Ångturbinens gränsfrågor

av P-H. Sahlberg Forum 1971-08, sida 12-13, 28.04.1971

Taggar: Teman: ångturbinen

A År 1946 kallades en ångturbin »stor», om dess effekt steg till 65 MW. Tryck om 60 ata (atmosfärer absolut) och temperaturer om 500?C betraktades som »höga data» för admissionsångan.

Nu, ett kvart sekel senare, bör effekten vara tjugo gånger så stor, eller 1300 MW = 1 300 000 kW = 1 768 000 hästkrafter, för att ångturbinen skall vara »verkligt stor» och ekonomisk. Några sådana maskiner kommer snart i drift, och man överväger allvarligt ångturbiner om 2 miljoner KW = 2719 000 hästkrafter. Tryck om 200 ata och temperaturer om 565”C är i dag rätt höga ångdata, men enstaka turbiner drivs med ända upp till 350 ata och 650?C.

Under hela efterkrigstiden har aggregatets storlek, ångturbinens effekt, år för år progressivt ökat med ca 13 ?/o. Enhetseffekten har fördubblats vart sjätte år! Har tekniken då inga gränser? Så kan det väl inte fortsätta länge. Ty en konstant exponent för progressiviteten, en ständig dubblering vart sjätte år vore en utveckling IN ABSURDUM.

Men låt oss avstå från prognoser och hålla oss till aktualiteter: Tid efter annan har man på basen av noggranna termodynamiska, aero- och ångdynamiska, metallurgiska, konstruktionstekniska ävensom teknisk-ekonomiska undersökningar kunnat fixera den för en ångturbin gällande »aktuella gränseffekten», ett värde som man antingen ej kan eller ej bör överskrida.

Gränseffekten

En ångturbin är en värmekraftmaskin och som sådan en primärmaskin. Och en primärmaskin, hur effektiv den än må vara, kan aldrig uppnå en större effekt än den, som man faktiskt kan leda bort och förbruka. Maskinen måste kunna belastas. Då i ett kraftverk ångturbinen driver den elektriska generatorn, så har ofta den största tänkbara generatorn fixerat hela aggregatets gränseffekt. Men också generatorn måste i sin tur kunna belastas, Slutligen bestämmer det elektriska nätets styrka den praktiska gränsen.

Emellertid bör driftsäkerheten beaktas. Denna är en synnerligen viktig, om ock svåråtkomlig ekonomisk faktor att räkna med. Det är vanligt, att inte dimensionera »det nya stora aggregatet» för mer än 6 å 8/9) av nätets hela kapacitet — mer än så vill man inte anförtro en enda turbinaxel.

Man kan säga, att de elektriska näten och de elektriska maskinerna på 40-talet bestämde gränseffekten. Omkring år 1950 utvecklades emellertid på starkströmsteknikens område en ra 12

Teknikens gränser + Teknikens gränser + ‘Teknikens gränser + Tekniken prof. P-H. Sahlber helt nya konstruktioner: Jag avser transformatorer och effektbrytare för 400 000 volt. Det blev ekonomiskt möjligt att bygga betydligt längre kraftledningar än tidigare, och de samkörande nätens kapacitet ökade starkt. Samtidigt framkom en helt ny generatortyp, den »direktkylda».

Generatorn, detta stora ting bland de elektriska maskinerna hade länge begränsats av ett svårlöst problem: Det ohmska motståndet i rotor- och statorlindningarna resulterar i värme. Kopparstavarna i rotorn och kopparbanden i statorlindningen måste kylas, och ville man öka strömstyrkan, så måste mer värme avledas.

Språng i utvecklingen

Plötsligt tog utvecklingen en helt ny riktning: I stället för kopparstavar och kopparband insattes kopparrör som ledare i både rotor och stator, och genom dessa rör pumpade man kylolja eller kylvatten och kylde sålunda de elektriska lindningarna »direkt». Strömstyrkan kunde ökas, och med den växande aggregatstorleken också spänningen, och då man behärskade kopparrörens temperatur, så kunde generatorn ytterligare förlängas utan fara för att rotorlindningens kopparrör skulle börja krypa och skada isolationen. Därmed hade man multiplicerat generatorns gränseffekt med tio och kastat bollen över från den elektriska sidan till ångturbinsidan.

Ångans expansiva väg

I en kondensationsångturbin expanderar ångan i kanske 40 efter varandra ställda turbinsteg, som i regel alla har ett fast ledhjul och ett roterande löphjul. Steg för steg minskar ångans tryck från låt oss säga 200 ata till 0,05 ata, medan dess specifika volym ökar från 0,017 m?/kg till 27 m3/kg. Ehuru ca 37 9/0 av ångan »avtappas» på vägen, så är volymströmmen genom det sista lågtryckssteget 1000 gånger så stor som strömmen genom det första högtryckssteget.

I en ångturbin blir högtryckshjulen därför alltid små och högtrycksskovlarna korta. Högtryckscylindern, som omfattar de första turbinstegen, är alltid förhållandevis liten, och det är inte särskilt svårt att utföra denna med dubbelt så långa skovlar eller för dubbelt så stor ångström och sålunda fördubbla dess effekt.

De stora dimensionerna

Lågtryckshjulen blir däremot väldigt stora, och man har redan länge varit tvungen att här i de sista stegen av expansionen

Forum 8/71

Teknikens gränser »

Teknikens gränser » Tekniken fördela den väldiga volymströmmen på två eller flera parallellt kopplade hjul. Det är antalet parallellt kopplade lågtryckscylindrar och det sista stegets hjuldimensioner som på ångsidan främst bestämmer gränseffekten. I atomkraftverken blir lågtryckscylindrarna särskilt stora. |

På 40-talet betraktades ett hjul med en yttre diameter om 2900 mm och med en skovellängd om 450 mm som optimum för en turbin med rotationshastigheten 3 000 varv/min. Man höll fast vid den gamla skoveltypen, som i hela sin längd uppvisade samma aerodynamiska profilform och lätt kunde fräsas, hyvlas eller tillverkas av draget material. Därför kunde man inte tänka sig en ännu längre skovel. Fyra sådana hjul parallellt räckte också till för de största turbinerna år 1950.

Utveckling och uppdelning

Då sedan på 50-talet behovet av mycket större effekter blev aktuellt, måste den tidigare gränsen överskridas. På basen av den omfattande aerodynamiska forskning, som på gastur ” binteknikens område redan tidigare bedrivits, utvecklade ång turbinkonstruktörerna en helt ny skoveltyp. Lågtryckshjulen i våra dagars gränsturbiner arbetar inne invid skovelroten som aktionsturbiner, längre ut som reaktionsturbiner.?) Invid roten har skovlarna grova, stadiga och starkt böjda tvärsnitt, men ändrar sedan undan för undan utmed radien sin aerodynamiska profilform och blir slutligen i spetsen tunna, skarpa och nästan plana. Skovelspetsens periferihastighet är i dag maximum 625 m/s. Hjulens ytterdiameter är över 4 000 mm och skovellängden över 1000 mm för rotationshastigheten 3 000 varv/min. Och man har byggt ångturbiner med upp till tio tågtryckshjul parallellt.

Framtiden?

I dag menar mången, att en ångturbin om 1 miljon kW sannerligen måste betraktas som fullvuxen, och betvivlar, att en turbin om 2 miljoner kW skulle kunna bli’ ekonomiskt motiverad. En sådan enhet skulle ju bli ett monstrum, få en total axellängd på över 70 m och skulle därför gärna få stå under bar himmel. — Själv vet jag inte vad jag skall tro.

Vetenskapens väg fram genom tiden är varken jämn eller rätlinjig — den går fram över skarpa stötestenar och tar överraskande och plötsligt ny riktning. Den är fascinerande och fängslande att följa och lika svår att förutspå som politikens väg — men icke lika blodig. GRATIA DIIS! 1) I en aktionsturbin expanderar ångan endast i ledhjulet, i en: reaktionsturbin i både led- och löphjul.

Forum 8/71

ALLTID PÅ YTAN

GINMANSs högklassiga

TAKFÄRGER ISOLERINGSMEDE för betong- och murytor Även NI kan med fullt förtroend använda GINMANS produkter — det betyder full valuta för pengarna.

AIN svart taktack, samt takkitt

AINOLIT röd och grön takfärg, även som kitt

ALUBIT aluminlum-bltumenfärg

NS betongtätningsmede trälmpregneringsmede | Hos alla affärer I branschen landet runt. |

Lotsgatan 12, Helsingfors 16, tel. 65 68 28