Gecombineerde Turbinesystemen

naar 800 X 600

Start
De gelijkdruk en overdrukturbine
De deLavalturbine
De zoellyturbine
De curtisturbine
De parsonsturbine
De stal turbine of ljungstromturbine
Gecombineerde Turbinesystemen
De gasturbine

Stoomeigenschappen
Condensor
De Smering
Materiaal eigenschap
Onderdelen turbine
Stoom Tabellen

Foto's stork turbines
Platen
Technische tekeningen

links
Activiteiten

Ljungstrom turbine uit de Ingenieur 1915

Twee Werkspoor Stal Turbogeneratoren van 17000/22500 kW, uit het blad de Ingenieur

Gecombineerde turbinesystemen.
een klein voorbeeld beschrijving hier onder van zo combinatie
Curtissturbines past men nooit toe voor grote vermogens.
De reden hiervan is het vrij hoge stoomverbruik per kWh.
Dit wordt veroorzaakt door de ongunstige energieomzetting ten gevolge van grote wrijvingsverliezen van de stoom in de straalbuizen en de schoepen.
Wel worden ze vrijwel altijd toegepast als zogenaamde voor geschakeld curtiswiel met 1 of 2 snelheidstrappen bij alle grote turbines en als achteruitturbine bij scheepsturbines.
Per druktrap past men gewoonlijk twee, ten hoogste drie, snelheidstrappen toe.
een wat ander voorbeeld
Gecombineerde turbinesystemen.
Is het druk- en temperatuurverschil tussen verse en afgewerkte stoom zeer groot, wat een gunstig warmteproces waarborgt, dan kan men volgens het voorgaande bij actieturbines twee wegen inslaan om de omtrekssnelheid niet te groot te laten worden.
We kunnen snelheidstrappen toepassen of druktrappen.
De eerste methode heeft het meeste effect voor een grote snelheidsreductie.
Maar we weten, dat de wrijvingsverliezen van de stoom hierbij te groot worden, dus het stromingsrendement te klein, zodat de turbines, ondanks de grote warmteval, toch een groot stoomverbruik voor een gegeven vermogen hebben.
Druktrappen zijn voordeliger, maar daarbij wordt het aantal trappen voor een bepaalde snelheidsreductie veel groter, zodat de turbine groter, zwaarder en duurder van constructie wordt.
Om deze moeilijkheden te ontgaan, kunnen we een combinatie van beide methoden toepassen, dus druktrappen en snelheidstrappen.
Om te beginnen verdelen we dan de totale warmteval in de turbine over enige druktrappen.
Nemen we dit aantal klein, dan is de warmteval per druktrap nog belangrijk en dus de uitstromingssnelheid van de stoom aan het begin van iedere druktrap nog groot, zo groot, dat de omtrekssnelheid bij het zo gunstig mogelijke rendement nog te groot wordt.
Nemen we eens als voorbeeld een turbine, waaraan stoom wordt toegevoerd met een spanning van 40 kg/cm² en een temperatuur van 450 ˚C en waarbij het ijdel in de condensor 95% bedraagt, een normaal geval dus voor een tegenwoordige' installatie.
Dan wordt de warmteval in totaal 291 kcal/kg

Passen we nu drie druktrappen toe, dan is de warmteval per trap 97 kcal/kg en dus wordt de uitstromingssnelheid van de stoom bij het begin van iedere trap:
Voor het zo gunstig mogelijke rendement zou de omtrekssnelheid dus ongeveer 450 m/sec moeten zijn en dat is te veel.
Maar nu kunnen we in iedere druktrap bijvoorbeeld een paar snelheidstrappen aanbrengen, niet te veel (om de verliezen niet te groot te maken), maar al spoedig genoeg om een redelijke omtrekssnelheid te verkrijgen.
Nemen we aldus per druktrap drie snelheidstrappen, dan daalt de omtrek snelheid dien tengevolge tot ongeveer 150 m/sec.
Dit systeem, dat eerder veelvuldig in Amerika werd toegepast, is echter in onbruik geraakt, Omdat al deze Curtis wielen toch nog te veel verliezen opleveren ten gevolge van de hoge snelheid, die de stoom in de schoepkanalen nog altijd heeft.

Een betere methode is die, waarbij men een Zoelyturbine neemt, dus een turbine met druktrappen, waarvoor men een Curtiswiel van enige trappen schakelt.
Het geheel vormt een enkele turbine en men verkrijgt dan een uitvoering, zoals er bijvoorbeeld een in fig.48 schematisch is afgebeeld.
De stoom komt bij A in de turbine en gaat eerst door een aantal straal- buizen of een straalbuissegment B, waarin al onmiddellijk een belangrijke druk- en temperatuurdaling optreden.
Het arbeidsvermogen van beweging, dat de stoom hierbij heeft verkregen, wordt in het tweetaps Curtiswiel C omgezet in uitwendige arbeid.
Achter dit wiel is een stoomdicht schot D geplaatst,

waarin weer straalbuisopeningen E zijn aangebracht.
Het overige van de turbine is geheel ingericht als de turbine van Zoelly in fig.42.
Hier bezit het voorgeschakelde Curtiswiel dus twee trappen.

Wat snelheidsreductie betreft, hebben deze twee trappen al een belangrijke invloed, zodat het aantal druktrappen van de turbine veel geringer kan worden, wat de constructie van een kleinere, lichtere en eenvoudiger machine mogelijk maakt.
Wel veroorzaakt het Curtiswiel plaatselijk grotere wrijvingsverliezen van de stoom, maar dit is niet als verloren op te vatten, omdat deze verliezen in warmte worden omgezet en weer gedeeltelijk de stoom in de daarop volgende druktrappen ten goede komt.
Stel bijvoorbeeld dat de turbine weer werkt met stoom van 40 kg/cm- en 450 ˚C bij een ijdel in de condensor van 95%, waarbij de warmteval totaal 291 kcal/kg bedroeg.
Mag de omtrekssnelheid nu niet meer dan 175 m/sec worden, dan zou bij de toepassing uitsluitend van druktrappen de uitstromingssnelheid van de stoom bij iedere trap ongeveer 350 m/sec zijn, overeenkomende met een warmteval per trap van

Stel nu, dat we vóór de druk trappen een Curtiswiel schakelen en dat de warmteval hierin 20% van het totaal bedraagt, dat is dus 58 kcal/kg.
Dan is de snelheid, waarmede de stoom uit het straalbuissegment of de straalbuizen daarvan stroomt:

Brengt men twee snelheidstrappen aan, dan wordt de omtrekssnelheid dus ongeveer 700 gedeeld door4 = 175 m/sec, dat is evenveel als we eerst voorde Zoellyturbine hadden aangenomen.
Het Curtiswiel en de Zoellywielen verkrijgen dus, zoals in fig.48 is geschetst, dezelfde middellijn.
De vraag is nu hoeveel druktrappen er kunnen vervallen ten gevolge van de aanwezigheid van dit voorgeschakelde Curtiswiel.
Na dit wiel blijft in totaal nog een warmteval 0,8.291 = 233 kcal/kg over.
Per druktrap was een warmteval van 14,6 kcal/kg nodig, dus het overblijvende aantal druktrappen is:

Door het toepassen van het Curtiswiel kan men het aantal trappen dus met vier verminderen.
De ruimte voorgeschakelde wiel, is niet veel meer dan de andere loopwielen.
Zo krijgen we dus een belangrijke verkleining van de turbine en een overeenkomstige gewichtsvermindering en vereenvoudiging.
Neemt men in aanmerking, dat een 2traps Curtiswiel voor gelijke warmteval de halve omtrekssnelheid heeft van die van een 1trapsturbine en een 3trap Curtiswiel het derde deel van die omtrekssnelheid, dat bovendien de warmteval evenredig is met het kwadraat van de snelheid.
Dan blijkt onmiddellijk, dat tengevolge van het voorschakelen van een tweetrap Curtiswiel met gelijke diameter als de overige wielen vier druk­trappen kunnen vervallen en door het voorschakelen van een drietraps Curtiswiel 9druktrappen.
Het kost geen moeite bij deze combinatie van druk- en snelheidstrappen het verloop van stoomdruk en stoomsnelheden in de turbine te tekenen.
We nemen daarbij als voorbeeld de bovengenoemde turbine, waarbij 20% van de totale warmteval in het Curtis gedeelte werd verwerkt.
De stoomspanning in de straalbuizen van het Curtis wiel blijkt daarbij af te nemen van 40 tot 17,5kg/cm2 en de temperatuur van 450 ˚C tot 330 ˚C.

In elk van de daarop volgende druktrappen is de warmteval ongeveer 15 kcal/kg en de stoomspanning in de loopwiel ruimte van de eerste, twee­de, derde, .... druktrap wordt achtereenvolgens 14, 10½, 8, 6, .... kg/cm2.
Voor dit gedeelte van de turbine is nu in fig.49 het verloop van de stoom­druk geschetst.

De spanning neemt in de straalbuizen van het Curtis wiel zeer sterk af, blijft dan constant tot aan het straalbuissegment van de eerste druktrap, neemt hierin af van 17,5 tot 14 kg/cm2, blijft in de loopwiel ruimte van deze trap weer constant, neemt in het straalbuissegment van de tweede druktrap af tot 10,5 kg/cm2 enz.

De absolute stoom­snelheid neemt toe van een geringe waarde, bijvoorbeeld 50 m/sec, in de straalbuizen van het Curtis gedeelte tot C1= 700m/sec.

Nemen we een straalbuishoek Van bijv.15° aan, dan kunnen we de samengevoegde snelheidsdriehoeken construeren (zie het bovengedeelte, van fig.50).Hieruit zien we, dat de absolute snelheid in het eerste stel Curtis schoepen af­neemt van 700 tot 390 m/sec en in het tweede stel van 390 tot 180 m/sec.

In de loopwiel ruimte neemt de snelheid voorts nog af tot een geringe waarde, zonder dat de stoom arbeid verricht.
Construeren we ook voor een van de druktrappen de snelheid figuur, dan blijkt dat in ieder straalbuissegment de absolute snelheid toeneemt van een kleine waarde tot 350 m/sec, in de loopschoepen daarna weer daalt tot 90 m/sec en tenslotte in de loopwiel ruimte nog eens afneemt zonder arbeidsverrichting tot een klein bedrag.
Zetten we de dus verkregen waarden uit in fig.49, dan vinden we de c- lijn, die dus in het Curtis gedeelte in 2trappen daalt en verder in alle volgende druktrappen een gelijk op- en neergaand verloop vertoont.

Voor de relatieve snelheid in de eerste en tweede trap van het Curtis wiel vinden we uit fig.50 achtereenvolgens 540 en 250 m/sec voor die in de druktrappen 195 m/sec.

Met behulp van deze gegevens kunnen we de w- lijntjes in fig.49 uitzetten.
Vooral ook aan de Parsonsturbine laat men heel dikwijls bij grote totale warmteval een Curtiswiel van enkele trappen voorafgaan.
Want zelfs, als men slechts een 2trapsCurtiswiel gebruikt, zijn spanning en temperatuur van de stoom, die hier de reactieschoepen binnentreedt, al belangrijk gedaald in vergelijking met de oorspronkelijke toestand.
Dit beperkt dus de lekverliezen over de toppen van de schoepen, terwijl het materiaal, waarvan de schoepen zijn vervaardigd, veel minder heeft te lijden ten gevolge van de lagere temperatuur.
Bovendien ver­oorzaakt het Curtiswiel weer een belangrijke snelheidsreductie, zodat het aantal trappen van de eigenlijke reactieturbine veel kleiner kan vallen.
In fig.51 is een vereenvoudigde lengtedoorsnede van een gedeelte van een dergelijke turbine afgebeeld.
De inrichting komt overeen met die van fig.45, met dit verschil, dat nu tussen reactiebeschoeping en evenwichtszuiger het Curtiswiel is aangebracht.
Dit laatste heeft in het algemeen een grotere diameter dan de eigenlijke rotor, want bij het Curtiswiel wordt de stoom toegelaten door afzonderlijke straalbuizen of een straalbuis­segment, in ieder geval slechts over een deel van de omtrek.
Bij het Parsons gedeelte daarentegen moet de stoomtoevoer langs de gehele omtrek plaats hebben en dezelfde gewichtshoeveelheid stoom, die door het Curtiswiel gaat, moet ook door de Parsonsschoepen passeren.
Heeft het Curtiswiel dus, zoals gezegd, gedeeltelijk bestrijking, dan moet voor een gelijke doortocht Of de schoephoogte, of de diameter van dit wiel belangrijk groter zijn.
Men kiest in dat geval in de regel een grotere diameter, omdat dan, zoals uit fig.51 blijkt, aan de buitenkant van de cilinder, waarin de evenwichtszuiger draait, gemakkelijk de nodige ruimte wordt gevonden, om de aansluiting voor de stoomtoevoer en het straalbuissegment aan te brengen.
In fig.51 is het Curtiswiel weer op de gewone wijze van openingen voorzien om verschil tussen de stoomdruk aan de voorkant en die aan de achterkant te vermijden.
Het wiel heeft dus ook geen invloed op de grootte van de kracht in as richting, die in het reactiegedeelte ontstaat.
De evenwichtszuiger kan hier de diameter van voorheen behouden, d.w.z. de diameter is ongeveer gelijk aan de gemiddelde middellijn van de rotor, gemeten over het midden van de reactieschoepen.
In deze figuur wordt het ringvormige oppervlak, waartegen de stoom naar links drukt, gevormd door het rechtervlak van het Curtiswiel, voor zover dit binnen de buitenkant van de evenwichtszuiger is gelegen.
Om na te gaan, hoe veel reactietrappen bij dit systeem kunnen vervallen, indien we een Curtiswiel voorschakelen, beschouwen we weer eens de turbine van fig.51, een Parsonsturbine dus met voor geschakeld 2traps Curtiswiel.
We nemen aan, dat aan de turbine stoom wordt toegevoerd met een spanning van 30 kg/cm2 en een temperatuur van 350 ˚C en dat de afgewerkte stoom nog een spanning van 5 kg/cm2 abs. bezit.
Dan is de totale warmteval 96 kcal/kg.
Kiezen we de uittree hoek van de reactieschoepen 190 en stellen we de omtrekssnelheid u = 110 m/sec. dan kunnen we een snelheidsdriehoek voor het reactiegedeelte bij gunstigst rendement tekenen en we verkrijgen dan fig.52.
De uitstromingssnelheid van de stoom uit de leischoepen wordt:

dus per trap 3,2 kcal/kg; het aantal trappen wordt dus bij de toepassing van een gewone Parsonsturbine:

We nemen nu aan, dat het voorgeschakelde 2trapsCurtiswiel van fig.51 een middellijn heeft, die 25% groter is dan die van het Parsonsgedeelte.
Dan wordt de omtrekssnelheid hier 1,25. 110 = 137 m/sec.

Is de uittree hoek van de straalbuisopeningen voor het Curtiswiel a= 15˚, dan kunnen we het stel snelheidsdriehoeken van fig.53 voor zo gunstig mogelijk rendement op schaal tekenen.
De absolute stoomsnelheid Cl blijkt daarbij 565 m/sec te worden, overeenkomende met een warmteval van:

Dit is een belangrijk bedrag, er blijft voor het Parsons gedeelte nog een warmteval van 96 - 38 = 58 kcal/kg over, zodat het aantal trappen hier­van thans nog is:

Doordat we dit 2traps Curtiswiel hebben toegevoegd, is het eigenlijke Parsonsgedeelte dus niet minder dan twaalf trappen kleiner geworden.
We zien uit dit voorbeeld, dat het aantal vervallende Parsons trappen vooral ook in hoge mate afhangt van de middellijn van het Curtiswiel in verhouding tot die van de rotor.

Hoe groter die middellijn is, des te groter is de omtrekssnelheid van het Curtiswiel, des te groter moet hier de uitstromingssnelheid c1 van de stoom zijn, des te groter is dus ook de warmteval in dit Curtisgedeelte, des te minder blijft er voor de Parsonsturbine over en des te kleiner kan dus ook het aantal trappen van deze turbine zijn.

Tenslotte tekenen we voor dit voorbeeld nog het verloop van stoom­druk en stoomsnelheden in fig.54.
Het blijkt, dat de stoomspanning in de straalbuizen van het Curtiswiel bij een warmteval van 38 kcal/kg afneemt van 30 tot 16 kg/cm2 en de stoomtempe­ratuur van 350°C tot 265˚C.

Dan blijft de stoomdruk con­stant tot aan het eerste stel leischoepen van het Parsons­gedeelte.

De warmteval per trap is hier verder slechts 3,2 kcal/kg, en de daarmede overeenkomende spannings­daling per trap is gering.
Na de derde Parsonstrap blijkt de stoomdruk tot even bene­den 10 kg/cm2 te zijn gedaald en deze daling gaat regelmatig verder in alle trappen tot aan de eindspanning van 5 kg/cm2; De p-lijn kunnen we nu dus in fig.54 tekenen.

De gedaante van de C lijn voor de absolute en van de W lijnen voor de relatieve snelheden kunnen we afleiden uit de snelheidsdriehoeken in fig.52 en 53.
Deze lijnen krijgen het verloop, dat in fig.54 is aangegeven.
We zien hieruit duidelijk, hoe gering de stoomsnelheden in het Parsonsgedeelte zijn, vergeleken bij die in het Curtiswiel.

Eerst een aantal zaken op een rij:

Onder druktrappen verstaat men dan: een leiwiel met bijbehorende loopwiel, of te wel een leischoepenkrans met loopschoepenkrans.