Strukturmechanische Auslegungskonzepte für Großkomponenten einer 700°C Dampfturbine

Abstract

Zur weiteren Wirkungsgradsteigerung von Kohlekraftwerken auf 50% ist eine Anhebung der Frischdampfparameter auf 700°C und 350bar notwendig. Diese sogenannte A-USC Technologie wird den erstmaligen Einsatz von Nickelbasiswerkstoffen für Großkomponenten wie Gehäusen und Rotoren von Dampfturbinen erfordern. Die Arbeit umfasst die wesentlichen benötigten strukturmechanischen Auslegungskonzepte für Nickelbasis-Großkomponenten und stellt diese in einer komponentenspezifischen Form bereit, die die direkte Anwendung im Auslegungsprozess bei Turbinenherstellern ermöglicht. Ausgehend vom erarbeiteten Gesamtkonzept werden die Konzepte zur Absicherung der Turbinenrotoren und -gehäuse gegen Kurzzeitversagen und Kriechversagen detailliert entwickelt. Die Arbeit umfasst Ansätze unterschiedlicher Komplexität und Genauigkeit für die unterschiedlichen Phasen einer Turbinenentwicklung: von einfachen Handformeln hin zu fortschrittlichen FE-basierten Dehnungsnachweisen auf Basis eines Graham-Walles Modells, welches einen Schädigungsparameter zur Berücksichtigung der Mehrachsigkeit des Spannungszustands berücksichtigt. Im letzten Teil der Arbeit werden die erstellen Konzepte an komplexen Werkstoffversuchen validiert und anhand von FE-Modellen von Dampfturbinenkomponenten wird ihre Praxistauglichkeit bestätigt.

In order to further increase the efficiency of coal fired power plants to 50%, main steam parameters of 700°C and 350bar are required. This so-called A-USC technology requires the first time application of Ni-based alloys for large steam turbine components such as rotors and casings. The thesis contains the required main structural mechanics concepts for Ni-based large steam turbine components. They are presented in a component specific way, which makes the direct application in the design process of steam turbine manufacturers possible. Starting from the derived overall concept, concepts to assess steam turbine rotors against short term and creep failure are developed in detail. The thesis contains methodologies of different complexity and accuracy for the different phases of a steam turbine development: both simple equations for estimations and advanced FE based strain assessment methodologies are described, the latter being based on a Graham-Walles creep model, which contains a damage parameter to take into account the multiaxiality of the stress state. In the final part of the thesis, the derived concepts are validated against complex material tests, and their suitability for use in turbine development is confirmed using FE models of steam turbine components.