Optimierung eines Axial-Radial-ND-Abströmgehäuses hinsichtlich des Wirkungsgrades sowie der Stoßoszillation

Abstract

An einem Abströmgehäusemodell einer ND-Turbine wurden im ersten Schritt zunächst mittels Fadensonden Strömungsprofile für verschiedene Gehäuseebenen bei konstant gehaltenen Zuströmbedingungen aufgenommen. Die somit lokalisierten großen Totwasser- und Wirbelgebiete wurden dann systematisch untersucht und reduziert. Der Einsatz von Leitblechen im oberen Abströmgehäusebereich bewirkte eine relative Wirkungsgraderhöhung um etwa 20 %. Im zweiten Schritt der experimentellen Untersuchungen wurde das Augenmerk auf die Diffusoraußenschalen und deren Abströmqualität gerichtet. Dazu wurden mittels pneumatischer Sondenmeßtechnik bei konstanter Zuströmung weitere Strömungsprofile direkt im Diffusoraustritt an mehreren Umfangspositionen und in der Kondensatorzulaufstrecke aufgenommen. Aufgrund der hierbei erzielten Ergebnisse, die eine nicht symmetrische Strömungsverteilung am Diffusoraustritt aufwiesen, wurde eine der komplizierten Strömungscharakteristik angepaßte Diffusoraußenschale konzipiert. Das Abströmverhalten dieser Schale wurde in weiteren Meßreihen untersucht und hinsichtlich des Diffusorwirkungsgrades optimiert. Zur Ergänzung wurde zusätzlich der Einfluß verschiedener Leitbleche auf den Wirkungsgrad untersucht. Anschließend wurde das Phänomen der Stoß-Grenzschicht-Interaktionen untersucht. Dazu wurden zuerst im Flachwassermodell Parameterstudien durchgeführt, die einen ersten Ansatz zur Reduktion der Stoßpulsation geliefert haben. Diese Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung hat ihren Ursprung in dem sprunghaft ansteigenden statischen Druck an der Außenschale, direkt hinter dem durch die Jet-/Spaltströmung bedingten Stoß, der bei größeren Volumenströmen die Instabilität der Ablöseblase in der Grenzschicht verursacht. Diese Strömungsinstabilitäten treten unter anderem bei überkritischer Anströmung von Triebwerken und bei der transsonischen Tragflügelumströmung auf. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Flachwasserparameterstudie wurden Folgeuntersuchungen am Axial-Radial-Abströmgehäusemodell durchgeführt. Hier wurden die selbsterregten Schwingungen sukzessive durch passive Maßnahmen (bauliche Veränderungen) oder durch aktive Maßnahmen wie z.B. Grenzschichtabsaugung beeinflußt. Durch umfangreiche Messungen mit instationär messenden Druckmeßumformern konnten die Stoßpulsationen am Diffusor analysiert werden. Die Messungen zeigen, daß das Strömungsphänomen der Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung keiner Gleichmäßigkeit bezüglich der rotationssymmetrischen Diffusoraußenschalen unterliegt. Die Frequenz der Stoßpulsationen umfaßt den Bereich zwischen 350 und 450 Hz und nimmt mit steigendem Volumenstrom zu. Die Oszillation tritt am stärksten im unteren, dem Kondensator zugewendeten Bereich auf und nimmt fortlaufend den gesamten Austrittsquerschnitt ein. Die Folge ist, daß die instationären Vorgänge die gesamte Diffusorströmung nachhaltig beeinflussen. Es kommt zu instationären großflächigen Sperreffekten, die eine enorme Verringerung des effektiven Strömungsquerschnittes und somit eine deutliche Wirkungsgradminderung bedeuten. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß diese negativen Folgen der Pulsationen sowohl durch die passiven wie auch durch die aktiven Maßnahmen positiv beeinflußt werden können. Beim Vergleich dieser Methoden wurde feststellt, daß die Prallängenveränderung durch eine axiale Versetzung der Innenschale (passive Maßnahme) den Beginn der Stoßoszillationen zu höheren Volumenströmen verlagern konnte und somit nur für eine bedingte Betriebssicherheit sorgen kann. Demgegenüber wurde das Diffusorbrummen durch die Anfachung der Grenzschicht im hinteren Totwasserbereich gänzlich unterdrückt. Mit einer numerischen Optimierung der Kontur der Diffusoraußenschale und des Öffnungsverhältnisses der Schlitze und Bohrungen sowie deren Plazierung wird es sicher möglich sein, eine pulsationsfreie Abströmung für den gesamten Endstufenbetriebsbereich zu erzielen. Hierdurch wird bei höheren Volumenströmen neben einer Reduzierung der Schaufelbelastung auch eine deutliche Wirkungsgradverbesserung gegenüber glatt ausgeführten und mit Knicken versehenen Diffusoraußenschalen erreicht, die keine Neigung zur "Brummtendenz" aufweisen, allerdings einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad besitzen.

As a first step, flow profiles for different casing levels at constant admission conditions were recorded by means of filament probes on a model of an LP turbine exhaust casing. The large eddy water and vortex areas thus localised were analysed and reduced systematically. Installation of turning vanes in the upper section of the exhaust casing area resulted in a relative efficiency increase of approx. 20%. In the second step of experimental investigations, attention was directed to the diffuser outer shells and their exhaust quality. For this purpose, further flow profiles were recorded directly in the diffuser outlet at several circumferential positions and in the condenser supply line by means of pneumatic probe measurement technology at constant admission. Based on the results thus achieved showing a non-symmetrical flow distribution at the diffuser outlet, a diffuser outer shell was designed matching the complicated flow characteristics. The exhaust behaviour of this shell was investigated in the course of further series of measurements and optimised with regard to diffuser efficiency. As a supplement, the influence of different turning vanes on the degree of efficiency was investigated. Subsequently, the phenomenon of the impact - boundary layer interactions was examined. For this, at first parameter studies were carried out in the shallow water model resulting in a first approach to reduction of impulse pulsation. This interaction between impact and boundary layer is originated by the sudden increase of static pressure at the outer shell applied directly behind the impact caused by jet / blade tip clearance flow and causing the instability of the separation bubble in the limit layer. These flow instabilities occur among others in case of supercritical flow admission to drive units and of transonic flow around wings.Based on the results of the shallow water parameter study, follow-up investigations were carried out on the axial-radial exhaust casing model. Here, the auto-excited oscillations were successively influenced either by passive measures (constructional modifications) or by active measures such as boundary layer extraction. The impact pulsations on the diffuser could be analysed by extensive measurements with non-stationary pressure transducers. The measurements show that the flow phenomenon of impact - boundary layer interaction is not submitted to uniformity as regards the rotationally symmetric diffuser outer shells. The frequency of impact pulsations comprises the area between 350 and 450 Hz and rises with increasing volume flow. Oscillation mainly occurs in the lower area showing to the condenser and successively covers the complete exhaust cross section. As a sequence, the non-stationary processes sustainably influence the complete diffuser flow. It comes to non-stationary buffering effects over large surfaces leading to an enormous reduction of the effective flow cross-section and thus a clear reduction in efficiency. Investigations have shown that these negative sequences of pulsation can be positively influenced by the passive as well as by the active measures. Comparing these methods it was detected that a modification of baffle lengths by axial displacement of the inner shell (passive measure) was able to shift the start of impact oscillations to higher volume flows, thus initiating only limited operational safety. Compared to this, diffuser humming was completely suppressed by exciting the boundary layer in the rear eddy water area. By numerical optimisation of the diffuser outer shell contour and of the opening ratio of slots and bores as well as of location of the latter it will surely be possible to achieve pulsation-free exhaust for the complete final stage operating range. Apart from a reduction of the blade load at higher volume flows, this will also result in a clear improvement of efficiency compared to smoothly designed diffuser outer shells with bends that do not tend to "humming", however, provide a considerably worse efficiency.