Instationäre Strömung und Fluid-Struktur-Interaktionen in Regelventilen von Dampfturbinen – Maßnahmen zur Stabilisierung sphärischer Regelventile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ronald Mailach
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281540516

Durch einen steigenden Anteil regenerativer Energien am Gesamtstrommix gewinnt ein flexibles Betriebsverhalten auch für konventionelle Kraftwerke immer mehr an Bedeutung. Künftig werden auch Dampfturbinen eine wachsende Rolle in der Bereitstellung von Regelleistung spielen, was eine rasche und zuverlässige Leistungsregelung erfordert. Eine kurzfristige Leistungsanpassung ist in Dampfturbinen meist über Regelventile realisiert, für die der zunehmende Anteil des Teillastbetriebs eine große Herausforderung darstellt. Dabei auftretende instationäre Strömungszustände können in Abhängigkeit von der Bauart zu einer Fluid-Struktur-Interaktion mit starken Vibrationen bis hin zum Materialversagen führen können. Neben komplexeren Bauformen kommen auch heute noch einfache sphärische Ventilgeometrien vor allem in Dampfturbinen kleinerer Leistungsklassen zum Einsatz, welche in besonderem Maße schwingungsgefährdet sind. Zur Gewährleistung des sicheren und zuverlässigen Teillastbetriebs ist daher neben einem guten Verständnis der strömungsmechanischen Ursachen auch die genaue Vorhersage instabiler Strömungszustände essentiell. Experimentelle Untersuchungen spielen dabei eine tragende Rolle, sind jedoch für Regelventile insbesondere für einen elastischen Ventilaufbau nur begrenzt verfügbar.Aufbauend auf Erkenntnissen des vorangegangen Projekts sollen in einem Ventilprüfstand in mehreren Schritten durch Grundlagenexperimente neue Maßnahmen (Strömungsgleichrichtung, Drallerzeugung und Turbulenzgenerierung) zur gezielten Beeinflussung des Strömungsfeldes und zur Unterdrückung von Strömungsinstabilitäten in Ventilen untersucht werden. Durch die Ergebnisse soll eine verbesserte Stabilität der Regelventile im Teillastbetrieb erreicht werden, wobei auch die Möglichkeit existierende Ventile nachzurüsten berücksichtigt werden soll.Die verschiedenen Konfigurationen werden dazu experimentell an einem skalierten Regelventil untersucht, wozu neben dem zeitaufgelösten Druckfeld auch die Dynamik des Ventils erfasst wird. Durch die Untersuchung akustischer Anregungen steht zudem deren Wechselwirkung mit dem Strömungsfeld im Fokus. Begleitend zu den experimentellen Messungen werden transiente 3D CFD-Simulationen durchgeführt, welche nach vorheriger Validierung und aufbauend auf bisherigen Erkenntnissen einen detaillierten Einblick in das Strömungsfeld geben. Neben dem starren Ventil werden zusätzlich auch bewegliche Konfigurationen durch gekoppelte strömungs- und strukturmechanische Simulationen untersucht, wodurch ein tiefergehendes physikalisches Verständnis der Anregungsmechanismen und des Einflusses konstruktiver Anpassungen erzielt wird.Durch die geplanten Untersuchungen an einem sphärischen Regelventil soll mittelfristig neben dem besseren Verständnis eine Erhöhung der Betriebsflexibilität von Dampfturbinen bei gleichzeitig verbesserter Effizienz und Strömungsstabilität im Teillastbetrieb erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen