Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-1721
Authors: Völker, Lutz
Title: Neue Aspekte der aerodynamischen Gestaltung von Niederdruck-Endstufen-Beschaufelungen
Other Titles: New aspects of the aerodynamic design of low pressure endstage bladings
Issue Date: 2007
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-29722
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1738
http://dx.doi.org/10.18419/opus-1721
ISBN: 978-3-8322-5909-9
Abstract: Die heutige Zielsetzung der Auslegung moderner Dampfkraftwerke ist eine weitere Anhebung der Effizienz. Um dies zu erreichen, bietet der Niederdruckteil mit seiner Endstufe und dem nachgeschalteten Diffusor das größte Potential, nicht zuletzt infol-ge der mehrflutigen Bauweise. Ziel ist es daher, die Auslassverluste möglichst zu minimieren, um den Wirkungsgrad zu steigern. Unter Berücksichtigung des festen Enthalpiegefälles über die Stufen lassen sich Steigerungen im Wirkungsgrad nur noch durch Anhebungen des Massenstroms erreichen. Da die Drehzahl an die jewei-lige Netzfrequenz gekoppelt ist und folglich feststeht, erfordert eine Anhebung des Massenstroms eine größere Abströmfläche, die typischerweise mit einem größeren Rotordurchmesser und einem Längenzuwachs der Beschaufelung verbunden ist. Der Längenzuwachs in der Beschaufelung lässt sich jedoch mit Stahlschaufeln infolge der ernormen Fußbelastungen nicht mehr realisieren und erfordert somit einen Mate-rialwechsel von Stahl auf Titan. Damit verbunden ist jedoch ein Umdenken im Schau-feldesign, da Titan infolge der geringeren Dichte den Einsatz von Deckband und Snubber notwendig macht, um die dynamischen Beanspruchungen zu minimieren. Im Rahmen der Entwicklung einer neuen ND-Entstufe erfolgen intensive Untersu-chungen an den Modellen dreier verschiedener Turbinenkonfigurationen im Ver-suchstand des Instituts für Thermische Strömungsmaschinen und Maschinenlabora-torium (ITSM) der Universität Stuttgart. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Turbinen konzentrierten sich dabei einerseits auf die Ausführung der Endstufenbe-schaufelung und hierbei im Speziellen auf die Leitschaufelgeometrie, wobei die Ab-strömfläche gleich geblieben ist und andererseits auf die Abströmfläche, die vergrö-ßert wurde. Neben ausgedehnten Strömungsfeldmessungen mit pneumatischen Strömungssonden im Bereich der gesamten Endstufe und des anschließenden Diffu-sors für drei Betriebspunkte erfolgte ebenso die Bestimmung des Wirkungsgrades über dem gesamten Lastbereich, um die Veränderungen im Design zu quantifizieren. Basierend auf den Messungen wurden die einzelnen Turbinenkonfigurationen mit einem 3D-Strömungslöser und einem 2D-Throughflow-Code mehrstufig nachgerech-net. Letzter erlaubt zudem die Berücksichtigung von Schaufelneigungen und bietet die Möglichkeit mit Nassdampf zu rechnen. Die ermittelten Ergebnisse liefern umfangreiche Einblicke in das sich ausbildende komplexe dreidimensionale Strömungsfeld im Bereich der Endstufe in Abhängigkeit vom Schaufeldesign sowie für unterschiedliche Betriebspunkte. Im weiteren stellen die Messungen eine umfangreiche Datenbasis zur Entwicklung, Verbesserung und Validierung von numerischen Verfahren dar, die das Ziel haben, die komplexen drei-dimensionalen Strömungsverhältnisse im Bereich einer Endstufe und letztlich die komplette Durchströmung mehrstufiger Turbinen mit nachgeschaltetem Diffusor zu berechnen.
A key objective in the design of modern steam power plants is to increase the effi-ciency. The greatest opportunity is presented by the low pressure part with its last stage and the downstream diffuser. The intention is to minimize the exhaust losses and increase the efficiency. Considering the fixed enthalpy drop over the turbine the efficiency increasing can only be achieved by increasing the mass flow rate. Since the speed of the turbine is coupled to the grid frequency and hence is fixed, an in-crease in mass flow rate of a steam turbine requires an increase in the exit area. This is typically associated with length increases in both rotor diameter and blade. An increase of the blading length can not be realized with steel blades due to the tre-mendous blade root forces. This demands a change in blade material form steel to titanium. Due to the lower density the use of titanium requires additional damping devices such as snubber and shroud to minimize the dynamic stress. This leads to the development of integral shrouded blades (ISB). Within the development of a new LP last stage intensive investigations have been carried out with models of three different turbine configurations in the test rig of the Institute of Thermal Turbomachinery and Machinery Laboratory of the University of Stuttgart. The differences in the three turbines focus on the layout of the last stage blading with changes to the guide vane geometry of the last stage for equal exit area and an increase of the exit area. Widespread flow field measurements with pneu-matic flow probes in the range of the entire last stage and the downstream operating diffuser were carry out for three operational points. Additionally the efficiency was determined over the whole operation range to quantify the changes in the design. Based on the measurements each turbine configuration was investigated numerically by using both a 3D flow solver and a 2D throughflow code. In each case the com-plete three stage turbine with a diffuser part were modelled for the calculations. The latter code allows the consideration of blade lean and offers the possibility to calcu-late with wet steam. The results provide comprehensive insights in the development of the complex three dimensional flow field inside the last stage depending on the blade design and differ-ent operation points. Furthermore the measurements present a extensive data pool for developing, improving and validation of numerical programs for calculation the complex three dimensional flow field through a last stage and finally through a multi-stage turbines with downstream operating diffuser.
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