Numerische Untersuchung von Lastvariationen und Nässephänomenen an einer Niederdruck-Dampfturbine

Abstract

Unabhängig vom in Zukunft genutzten Wärmeprozess zur Dampferzeugung wird die Dampfturbine für die Energieumsetzung genutzt werden. Die Erhöhung deren Leistungsdichte, deren Effizienz und deren Zuverlässigkeit bleibt somit ein interessantes Forschungs- und Entwicklungsgebiet.

Basierend auf den am ITSM-Endstufenversuchsstand gewonnenen Validierungsdaten wurden Strömungsfeldberechnungen (CFD) der drei Niederdruck-Dampfturbinenstufen und dem zugehörigen Diffusor durchgeführt. Ziel war die Darlegung der physikalischen Vorgänge in den strömungsführenden Bauteilen anhand der Lastfälle Ventilation, Teillast, Design-Last und Überlast. Die numerischen Ergebnisse und die Resultate der Strömungsfeldmessungen stimmen gut überein. Der Einfluss einer rückspringenden Stufe in der Gehäusekontur über dem zweiten Laufrad wurde dargelegt, der Step ist für die korrekte Berechnung des stromabwärts herrschenden radialen Druckgradienten entscheidend.

Das im numerischen Strömungslöser Ansys-CFX-11 integrierte Euler-Euler-Mehrphasenmodell (NES), das metastabile Dampfzustände berücksichtigt und dabei die Nässebildung als homogene Nukleationsimuliert, erlaubt die Berechnung der entstehenden Nässezusammensetzung (der Tropfengröße und -anzahl) sowie der thermodynamischen Kondensationsverluste. Die berechnete und die gemessene Tropfenpopulationen werden einander gegenübergestellt, dabei stimmen die Resultate grundsätzlich überein. Die Einführung verschiedener disperser Nässephasen im numerischen Modell ergibt zusätzliche Information über den spezifischen Entstehungsort der stromab existierenden Tropfenpopulationen. Dazu wird jeder Phase eine Strömungsdomäne zugewiesen, in der die Nukleation stattfindet kann. Die qualitative Vorhersage der Wirkungsgradcharakteristik entspricht dem aus Messergebnissen hervorgehenden Verlauf. Das verwendete NES-Dampfmodell erlaubte die Untersuchung der Einflüsse einer Geometrieskalierung auf die Nässezusammensetzung und die entstehenden kondensationsbedingten thermodynamischen Verluste.

Die auftretenden Strömungsstrukturen für extreme Teillastbetriebszustände wurden mit einem Gleichgewichtsdampfmodell (EQS) für zwei unterschiedliche Turbinengeometrien berechnet, die Ergebnisse diskutiert und mit Messergebnissen verglichen. Die Darlegungen liefern einen Beitrag zum Verständnis der Arbeitsweise der Niederdruckdampfturbine und der herrschenden Strömungsverhältnisse im Ventilationsbetrieb.

Die Simulation der Trajektorien feiner und grober Wassertropfen mit der Lagrange-Partikelpfad- Berechnungsmethode ergab einen Einblick in das Wasserabscheidungsverhalten von Turbinenschaufeln. Die Ablagerung von Primärtropfen und das Erosionspotential von Sekundärtropfen (grobes Wasser) wurde untersucht.

Independent of the thermal process for steam generation of the future, the steam turbine will take the part of power generation. Therefore the specific work generation, the efficiency and the reliability of these machines is an ongoing subject of research and development. To investigate physical phenomena in low pressure steam turbines three-dimensional computational fluid dynamics calculations of the three stage ITSM model steam turbine were performed. Experimental data from the test rig is used to validate the numerical results. For part load, design load and overload the flow field was numerically predicted and matches well with experimental data. To predict the correct radial pressure gradient downstream of the second rotor (R2) it is essential to model the backward facing step at the casing above R2.

An Eulerian-Eulerian multi-phase computational fluid dynamics model for predicting the phase transition under non-equilibrium (NES) conditions was examined. This models homogeneous nucleation and droplet surface condensation and allows the prediction of the wetness dispersion (droplet number and size) in the turbine. The predicted wetness dispersion matches closely earlier measurement results. The model includes thermodynamic losses that arise from non-equilibrium condensation processes. The predicted turbine characteristic qualitatively fits with measured data. The sourcespecific introduction of the liquid phases into the solution according to phase transition type and location in the turbine allows the information of origin of the phase nucleation to be available along the downstream flow path. The NES-steam model also enables the influence of geometry scaling on the generated wetness dispersion and thermodynamic losses to be investigated.

During extreme part load operation characteristic vortical flow structures occur in the low pressure turbine. These load conditions were numerically investigated with an equilibrium steam model (EQS) for two different turbine geometries. The comparison of numerical results with measurement data is discussed. This analysis contributes to the understanding of the turbine operation during windage and the nature of the vortical flow features.

The Lagrange particle path simulations of moisture liquid drops and coarse water drops illustrates the water deposition characteristic of turbine blades. The deposition of primary droplets (moisture) and the potential for erosion of coarse water drops has been investigated.