Der heutige Stand im Dampfturbinenbau. Von Bauinspektor Dr.-Ing. Meuth, Stuttgart. Der heutige Stand im Dampfturbinenbau. 1. Vorbemerkung. Vor etwa 15 Jahren, als die ersten Berichte über die praktische Ausführung von Dampfturbinen auftauchten, hat wohl niemand geglaubt, daß sie der Kolbendampfmaschine, die damals durch Einführung der Dampfüberhitzung gerade in ein neues Stadium ihrer Entwicklung getreten war, in so kurzer Zeit eine erdrückende Nebenbuhlerin werden würde. Auch noch in den Jahren des Versuchsstadiums haben manche alten Praktiker den Kopf geschüttelt, wenn von einem Verdrängen der Kolbendampfmaschine durch die Turbine in absehbarer Zeit gesprochen wurde. Aber beispiellos rasch hat sie sich zu einer betriebssicheren, ökonomischen Maschine entwickelt und weite Verbreitung erlangt. Heute würde es als rückständig gelten, für eine neue, größere Kraftmaschinenanlage nicht auch die Aufstellung einer Dampfturbine zu erwägen, und wenn von dem einen oder anderen Betriebsleiter vorläufig noch der Kolbenmaschine der Vorzug gegeben wird, so geschieht dies in der Regel in den Fällen, wo die Forderung absoluter Betriebssicherheit wichtiger ist als alles andere. In der Betriebssicherheit wird eben die Kolbendampfmaschine heute noch von keiner anderen Kraftmaschine übertroffen. Letztere ist einer weiteren Entwicklung und Vervollkommnung aber kaum noch fähig; es fehlen ihr also die Bedingungen für den Fortbestand technischer Einrichtungen und Verfahren. Man wird deshalb damit zu rechnen haben, daß sie der noch etwas entwicklungsfähigeren Dampfturbine, die sie auf einigen Gebieten schon stark zurückgedrängt hat, wohl überall wird den Platz raumen müssen. Doch so rasch wird diese Aenderung sich nicht vollziehen; im Konkurrenzkampf mit der Turbine werden im Kolben-Maschinenbau, ähnlich wie nach dem Auftreten der Gasmaschine, lebhafte Anstrengungen zu weiteren Verbesserungen gemacht, die denn auch neuerdings zu einer wesentlichen Konstruktionsvereinfachung der Kolbendampfmaschine geführt haben. Hinsichtlich der Dampfökonomie sind beide Maschinenarten heute annähernd gleichartig; im Gebiete der niederen Dampfdrucke besitzt die Turbine eine entschiedene Ueberlegenheit. Eine Steigerung der Oekonomie, wenn auch nicht in sehr beträchtlichem Maße, ist bei der Dampfturbine immerhin anzunehmen durch weitere Verminderung der Verluste namentlich in den Düsen und Schaufelrädern und durch die Möglichkeit, höhere Dampfdrucke und- temperaturen zu verwenden. Von den allgemein bekannten Vorzügen der Dampfturbine gegenüber der Kolben-Faschine: die nur umlaufende Bewegung, der einfache Aufbau, der geringe Raumbedarf, die leichte Wartung u.a., braucht hier nicht gesprochen zu werden; sie waren die Ursache, daß sich die Dampfturbine so rasch in die Begebe einführte. Die Entwicklung der Elektrotechnik hatte allerdings sehr günstig vorgearbeitet. Man brauchte bei der zunehmenden Elektrisierung der Betriebe raschlaufende Antriebsmaschinen, die möglichst große Leistungen entwickeln können; denn die Rücksicht auf die Wirthschaftlichkeit gebot möglichste Zentralisierung der Krafterzeugung. Hierfür eignet sich aber die Dampfturbine ganz besonders. Mit 6–7000 PS ist die ortsfeste Kolbendampfmaschine an der Grenze angelangt, bis zu welcher man bei uns eine solche Leistung noch in einem Aggregat ausführt, während Dampfturbinen heute schon mit einer Leistung bis zu 25000 PS ohne besondere Schwierigkeiten gebaut werden. Auch bei dieser gewaltigen Leistung sind Dampfturbinen nicht weniger leicht zu bedienen, erreichen andererseits eine um so höhere Oekonomie, je größer die Leistung ist. Man hat damit begonnen, große, mit Dampfturbinen betriebene elektrische Zentralen in Kohlenrevieren zu errichten und von dort aus weite Industriegebiete mit elektrischer Energie zu versorgen. Die rasche Entwicklung zu einer betriebssicheren und ökonomischen Maschine war aber doch nur dadurch möglich, daß die hochentwickelte Technik der modernen Maschinenwerkstätten den Schwierigkeiten gewachsen war, welche beim Bau von Dampfturbinen auftreten, und daß die Wissenschaft dem Konstrukteur sichere Zahlen für seine Berechnungen und eine für den praktischen Gebrauch verwendbare Theorie zur Verfügung stellte, welche manchen langen Umweg durch unsicheres Probieren ersparte. Die Arbeitsweise der Dampfturbine beruht bekanntlich auf der Wirkung des strömenden Dampfes auf Schaufeln, die sich mit einer ganz bestimmten, von der Dampfgeschwindigkeit abhängigen Geschwindigkeit bewegen müssen, wenn die Energieübertragung mit dem besten Wirkungsgrad erfolgen soll. Die Geschwindigkeit, welche ein Dampfstrahl bei seinem Austritt aus einem Raum höheren Druckes in einen solchen niederen Druckes annimmt, ist unter den gewöhnlichen Verhältnissen (hoher Kesseldruck und geringer Gegendruck im Kondensator) sehr hoch. Der Versuch de Lavals, die hohe Dampfgeschwindigkeit in einem einzigen Turbinenrade in Arbeit umzusetzen, ist gewiß eine der hervorragendsten technischen Leistungen. Doch ist dieses Verfahren wegen der außerordentlich hohen Radgeschwindigkeiten und der dadurch bedingten Materialbeanspruchungen nicht entwicklungsfähig. Es gibt bekanntlich zwei Möglichkeiten, die Geschwindigkeit der Turbinenräder zu verringern: Durch stufenweise Ausnutzung der Dampfgeschwindigkeit oder des Dampfdruckes. Geschwindigkeitsabstufung ist nur bei Gleichdruckturbinen anwendbar, Druckabstufung bei Gleich- und Ueberdruckturbinen. Es ergeben sich so drei Grundtypen von Dampfturbinen: die Ueberdruckturbine, die nothwendig eine sehr enge Druckunterteilung haben muß; sie ist nach Parsons benannt. Die vielstufige Gleichdruckturbine, die von Rateaa und Zoelly in die Praxis eingeführt wurde, und schließlich die Curtis-Turbine, eine Gleichdruckturbine mit Geschwindigkeitsstufen. Die Fig. 1a, b und c zeigen im Prinzip die Wirkungsweise dieser drei Turbinenarten. Der Verlauf des Dampfdruckes in der Turbine und die Größe der Dampfgeschwindigkeiten geht aus den beigefügten Kurven für p; und v hervor. Diese Grundtypen können in verschiedener Weise miteinander kombiniert werden. Fig. 1d zeigt z.B. die Kombination einer Curtis-Turbine mit einer vielstufigen Gleichdruckturbine. Das gibt dem Turbinenbau eine große Mannigfaltigkeit in den Ausführungsformen, die durch die zahlreichen, zum Teil nicht zur Ausführung gekommenen, zum Teil wieder aufgegebenen Vorschläge zur Verbesserung der Dampfführung und anderer konstruktiver Einzelheiten noch vermehrt werden. Eine Unzahl von „Dampfturbinensystemen“ tauchte in der ersten Zeit auf. Manche Firmen glaubten den geschäftlichen Tiefstand im Anfang des vergangenen Jahrzehnts dadurch zu überwinden, daß sie den Bau von Dampfturbinen, natürlich „eigenen Systems“, aufnahmen. Vieles davon ist im Konkurrenzkampf vom Markt wieder verschwunden oder heute noch zu keiner rechten Entwicklung gekommen. Im Gegensatz dazu konnte sich in England die Parsons-Turbine fast ohne Nebenbuhler entwickeln; es hat zweifellos zu ihrer raschen Vervollkommnung und großen Verbreitung beigetragen, daß sich dabei das Interesse und die Erfahrungen der Ingenieure nicht in der Weise wie auf dem Festlande auf eine ganze Reihe von Turbinenbauarten zersplitterten. Heute ist auch bei uns die Entwicklung des Dampfturbinenbaues in gesundere Bahnen eingelenkt, nachdem die Erfahrungen gezeigt haben, daß weniger das „System“ als solches, als die zweckmäßige Konstruktion der Einzelheiten und die Genauigkeit der Ausführung für den Erfolg und die Brauchbarkeit einer Dampfturbine ausschlaggebend sind. Durch den Austausch der Betriebserfahrungen und dadurch, daß bewährte Konstruktionseinzelheiten allmählich Gemeingut der Konstrukteure geworden sind, läuft die weitere Entwicklung des Dampfturbinenbaues auf eine immer größere Vereinheitlichung der Bauarten hinaus. Textabbildung Bd. 326, S. 338 Fig. 1a.Vielstufige Ueberdruckturbine in reiner Parsons-Bauart. (Die Zahl der Stufen ist sehr viel größer als in der Figur angedeutet und beträgt etwa 70–80) Textabbildung Bd. 326, S. 338 Fig. 1b.Vielstufige Gleichdruckturbine 2. Kurze Kennzeichnung der Bauarten. Wir wollen nun kurz auf die Eigenthümlichkeiten, Vorzüge und Nachteile der genannten drei Hauptturbinenarten eingehen und mit der vielstufigen Ueberdruckturbine beginnen. Schon bei den ersten Ausführungen von Parsons ist eine auffallende Ueberlegenheit in der Dampfökonomie gegenüber anderen Turbinen hervorgetreten, hauptsächlich bedingt durch die geringen Dampfgeschwindigkeiten, die 200 m in keiner Stufe übersteigen. So ist bei den Versuchen an den 1000 PS Elberfelder Turbinen j im Jahre 1900, die eine gewisse Berühmtheit besitzen, ein Dampfverbrauch von 8,8 kg f. d. KW/Std. gemessen worden, ein für diese Turbinengröße ausgezeichnetes Resultat, wenn noch berücksichtigt wird, daß die Turbinen Erstlingsausführungen waren. Seitdem hat sich der Dampf verbrauch für gleichgroße Aggregate auf 7,2 kg, für große Einheiten von etwa 6000 KW sogar auf 5,3 kg f. d. KW/Std. verringert. Der reinen Parsons-Turbine hafteten indessen einige Nachteile an, welche aber bei den neueren Konstruktionen zum größten Teil beseitigt sind und dadurch in der Hauptsache vermieden werden, daß der Ueberdruckturbine nur das Gebiet der niederen Dampfdrucke zugewiesen wird. Für die Verarbeitung hochgespannten Dampfes ist die reine Parsons-Bauart weniger geeignet. Bei der nothwendigen vollen Beaufschlagung und dem geringen Volumen des hochgespannten Dampfes werden die Schaufeln des Hochdruckteiles für einen bestimmten, von der Umdrehungszahl abhängigen Trommeldurchmesser sehr kurz. In diesem Falle wird die Menge des seitlich durch den Spielraum zwischen Laufschaufeln und Gehäuse hindurchschlüpfenden Dampfes im Vergleich zu dem Dampf, welcher arbeitverrichtend durch die Schaufelkanäle strömt, unverhältnismäßig groß; auch die Störung der Dampfströmung durch die Wirkung der Schaufelenden ist bei kurzen Schaufeln erheblich größer als bei langen. Will man diese Nachteile der kurzen Schaufeln im Hochdruckteil vermeiden, so ist dies nur durch eine Verkleinerung des beaufschlagten Schaufelkranzes, also des Trommeldurchmessers, zu erreichen. Die damit verbundene geringere Umfangsgeschwindigkeit verlangt ihrerseits geringere Dampfgeschwindigkeiten, also eine engere Unterteilung des Druckgefälles; der Hochdruckteil der ohnehin schon übermäßig langen Trommel wird dadurch noch länger und die Schwierigkeit für einen erschütterungs- und reibungsfreien Lauf auch nach eingetretener Wärmedehnung erhöht, von der größeren Raumbeanspruchung ganz abgesehen. Man hat gefunden, daß der Hochdruckteil von Parsons-Turbinen bei Verwendung hochgespannten Dampfes nicht ökonomischer arbeitet als ein einziges Hochdruckrad, welches das gleiche Druckgefälle in mehreren Geschwindigkeitsstufen verarbeitet. Da nun das letztere eine ganze Reihe von Vorteilen bietet, insbesondere eine erhebliche Verkürzung der Trommellänge (s. Fig. 2), infolgedessen eine bessere Lagerung, geringere Durchbiegung, geringere Temperatur und geringeren Dampfdruck in der Turbine, was die Abdichtung der Welle erleichtert und einen geringeren Achsialschub hervorruft, so wird neuerdings der kombinierten Bauart mit einem GleichdruckradDie Anordnung von mehreren Gleichdruckrädern scheint für größere Maschinen keinen Vorteil zu bringen. Nach Versuchen der Gutehoffnungshütte an einer Turbine, bei welcher einem Niederdruck-Ueberdruckteil der Reihe nach zunächst drei Druckstufen mit je einer Geschwindigkeitsstufe, dann zwei Druckstufen mit je zwei Geschwindigkeitsstufen und schließlich eine Druckstufe mit zwei Geschwindigkeitsstufen vorgeschaltet wurden, hat die letztere Anordnung das günstigste Ergebnis geliefert. mit Geschwindigkeitsstufen im Hochdruckteil der Vorzug gegeben. Textabbildung Bd. 326, S. 339 Fig. 1c.Zweistufige Gleichdruckturbine mit Geschwindigkeitsstufen. Wahrscheinlich wird die kombinierte Bauart in Zukunft die einheitliche Ausführungsform für größere Dampfturbinen bilden. Ob dabei der Mittel- und Niederdruckteil nach dem Ueberdruck- oder Gleichdruckprinzip, ob der Rotor als Trommel ausgeführt wird oder mit einzelnen Scheibenrädern, darüber läßt sich nach den heutigen Erfahrungen noch nichts Endgültiges sagen. Der Niederdruckturbine, deren Rotor fast durchweg als Trommel ausgeführt wird, wird zum Vorwurf gemacht, daß infolge des Ueberdrucks vor und hinter jedem Schaufelkranz Spaltverluste auftreten. Diese können aber unmöglich sehr groß sein, sonst könnten derartige Turbinen nicht so hohe Wirkungsgrade aufweisen, zudem hier die Strömungsverluste infolge des großen Dampfweges und der vielen Reibungsflächen Wohl nicht unerheblich sind. Der Ueberdruck ist auch zwischen jeder Stufe verhältnismäßig klein; der Spaltquerschnitt am Umfang der Schaufelkränze ist zwar nicht unbeträchtlich, aber doch im Niederdruckteil einer Turbine im Verhältnis zu dem nutzbaren Durchgangsquerschnitt der Schaufelkränze gering. Hierzu kommt, daß der Dampf, welcher durch den Spalt und nicht durch die Schaufeln strömt, bei der großen Zahl der Schaufelreihen noch Gelegenheit findet, seine Energie abzugeben. Bei Scheibenrädern wird der Spalt zwischen zwei Stufen an die Welle, an eine Stelle mit sehr viel geringerem Durchmesser, verlegt; dem durchtretenden Dampf bietet sich also ein viel kleinerer Querschnitt, doch ist hier die durch die Flächeneinheit durchtretende Dampfmenge infolge des größeren Ueberdruckes viel größer; auch ist hier nicht die Randwirkung der rotierenden Schaufeln, welche das Durchtreten des Dampfes erschwert, wie bei der Trommelbauart vorhanden. Die Spaltverluste scheinen deshalb bei Trommel- und Scheibenbauart nicht viel verschieden zu sein. Ein weiterer Vorwurf wird der Ueberdruckturbine gemacht wegen der Notwendigkeit einer Entlastung für den auftretenden Achsialschub der Welle. Die dazu nötigen Einrichtungen sind aber ganz einfacher Art und arbeiten bei neueren Maschinen nur mit einem geringen Dampfverlust. Sind so die häufig gegen die Ueberdruckturbine und die Trommelbauart ins Feld geführten Nachteile unerheblich, so ist andererseits die hohe Ausnutzung des Dampfes im Gebiete der niederen Dampfdrucke hervorzuheben, welche hier über 70 v. H. beträgt. Textabbildung Bd. 326, S. 339 Fig. 1d.Kombinierte Turbine mit Curtisrad im Hochdruckteil und mit vielstufiger Gleichdruckturbine im Niederdruckteil. Die reinen Druckturbinen mit Druckabstufung haben in der Regel Einzelscheiben; sie bieten den Vorteil der teilweisen Beaufschlagung, welche es ermöglicht, den Raddurchmesser groß zu nehmen und so ein größeres Wärmegefälle in einem Rade zu verarbeiten. Der mittlere Durchmesser des Laufschaufelkreises kann bei allen Rädern gleich genommen werden. Ventilations- und Reibungsverluste sind jedoch bei teilweise beaufschlagten Druckturbinen mit Scheibenbauart etwas größer. Auch bei Gleichdruckturbinen findet sich mitunter die Trommelbauart besonders bei Schiffsturbinen. Der dabei auftretende Achsialschub dient hier zum Ausgleich des Propellerschubes. Die Zahl der Druckstufen ist bei Gleichdruckturbinen geringer als bei Ueberdruckturbinen; sie beträgt je nach der Größe und Tourenzahl der Maschine und je nach dem zu verarbeitenden Wärmegefälle etwa 10 bis 20. Wie schon erwähnt, herrscht die Scheibenbauart vor, die zwar teuer ist, aber eine hohe Betriebssicherheit gewährt, da die Räder mit größeren Spielraumen im Gehäuse laufen können und deshalb unempfindlicher gegenüber Wärmedehnungen sind. Zur Entlastung des auftretenden geringen Achsialschubes genügt eine einfache Anlauffläche der Welle oder ein kleines Kammlager, das auch für die genaue Einstellung des Rotors dient. Textabbildung Bd. 326, S. 340 Fig. 2.Rotoren zweier 500 PS-Dampfturbinen. (Oben reine Parsons-Turbine; unten Ueberdruckturbine mit vorgeschaltetem Curtisrad. Man führt neuerdings auch vielstufige Druckturbinen mit einem Curtis-Rad im Hochdruckteil aus und erreicht damit eine Verkürzung der Bäulänge durch Verringerung der Laufräder oder bei gleichbleibender Baulänge eine engere Druckabstufung im Niederdruckteil. In beiden Fällen bringt die Verringerung des Anfangsdruckes im Turbinengehäuse auf etwa 2 at, und die niedrige Temperatur Vorteile im Betriebe. Natürlich treten die Vorteile der kombinierten Bauart hier nicht so sehr hervor wie bei der Ueberdruckturbine. Für kleinere Leistungen und für Fälle, wo es in erster Linie auf äußerste Raumbeschränkung, Einfachheit und Billigkeit der Maschine und erst in zweiter Linie auf die Dampfökonomie ankommt, wird die Gleichdruckturbine mit nur einer oder mit nur wenigen Druckstufen auch in Zukunft ihr Feld behaupten. Daß auch für mittlere Leistungen solche Turbinen mit zwei Druckstufen und mehreren Geschwindigkeitsstufen mit guter Oekonomie gebaut werden können, zeigen die Ausführungen der Allgemeinen Elektrizitätsgesellschaft, von denen später noch ausführlich die Rede sein wird. Für größere Leistungen wird der Niederdruckteil als vielstufige Turbine gewöhnlich nach dem Gleichdrucksystem ausgeführt. Man sieht also, wie sich die Hauptbauarten in der kombinierten Form zusammenfinden, die schon heute von der Mehrzahl der Dampfturbinenfirmen ausgeführt wird. Auch in der Konstruktion der Einzelheiten ist schon jetzt eine gewisse Vereinheitlichung zu bemerken. So wird die Labyrinthdichtung für Dampf, ein erst durch den Dampfturbinenbau zu vielfacher Verwendung gekommenes Verfahren zur Wellenabdichtung, bei fast allen Dampfturbinensystemen ausgeführt. Labyrinthdichtungen werden verwendet, um sowohl das Entweichen von Dampf nach dem Kondensator, nach außen oder nach einer Stufe geringeren Druckes, oder auch, um das Eindringen äußerer Luft in die Turbine zu verhindern. In letzterem Fall wird in die Dichtungen Dampf eingelassen, meist solcher, der schon gearbeitet hat. Leichte, nach außen austretende Dampfwolken zeigen dem Maschinenführer an, daß an den Dichtungstellen keine Luft in die Turbine eintritt. Diese Dichtungen haben sich sehr gut bewährt. Da keine metallische Berührung der abzudichtenden Teile stattfindet, nutzt sich die Dichtung im Betriebe nicht ab und bedarf keiner Erneuerung. Damit die Spielräume möglichst klein genommen werden können, müssen die Formänderungen von Gehäuse und Welle so weit wie möglich in engen Grenzen gehalten werden. Auch die Wellenabdichtung mit geteilten Kohlenringen, die durch eine herumgelegte Schlauchfeder leicht gegen die Welle gepreßt werden, hat sich namentlich für höhere Druckunterschiede gut bewährt. (Fortsetzung folgt.)