.4.2 Inspektionsumfang und Inspektionsintervall 1095
38.4.3 Heißteilinspektion und Revision 1096
38.4.4 Ersatzteile und reparierte Teile 1099
38.5 Instandhaltungsmanagement und langfristige Serviceverträge 1100
Literaturverzeichnis 1102
39 Modernisierungen im Gasturbinenservice 1104
Gerhard Bohrenkämper 1104
39.1 Ältere Gasturbinenanlagen im Wettbewerb 1104
39.2 Modernisierungsthemen 1105
39.2.1 Uprate-Optionen 1105
39.2.2 Reduktion von Schadstoffemissionen 1111
39.2.3 Erweiterung des Verbrennungs- und Brennstoffsystems 1113
39.2.4 Verbesserte Betriebsführung 1114
39.2.5 Optimierte und reduzierte Instandhaltung 1115
39.2.6 Kraftwerksrehabilitation mit Modernisierungen 1116
39.3 Lebensdauerbeurteilung von Bauteilen 1117
39.4 Zusammenfassung und Ausblick 1118
Literaturverzeichnis 1119
Sachverzeichnis 1121