Numerische Untersuchung von Lastvariationen und Nässephänomenen an einer Niederdruck-Dampfturbine

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 Nukleation simuliert, 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.