Instationäre Strömung und Fluid-Struktur-Interaktionen in voll- und teilbeaufschlagten Turbinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Projekt konnten im Vergleich zu bisherigen aus der Literatur bekannten Untersuchungen neue und umfangreiche Erkenntnisse zu dem Phänomen der Teilbeaufschlagung gewonnen werden. Insbesondere Informationen über zeitabhängige Vorgänge, die bei Teilbeaufschlagung in Dampfturbinen auftreten, konnten mit Hilfe experimenteller Untersuchungen in diesem Vorhaben gewonnen werden. Der Vergleich der Geschwindigkeitsfelder bei den Konfigurationen mit Voll- und Teilbeaufschlagung zeigt, dass bei Teilbeaufschlagung die tangentialen Geschwindigkeitsanteile auf der Druckseite der Versperrung sinken. Die Ursache für die Reduzierung der tangentialen Geschwindigkeitsanteile bei Teilbeaufschlagung liegt in den Druckgradienten in Umfangsrichtung. Der hohe statische Druck am Austritt aus der Versperrung entsteht durch die Aufstauung der Strömung, wenn die Rotorpassage beaufschlagt wird. Stromab der Versperrung entsteht wegen fehlender Durchströmung ein Unterdruck und somit ein Druckgefälle entgegen der Rotationsrichtung des Laufrades. Dadurch wird die Strömung in tangentialer Richtung verzögert. Lokale Erhöhungen der tangentialen Geschwindigkeit konnten in keinen bisherigen experimentellen Untersuchungen detektiert werden. Diese sind mit den Ventilationen im nichtdurchströmten Bereich in Verbindung zu setzen und aufgrund des dreidimensionalen Charakters im Rahmen der aerodynamischen Auslegung besonders zu berücksichtigen. Die zeitabhängigen Effekte konnten erfolgreich im Rahmen der Feldtraversen mit Splitfibersonden untersucht werden, wobei festgestellt werden konnte, dass bei gleicher Belastung der Stufe in der Konfiguration mit Teilbeaufschlagung ein Einfluss der Drehzahl auf das Frequenzspektrum an der Grenze zwischen beaufschlagten und nicht beaufschlagten Gebiet sowie im beaufschlagten Gebiet vorhanden ist, während stromab der Versperrung dieser Einfluss sehr gering erscheint. Zusätzlich konnte eine Verstärkung der Amplituden sowohl in Bezug auf die erste als auch zweite Harmonische der zeitlichen Störung des Geschwindigkeitsfeldes im Bereich der Statornachläufe, die näher an der Versperrung liegen, erfasst werden. Zeitabhängige Einflüsse der Strömungsgrößen konnten bisher nicht gezeigt werden und sind wichtige Daten, auf Basis derer weiterführende numerische Untersuchungen validiert werden können. Die Untersuchungen zur aerodynamischen Auswirkung der Teilbeaufschlagung auf die Druckfluktuationen auf der Rotorschaufel konnten ebenfalls erfolgreich durchgeführt werden und liefern zeitabhängige Druckverläufe auf Mittelschnitthöhe der Rotorschaufel. Der Einfluss der Randeffekte, die bei Teilbeaufschlagung entstehen, konnte mit der neu aufgebauten Messkette zur Datenerfassung in rotierenden Systemen erfasst werden. Insbesondere konnte dadurch das erste Mal der Einfluss des Teilbeaufschlagungseffektes auf unterschiedliche Positionen an der Schaufel untersucht werden, wobei sich gezeigt hat, dass die Entleerungseffekte am Eintritt in den nicht beaufschlagten Bereich besonders die Druckseite der Rotorschaufel beeinflussen, während die Füllungseffekte die Saugseite der Schaufel beeinflussen. Diese beiden gegenläufigen Effekte zeichnen sich durch Extrema hinsichtlich der statischen Drücke aus, wobei die Entleerungseffekte ein Druckminimum und die Füllungseffekte eine Druckmaximum verursachen. Eine Gegenüberstellung der zeitlichen Druckverläufe auf der Oberfläche der Rotorschaufel aus den numerischen und den experimentellen Untersuchungen brachte eine gute Übereinstimmung, wobei in den numerischen Ergebnissen die charakteristischen Verläufe bei Ein- bzw. Austritt der Rotorschaufel aus dem versperrten Bereich abgebildet werden konnten. Eine Analyse des Frequenzspektrums in Abhängigkeit vom Betriebspunkt hat gezeigt, dass bei Teilbeaufschlagung die ersten beiden Harmonischen der zeitlichen Druckfluktuation kleiner sind als bei der Konfiguration mit Vollbeaufschlagung, allerdings der Einfluss der zweiten Harmonischen druckseitig ansteigt. Mit Hilfe dieser Ergebnisse wird ein grundlegender Beitrag zur Erforschung der Effekte bei Teilbeaufschlagung geleistet und zugleich eine Grundlage für weitere Untersuchungen, insbesondere unter Betriebsbedingungen industrieller Dampfturbinen, geschaffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Design of a low-pressure turbine stage with control stage characteristics for investigations of partial admission effects", 17th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery (ISROMAC), December 16-21, 2017, Maui, USA
Hodzic, O., Sinkwitz, M., Schramm, A., Iseni, S., Engelmann, D., Mailach, R. and di Mare, F.
- 2017: "Datenübertragung aus rotierenden Systemen bei hoch instationären Strömungsfeldern", 1st Symposium on Turbomachinery Test Facilities, Ruhr-Universität Bochum, May 11-12, 2017, Bochum, Germany
Hodzic, O., Engelmann, D. and Mailach, R.
- “Experimental and Numerical Investigations of a Low-Pressure Turbine Control Stage”, GPPS-2018-98, Proceedings of GPPS Forum 18, Global Power and Propulsion Society, May 7-9, 2018, Montreal, Canada
Hodzic, O., Winhart, B., Sinkwitz, M., Engelmann, D., di Mare, F., Mailach, R.
