Gasturbinenmotoren

Gasturbinen reichen von Mikroturbinen mit < 50 PS (37,3 kW) bis zu großen Industrieturbinen mit > 250.000 PS (190 kW). Diese Seite befasst sich mit dem Gasturbinenmotor, den Unterschieden zwischen den verschiedenen Turbinentypen und den Punkten, die zu beachten sind, wenn sie als Antriebsmaschine eingesetzt werden.

Prozess

Wie in Abb. 1 und Abb. 2 gezeigt, ist der „offene“ Brayton-Zyklus der thermodynamische Zyklus für alle Gasturbinen. Dieser Zyklus besteht aus:

• Adiabatischer Kompression
• Erwärmung bei konstantem Druck
• Adiabatischer Expansion

Die Gasturbine besteht aus den folgenden Komponenten:

• einem Luftkompressor
• einer Brennkammer
• einer Nutzturbine, die die Energie zum Antrieb des Luftkompressors und der Abtriebswelle erzeugt

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  Abb. 1-Vereinfachtes Diagramm einer Gasturbine mit einfachem Zyklus.

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  Abb. 2-Typischer „offener“ Brayton-Zyklus für Gasturbinen.

Luft tritt bei Umgebungsbedingungen in den Verdichtereinlass ein (Punkt 1), wird komprimiert (Punkt 2) und durchläuft das Verbrennungssystem, wo sie mit Brennstoff kombiniert und auf die maximale Zyklustemperatur „befeuert“ wird (Punkt 3). Die erwärmte Luft wird in der Turbine des Gaserzeugers (zwischen den Punkten 3 und 5) entspannt, wo die Energie des Arbeitsmediums zur Erzeugung von Strom für den Antrieb des Verdichters entnommen wird, und in der Nutzturbine entspannt, um die Last anzutreiben (Punkt 7). Die Luft wird dann in die Atmosphäre abgeleitet. Ein Anfahrsystem dient dazu, den Luftverdichter auf eine ausreichende Drehzahl zu bringen, um Luft für die Verbrennung mit dem in die Brennkammer eingespritzten Brennstoff zu liefern. Der kontinuierliche Verbrennungszyklus einer Turbine in Verbindung mit der kontinuierlichen Rotation des Turbinenrotors ermöglicht einen nahezu vibrationsfreien Betrieb sowie weniger bewegliche Teile und Verschleißpunkte als andere Antriebsmaschinen.

Auslegung und Betrieb

Maximale Zyklustemperatur, TRIT

Die Ausgangsleistung einer Gasturbine kann durch Erhöhung der maximalen Zyklustemperatur gesteigert werden. Die maximale Zyklustemperatur wird als TRIT bezeichnet, was für Turbinenrotoreintrittstemperatur steht. API 616 definiert die Nennbrenntemperatur als die vom Hersteller berechnete Turbineneintrittstemperatur (TIT) unmittelbar vor dem Turbinenrotor der ersten Stufe für den Dauerbetrieb bei Nennleistung. Die TRIT wird unmittelbar stromaufwärts des Turbinenrotors der ersten Stufe berechnet und schließt die berechneten Auswirkungen der Kühlluft und des Temperaturabfalls über den Leitschaufeln der ersten Stufe ein.

Luftstrom

Die Ausgangsleistung einer Gasturbine kann auch durch Erhöhung des Luftmassenstroms durch die Gasturbine erhöht werden. Die Geometrie der Gasturbine, insbesondere des Verdichters, und die Drehzahl des Verdichters bestimmen den Grundluftmassenstrom. Eine Erhöhung des Durchflusses erfordert eine Erhöhung der Drehzahl, die auf die maximale Dauerbetriebsdrehzahl einer bestimmten Konstruktion begrenzt ist. Bei einer bestimmten Drehzahl erhöht sich der Luftmassenstrom durch eine Erhöhung der Ansaugluftdichte. Die Ansaugluftdichte nimmt direkt mit dem Luftdruck und umgekehrt mit der Umgebungstemperatur zu.

Die wichtigsten Parameter, die die Ausgangsleistung beeinflussen, sind die Geschwindigkeit und TRIT für eine gegebene mechanische/aerodynamische Konstruktion. Wird einer dieser Parameter erhöht, steigt die Ausgangsleistung der Gasturbine. Drehzahl und Temperatur können durch die gewünschte Ausgangsleistung und Wärmerate innerhalb der durch die folgenden Faktoren auferlegten Einschränkungen diktiert werden:

• Lebensdauer der Komponenten
• Kosten
• Technische Durchführbarkeit

Drehzahlbegrenzungen

Mit zunehmender Drehzahl einer Gasturbine nehmen die Zentrifugalkräfte auf die rotierenden Komponenten zu. Diese Kräfte erhöhen die Beanspruchung der rotierenden Bauteile, insbesondere der folgenden:

• Scheiben
• Schaufeln
• Schaufelbefestigung an der Scheibe

Bauteilwerkstoffe haben Belastungsgrenzen, die direkt proportional zu ihren Drehzahlgrenzen sind und nicht überschritten werden sollten. Daher ist die maximale Dauerdrehzahl des rotierenden Elements eine Funktion von:

• Motorgeometrie
• Werkstoffeigenschaften der Komponenten
• Sicherheitsauslegungsfaktoren

Sie ist die höchste zulässige Drehzahl für den Dauerbetrieb.

Temperaturgrenzen

Eine Möglichkeit, die Ausgangsleistung zu erhöhen, besteht darin, den Kraftstoffdurchsatz und damit die TRIT zu erhöhen. Mit steigendem TRIT arbeiten die Heißteilkomponenten bei höheren Metalltemperaturen, was die Zeit zwischen den Inspektionen (TBI) der Gasturbine verkürzt. Da die Lebensdauer der Werkstoffe im heißen Teil durch die Beanspruchung bei hohen Temperaturen begrenzt ist, gibt es Grenzen für die Höchsttemperaturen bei einer bestimmten TBI. Die Lebensdauer des Materials nimmt bei höheren Temperaturen schnell ab. Die TBI ist eine Funktion der Zeit bei TRIT und der Geschwindigkeit der TRIT-Änderung während Transienten wie dem Anfahren. Die Kriech- oder Spannungsbruchgrenze wird durch die Materialeigenschaften als Funktion des Spannungsniveaus und der Betriebstemperatur bestimmt.

Bewertungspunkt

Ein Bewertungspunkt kann zur Bestimmung der Gasturbinenleistung für bestimmte Umgebungsbedingungen, Leitungsverluste, Kraftstoff usw. festgelegt werden.

Die International Standards Organization definiert ihre Standardbedingungen wie folgt:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% relative Luftfeuchtigkeit ohne Verluste

Dies ist ein Standardbewertungspunkt für den Vergleich von Turbinen verschiedener Hersteller und Konstruktionen geworden.

Standortbewertung

Die Standortbewertung ist eine Aussage über die grundlegende Leistung der Gasturbine unter bestimmten Standortbedingungen, einschließlich:

• Umgebungstemperatur
• Höhenlage
• Leitungsdruckverluste
• Emissionskontrolle
• Kraftstoff Zusammensetzung
• Hilfsstromabnahme
• Kompressorluftabsaugung
• Ausgangsleistungsniveau

Zum Beispiel, Ein Anstieg der Umgebungstemperatur verringert die Ausgangsleistung in einem Maße, das von der Konstruktion der Gasturbine beeinflusst wird.

Eintrittstemperatur

Abbildung. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Ansauglufttemperatur und der optimalen Turbinendrehzahl für eine Beispielgasturbine:

• Ausgangsleistung
• Kraftstoffdurchsatz
• Abgastemperatur
• Abgasdurchsatz

• 

  Abb. 3-Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Kompressor-Eintrittstemperatur

Erhöhung des Turbinenwirkungsgrads

Einfacher Zyklus

Der größte Teil der von der Turbine aus dem Gasstrom entnommenen mechanischen Energie wird zum Antrieb des Luftkompressors benötigt, der Rest steht zum Antrieb einer mechanischen Last zur Verfügung. Die von der Turbine nicht entnommene Energie des Gasstroms wird als Wärme an die Atmosphäre abgegeben.

Rekuperativer Kreislauf

Beim rekuperativen Kreislauf, der auch als regenerativer Kreislauf bezeichnet wird, wird die Abluft des Kompressors in einem Wärmetauscher oder Rekuperator vorgewärmt, dessen Wärmequelle das Abgas der Gasturbine ist. Die aus dem Abgas übertragene Energie verringert die Energiemenge, die durch den Brennstoff zugeführt werden muss. In Abb. 4 ist die Kraftstoffeinsparung durch die schattierte Fläche unter 2 bis 2′ dargestellt. Die drei Hauptkonstruktionen, die in stationären Rekuperatoren verwendet werden, sind:

• Plattenrippen
• Mantel und Rohr
• Primäre Oberfläche

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  Abb. 4-Rekuperator.

Kombinierter Zyklus

Wenn man dem Brayton-Zyklus einen Bottoming-Dampfkreislauf hinzufügt, wird die Abgaswärme zur Erzeugung zusätzlicher Pferdestärken genutzt, die, wie in Abb. 5 dargestellt, für eine gemeinsame Last oder für eine separate Last verwendet werden können. Der schraffierte Bereich stellt den zusätzlichen Energieeintrag dar.

• 

  Abb. 5-Kombinierter Zyklus.

Lufteinlasssystem

Einlassluftfiltration. Die Qualität der Luft, die in die Gasturbine eintritt, ist ein sehr wichtiger Konstruktionsaspekt. Der Wirkungsgrad der Turbine nimmt mit der Zeit ab, weil sich Ablagerungen auf dem internen Strömungsweg der Turbine und den rotierenden Schaufeln bilden. Diese Ablagerungen führen zu einem erhöhten Wartungs- und Kraftstoffverbrauch. Die Auswahl und Wartung des richtigen Ansaugluftfiltrationssystems für die spezifischen Standortbedingungen beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der der Wirkungsgrad im Laufe der Zeit abnimmt.

Druckabfall

Es ist von entscheidender Bedeutung, den Druckabfall der Luft zu minimieren, die durch das: Einlasskanal Einlassluftfilter Einlassschalldämpfer (siehe Geräuschdämpfung unten)

Der Druckverlust der in die Turbine eintretenden atmosphärischen Luft wirkt sich stark auf die Leistung der Gasturbine aus.

Geräuschdämpfung

Die von einer Gasturbine erzeugten Geräusche liegen hauptsächlich in den höheren Frequenzbereichen, die nicht so weit übertragen werden wie die niederfrequenten Geräusche, die von langsameren Antriebsmaschinen wie z. B. Kolbenmotoren erzeugt werden. Der größte Teil des von der Turbine erzeugten hochfrequenten Lärms wird im Lufteintritt erzeugt, ein kleinerer Teil kommt aus dem Abgas. Die Geräuschquellen und die Art der Dämpfung sind wie folgt:

Lufteintritt

Der Eintrittsschalldämpfer sollte speziell auf das Geräuschprofil der Gasturbine und die Anforderungen des Standorts abgestimmt sein. Dieser Schalldämpfer wird in den Lufteintrittskanal zwischen dem Luftfilter und dem Turbinenluftkompressoreintritt eingebaut.

Abgas

Der Abgasschalldämpfer sollte speziell auf das Geräuschprofil der Gasturbine und die Standortanforderungen abgestimmt sein. Die Höhe des Abgaskamins in Verbindung mit dem Schalldämpfer ist eine wichtige Überlegung. Wenn die heißen Abgase so hoch wie möglich abgeleitet werden, verringert sich das messbare Geräusch am Boden und die Gefahr einer Rückführung der heißen Abgase in den Lufteinlass wird verringert. Der Druckverlust (Gegendruck) im Abgas der Turbine beeinträchtigt die Leistung der Gasturbine erheblich.

Gehäuse/Getriebe/angetriebene Ausrüstung

Schalldämpfende Abdeckungen können direkt über der Ausrüstung installiert werden, wie z.B. begehbare Abdeckungen auf Kufen oder ein Gebäude, in dem sich die Ausrüstung befindet und das entsprechend den Anforderungen isoliert ist, oder beides.

Ölkühler

Die gebräuchlichste Methode zur Kühlung des Öls ist die Verwendung von Luftaustauschern/Lüfterkühlern. Diese erzeugen Lüftergeräusche, die mit der Lüfterdrehzahl gesteuert werden können. Der Einsatz von Rohrbündel-Wasserkühlern kann lärmmindernd sein, wenn das Kühlmedium vorhanden ist.

Typen von Gasturbinen

Turbinenkonstruktionen können unterschieden werden durch:

• Betriebsart
• Brennertypen
• Wellenkonfiguration
• Gehäusetyp

Betriebsarten

Flugzeugturbinentriebwerke

Flugzeugturbinentriebwerke oder Düsentriebwerke sind hochentwickelte Konstruktionen mit geringem Gewicht speziell für den Antrieb von Flugzeugen. Diese Konstruktionen erfordern maximale Leistung oder Schubkraft bei minimalem Gewicht und maximaler Treibstoffeffizienz. Flugzeugturbinen haben Wälzlager und hohe Zündtemperaturen, die exotische Metallurgie erfordern. Sie können mit einer begrenzten Anzahl von Kraftstoffen betrieben werden. Wenn ein Düsentriebwerk in einer industriellen Anwendung eingesetzt wird, muss es mit einer unabhängigen Nutzturbine gekoppelt werden, um die Wellenleistung zu erzeugen.

Schwere Industriegasturbinen

Die grundlegenden Konstruktionsparameter für schwere Industriegasturbinen haben sich aus industriellen Dampfturbinen entwickelt, die langsamere Drehzahlen, schwere Rotoren und größere Gehäuse als Düsentriebwerke haben, um eine längere Lebensdauer zu gewährleisten. Diese Gasturbinen können die unterschiedlichsten flüssigen oder gasförmigen Brennstoffe verbrennen.

Leichte Industriegasturbinen

Die grundlegenden Konstruktionsparameter und -technologien, die bei Flugzeugturbinen verwendet werden, können mit einigen Konstruktionsaspekten schwerer Industriegasturbinen kombiniert werden, um eine leichtere Industrieturbine mit einer Lebensdauer herzustellen, die der einer schweren Industriegasturbine nahe kommt. Diese Triebwerke werden als leichte Industriegasturbinen bezeichnet.

Brennertypen

Radial- oder Ringbrenner

Dieser Brenner umgibt die rotierenden Teile der Gasturbine und ist in das Triebwerksgehäuse integriert (Abb. 6). Flugzeugturbinen und leichte Industriegasturbinen verwenden diese Konstruktion.

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  Abb. 6-Typischer Gasturbinenschnitt.

Can-Combustor

Dies ist ein Einzel- oder Mehrfachverbrennungssystem, das von der rotierenden Turbine als externer Verbrennungsbehälter getrennt ist (Abb. 7). Konstruktionen mit diesem Brennertyp können ein breiteres Spektrum von Brennstoffen verbrennen.

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  Abb. 7-Typische Gasturbine mit Brennkammer (Schnitt).

Wellenkonfiguration

Einzelwelle

Die Gasturbine kann entweder eine Einwellen- oder eine Zweiwellenkonstruktion haben. Die Einwellenkonstruktion besteht aus einer Welle, die den Luftverdichter, die Gaserzeugerturbine und die Nutzturbine als ein rotierendes Element verbindet (Abb. 1). Diese Konstruktion eignet sich am besten für Anwendungen mit konstanter Drehzahl, z. B. für den Antrieb elektrischer Generatoren mit konstanter Frequenz.

Zweiwellen

Bei der Zweiwellenkonstruktion befinden sich der Luftkompressor und der Gaserzeuger auf einer Welle und die Nutzturbine auf einer zweiten, unabhängigen Welle. Diese Konstruktion bietet die erforderliche Drehzahlflexibilität, um ein breiteres Leistungsspektrum der angetriebenen Ausrüstung effizienter abzudecken. So kann der Gaserzeuger mit der Drehzahl betrieben werden, die erforderlich ist, um die von den angetriebenen Geräten wie Zentrifugalkompressoren oder Pumpen benötigte Leistung zu erzeugen. Abb. 6 zeigt eine Schnittdarstellung einer typischen Zweiwellen-Gasturbine. Zu den Hauptkomponenten gehören der Verdichter, das Verbrennungssystem, die Gaserzeugerturbine und die Nutzturbine. Diese Konstruktion umfasst eine zweistufige Gaserzeugerturbine und eine zweistufige Nutzturbine.

Gehäusetyp

Die Norm für die meisten in der Industrie verwendeten Gasturbinen besteht darin, dass die Gasturbine in einen Grundrahmen/ein Gestell mit allen für die grundlegende Betriebseinheit erforderlichen Komponenten eingebaut wird. Dazu gehören Systeme wie:

• Startsystem
• Kraftstoffsystem
• Schmiersystem
• Vor-Ort-Steuerung
• In einigen Fällen das Getriebe und die angetriebene Ausrüstung

Zusätzliche betriebsnotwendige Systeme sind im Allgemeinen separate, vorgefertigte Paketsysteme, die vom Turbinenhersteller geliefert und angepasst werden können. Zu dieser Kategorie gehören Systeme wie z. B.:

• Filterung/Schalldämpfung am Lufteinlass
• Ölkühler
• Fernsteuerungssysteme
• Schalldämpfer
• Abgasschalldämpfer

Abgasemissionen

Die Verschlechterung der Atmosphäre durch gasförmige Schadstoffe ist ein wichtiges Umweltproblem. Die Gasturbine mit ihrem Grundzyklus sorgt für eine sauberere Verbrennung und erzeugt im Vergleich zu anderen Antriebsaggregaten einen geringeren Schadstoffausstoß, was ein großer Vorteil ist. Die Schadstoffe in Gasturbinen, die in der Regel reguliert werden, sind:

• Stickstoffoxide
• Kohlenmonoxid
• unverbrannte Kohlenwasserstoffe
• Partikel
• Schwefeldioxid

Die Lösung für einige, aber nicht alle dieser Schadstoffprobleme liegt in der Gasturbinenbrennkammer. Es folgt eine kurze Diskussion.

Stickstoffoxide (NOx)

Nur zwei der sieben Stickstoffoxide sind geregelt: NO und NO2, die zusammen als NOx bezeichnet werden. Fast alle Emissionsprobleme im Zusammenhang mit Antriebsmaschinen beziehen sich auf die NOx-Produktion und die NOx-Kontrolle. Die Gasturbine ist im Vergleich zu anderen Antriebsmaschinen relativ sauber. So erzeugen Gasturbinen, die mit Erdgas betrieben werden, im Allgemeinen 4 bis 12 Mal weniger NOx pro Leistungseinheit als Kolbenmotoren. NOx ist jedoch der wichtigste Faktor bei der Genehmigung von Gasturbinenanlagen.

Kohlenmonoxid (CO)

CO ist aufgrund des Luftüberschusses im Verbrennungsprozess ebenfalls auf einem sehr niedrigen Niveau im Turbinenabgas. Daher stellt es normalerweise kein Problem dar. In einigen Gebieten, in denen die CO-Konzentration in der Umgebung extrem hoch ist, oder wenn Wassereinspritzung zur NOx-Kontrolle in der Gasturbine verwendet wird, kann CO jedoch ein Faktor für die Erteilung von Genehmigungen sein.

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC)

Im Gegensatz zu Hubkolbenmotoren, die eine beträchtliche Menge an UHC erzeugen, produzieren Gasturbinen nur eine geringe Menge an UHC, da der große Luftüberschuss im Verbrennungsprozess der Gasturbine fast alle Kohlenwasserstoffe vollständig verbrennt. Infolgedessen sind UHC-Emissionen nur selten ein wichtiger Faktor bei der Erteilung von Umweltgenehmigungen für Gasturbinen.

Partikel

Es gibt noch keine perfekten Messverfahren für Partikel, die aussagekräftige Ergebnisse bei Gasturbinenabgasen liefern. Dies spielt bei der Erteilung von Genehmigungen für Gasturbinen kaum eine Rolle, wenn saubere Brennstoffe in der Gasturbine verbrannt werden.

Schwefeldioxid (SO2)

Fast alle Brennstoffverbrennungsanlagen, einschließlich Gasturbinen, wandeln den gesamten im Brennstoff enthaltenen Schwefel in SO2 um. Das macht SO2 zu einem Brennstoffproblem und nicht zu einem Problem, das mit den Eigenschaften der Turbine zusammenhängt. Die einzige wirksame Möglichkeit, SO2 zu kontrollieren, ist die Begrenzung der im Brennstoff enthaltenen Schwefelmenge oder die Entfernung von SO2 aus den Abgasen durch ein Nasswaschverfahren.

Emissionskontrolle

Die Notwendigkeit, die von Bundes-, Landes- und örtlichen Vorschriften festgelegten Emissionsnormen zu erfüllen oder zu übertreffen, hat die Hersteller von Industriegasturbinen veranlasst, sauberer verbrennende Turbinen zu entwickeln. Es wurden Trockenemissionssysteme mit Magergemisch-Einspritzdüsen, spezieller Verbrennungstechnologie und Steuerungen zur Verringerung der NOx- und CO-Emissionen entwickelt, indem niedrigere maximale Flammentemperaturen und eine vollständigere Oxidation der Kohlenwasserstoffbrennstoffe erreicht werden. Alle Hersteller von Industriegasturbinen verfügen über trockene emissionsarme Produkte. Die Leistung variiert je nach Produkt aufgrund von Unterschieden in der Brennkammerkonstruktion.

Diese Magerverbrennungssysteme reduzieren die Bildung von NOx und CO auf ein sehr niedriges Niveau, so dass der Einsatz teurer und wartungsintensiver Katalysatoren zur Beseitigung von NOx und CO nach ihrer Entstehung nicht erforderlich ist. In extremen Gebieten mit hoher Luftverschmutzung kann es bei einigen Gasturbinen notwendig sein, selektive Katalysatoren einzusetzen, um den NOx- und CO-Gehalt weiter zu reduzieren. Der bevorzugte Brennstoff für die Gasturbine ist sauberes, trockenes Erdgas, das die saubersten Abgase erzeugt.

Abgaswärme

Bei Gasturbinen geht der größte Teil der Verlustwärme aus dem Zyklus über das Abgas ab. Diese Wärme kann zurückgewonnen und genutzt werden, um den thermischen Gesamtwirkungsgrad des verbrannten Brennstoffs zu erhöhen. Die gebräuchlichste Methode der Abgaswärmenutzung ist die Dampferzeugung.

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Siehe auch

Prime Mover

Riprocating engines

PEH:Prime_Movers