Numerische Untersuchung der Zweiphasenströmung und Analyse von Nässeverlusten in Niederdruckdampfturbinen

In Dampfkraftwerken setzt Kondensation üblicherweise bereits in den letzten Stufen der Dampfturbine ein. Die sich bildenden Tropfen verursachen nicht nur Erosionsschäden, sondern es entstehen zusätzliche Verluste. In der vorliegenden Arbeit wird eine möglichst umfassende Analyse dieser Nässeverluste mittels numerischer Simulation der Zweiphasenströmung durchgeführt. Zunächst werden die der Simulation zugrunde liegenden physikalischen Modelle anhand von Düsen- und Kaskadenströmungen auf deren Eignung überprüft und kalibriert. Mit den gewonnen Erkenntnissen wurde die Strömung in einer dreistufigen Modelldampfturbine modelliert und die gewonnen Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen. Weiterhin wird die mit dem Kondensationsmodell berechnete Strömung dem Strömungsfeld einer konventionellen einphasigen Rechnung gegenübergestellt. Zusätzlich zu den thermodynamischen Nässeverlusten wurden die kinematischen Nässeverluste aufgrund der Reibung zwischen Tropfen und Dampf berechnet und der Einfluss der Tropfengröße diskutiert. Für die Bestimmung der Abscheidung von Tropfen auf strömungsführenden Oberflächen konnte ein Verfahren entwickelt werden, das die Tropfenabscheidung infolge der höheren Trägheit der Tropfen sowie durch turbulente Diffusionsvorgänge berücksichtigt. Die vorgestellte Verlustanalyse umfasst zusätzlich die Bremsverluste, die aufgrund des Tropfenschlags auf Laufschaufeln entstehen. Für weitere strömungstechnische Verbesserungen der Niederdruckstufen sind die Berücksichtigung von Kondensationseffekten und die Quantifizierung von Nässeverlusten von großer Bedeutung. Dies wird anhand einer Verlustanalyse unterschiedlicher 2D Statorprofile verdeutlicht.