Instationäre Strömung und Fluid-Struktur-Interaktionen in voll- und teilbeauf­schlagten Turbinen

Beschreibung:

An Dampfturbinen werden im Zuge der verstärkten Nutzung regenerativer Energiequellen künftig höhere Anforderungen hinsichtlich der Betriebsflexibilität sowie dem Betrieb bei Teillast gestellt werden. Die Teilbeaufschlagung einer Regelstufe stellt eine Möglichkeit für einen effizienten Teillastbetrieb dar. Durch die Teilbeaufschlagung der Regelstufe treten insbesondere an den Übergängen zwischen den beaufschlagten und nicht beaufschlagten Sektoren sehr hohe Geschwindigkeitsgradienten auf, die Strömungsinstationaritäten und eine starke Wechselbeanspruchung der Laufschaufeln bewirken. Diese komplexen strömungs- und strukturmechanischen Vorgänge sind bisher im Experiment nur vereinzelt untersucht worden, so dass diesbezüglich erheblicher Forschungsbedarf zu verzeichnen ist. Numerische Simulationen teilbeaufschlagter Turbinen stellen ein probates Mittel für eine Verbesserung des physikalischen Verständnisses dar, bedürfen aber einer experimentellen Validierung. In einer großskaligen axialen Modell-Luftturbine sollen detaillierte Untersuchungen zu Teilbeaufschlagungseffekten durchgeführt werden. Dazu ist es geplant, Strömungsfeldmessungen mit einem laseroptischen Messverfahren, zeitauflösende Messungen im Strömungskanal und an den Seitenwänden sowie die Ermittlung der instationären Oberflächendrücke auf den Laufschaufeln zu kombinieren. Auf der Grundlage dieser Messungen wird es möglich sein, die Strömungsvorgänge in bisher nicht vorliegender hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu beschreiben. Es wird erstmals im Experiment möglich sein, die Auswirkung der Teilbeaufschlagung auf die Zuströmung der Regelstufe, die Wechselwirkung mit dem Strömungsfeld in den Schaufelreihen und die zeitaufgelöste strukturmechanische Beanspruchung der Laufschaufeln zusammenhängend zu erfassen und zu beschreiben. Parallel dazu werden transiente 3D CFD-Simulationen mit einem kommerziellen RANS-Löser durchgeführt, die mit den experimentellen Daten validiert werden sollen. Durch die numerischen Untersuchungen wird Einblick in Strömungsdetails erwartet, die im Experiment nicht bzw. nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand erreichbar sind. Weiterhin ist es geplant, durch gezielte Parametervariationen das Gesamtbild zur Thematik zu vervollständigen und eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Maschinenkonfigurationen zu überprüfen. Durch gekoppelte strömungs- / strukturmechanische Untersuchungen wird die Anregung der Laufschaufeln aufgrund der Teilbeaufschlagung analysiert. Direktes Ziel des geplanten Vorhabens ist die Verbesserung des physikalischen Verständnisses der 3D zeitaufgelösten strömungsmechanischen Vorgänge sowie Fluid-Struktur-Interaktionen, die bei Teilbeaufschlagung in Dampfturbinen auftreten. Fernziel der Untersuchungen ist eine zielgenauere Auslegung von Dampfturbinen mit höherer Betriebsflexibilität und verbesserter Effizient bei Teillastbetrieb, die für den künftigen Einsatz dieser Maschinen unabdingbar sein wird.

Projektpartner:
Ruhr-Universität Bochum (RUB) (Link zur Projektseite)