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Authors: Truckenmüller, Frank
Title: Untersuchungen zur aerodynamisch induzierten Schwingungsanregung von Niederdruck-Laufschaufeln bei extremer Teillast
Other Titles: Investigations on aerodynamically induced vibration of low pressure rotor blades at extreme part load operation
Issue Date: 2003
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-14867
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1631
http://dx.doi.org/10.18419/opus-1614
Abstract: Die heutigen Marktanforderungen führen bei Dampfturbosätze zu einem stark variablen Betrieb, der in der Gesamtturbine oder in einzelnen Stufen häufiger eine sehr geringe oder sogar gar keine Durchströmung hervorruft. Dieser Betriebszustand wird Ventilation genannt, er stellt für den Turbosatz durch die auftretenden thermischen und dynamischen Belastungen eine zusätzliche Beanspruchung dar, die berücksichtigt werden muß. An einer dreistufigen Niederdruck-Modelldampfturbine wurden umfangreiche Untersuchungen im Betriebsbereich der extremen Teillast durchgeführt, wobei neben der Ermittlung der thermischen Belastung im Bereich der letzten drei Stufen die Bestimmung der dynamischen Schaufelbelastung der letzten Laufschaufelreihe das Ziel war. Die Untersuchungen ergaben maximale Temperaturen von bis zu 300°C zwischen der Vorstufe (L-1) und der Endstufe (L-0) bei geschlossenem Frischdampfschieber. Die Gegenüberstellung der gemessenen Ventilationsverluste von ein- und dreistufigem Modellaufbau zeigte, daß die Verluste des einstufigen Aufbaus in der gleichen Größenordnung wie beim dreistufigen Aufbaus lagen. Bei einem Volumenstrom kleiner 23% von der Auslegung stellt sich bei beiden Versuchskonfigurationen für das letzte Laufrad eine nahezu konstante Leistungsaufnahme ein. Pneumatische Strömungsfeldmessungen im Bereich der letzten Stufe zeigen, daß sich vor dem Endstufenlaufrad bei abnehmendem Volumenstrom eine starke Zunahme der Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung ausbildet; das Fluid wird, beginnend vom Spitzenschnitt, durch die Laufschaufel mitgerissen. Im Bereich der extremen Teillast wurde, neben einer moderaten Zunahme der Wechseldeh-nungsbelastung durch eine stochastische Anregung aller Schwingungs-Eigenformen der Endstufenlaufschaufel, in einem schmalbandigen Bereich des Volumenstromes eine dominante Anregung der zweiten und der dritten Eigenform festgestellt. Während bei der dritten Schwingungsform ein nur mäßiger Anstieg des Amplitudenniveaus gemessen wurde, zeigte sich bei der zweiten Eigenform eine bis zu sechsfache Amplitudenüberhöhung gegenüber dem sonst niedrigen Niveau. Die dynamische Belastung lag in allen Betriebsbereichen unter der Dauerschwingfestigkeit der Laufschaufel. Bei instationären Strömungsfeldmessungen wurden im äußeren Bereich des Strömungskanals vor und nach der letzten Laufreihe in einem Lastbereich zwischen 11 und 22% des Auslegungsvolumenstromes stark fluktuierende Wechseldruckanteile gemessen. Hierbei handelt es sich um pulsierend umlaufende Druckzellen, die im Relativsystem generiert werden. Der Entstehungsort und der Volumenstrombereich fallen mit der bereits erläuterten starken Zunahme der Strömungsgeschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zusammen. Die mit abnehmendem Volumenstrom geringere Differenz zwischen Fluidgeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit der Laufschaufel führt im Relativ- sowie im Absolutsystem zu einer starken Frequenzänderung dieser Wechseldruckanteile. Weiterhin vergrößert das Auftreten von höheren Ordnungen der Pulsationsfrequenz die Bandbreite der möglichen Erregerfrequenz. Dadurch stellt dieses Strömungsphänomen eine nicht zu unterschätzende Gefährdung der Laufbeschaufelung von Endstufen dar, hervorgerufen durch eine zu hohe Schwingbelastung infolge aerodynamisch induzierter Zwangsanregung.
Today’s market requirements for steam generators calls for a strong increase in the range and severity of operation conditions. As a result of this, steam turbines, or specific rows within the steam turbines are required to operate more frequently under conditions with little or no steam flow. This extreme part load condition, known as windage, results in an increases in the thermal and dynamic load on the blading, which must be considered in the design. Extensive investigations on extreme part load conditions were carried out using a model of a three stage low pressure steam turbine. The primary goals were to determine the resulting thermal conditions in the last three stages and to evaluate the dynamic vibration in the last rotating blade row. The investigations showed with closed steam valve temperature up to 300°C between the preliminary stage (L-1) and the last stage (L-0). A comparison of results from a single stage model and the three stage model showed that the windage losses are similar. At volumetric flow below 23% of the rated condition, the power absorption rate was almost constant at the last running blade row. This was the case for both test configurations. Pneumatic flow field measurements in the last stage showed a strong increase in circumferential flow for a corresponding decrease in volumetric flow up stream from the last rotating row (the fluid is carried along by the rotating blade). This flow phenomena starts at the tip section of the blade and propagates down the blade with further decrease in flow. At part load condition, in addition to the moderate increase of the alternating stress through the stochastic excitation of all natural frequencies of the last running blade in a small range of the volumetric flow, a dominate excitation appeared at the second and third natural frequencies. For the third vibration mode only, a moderate increase in amplitudes occurred, in contrast an enhancement up to the sixth of the normal low level was measured for the second mode. The dynamic stress in the blades, were below the vibration fatigue strength limit under all excitation conditions. Measurements of flow field fluctuations in front of and behind the last running blade indicates strong unsteady flow close to the outer flow boundary between 11% up to 22% of the design volumetric flow. It is a matter of rotating pressure cells generated in the relative system. The geometric area as well as the operation range are obviously connected with the strong increase of the circumferential velocity component as aforementioned. The decreasing circumferential velocity difference between fluid and rotating blade at declining volumetric flow leads in the relative- and absolute system to a strong change of frequency for the pressure fluctuation. Additionally the occurrence of higher modes of the fluctuation frequency increases the bandwidth of the excitation frequencies. Thereby this flow phenomena can be a endangerment of the running blade of last stages, arouse by high blade vibration through forced aerodynamic induced excitation.
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