Experimentelle Validierung numerischer Optimierungen des Schaufelpfades einer Hochdruck-Dampfturbine
Creators: name: Bittner, Simon Leonardo
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2020
Subjects: subject: numerical optimization
subject: experimental validation
subject: high blade loading
subject: numerische Optimierung
subject: experimentelle Validierung
subject: hohe Druckzahlen
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

description: Aufgrund der Priorisierung der erneuerbaren Energien ergeben sich völlig neue Anforderungen an konventionelle Kraftwerke. Neben der Grundsicherung der Energieversorgung werden diese inzwischen zum Ausgleich der volatilen Einspeisungen der erneuerbaren Energien genutzt. Daher stehen nicht mehr nur höchste Wirkungsgrade der Turbosätze im Fokus der Forschung, sondern auch schnellere Start- und Laständerungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen Wirkungsgraden im Teil- und Nennlastbereich. Eine Erhöhung der Leistungsdichte lässt den Betrieb mit kürzeren Rotoren zu, die aufgrund einer schnelleren Durchwärmung die erforderlichen schnelleren Laständerungsgeschwindigkeiten erlauben. Höhere Leistungsdichten sorgen jedoch auch für dickere Grenzschichten und damit für größere Sekundärströmungen, welche eine Reduktion des Wirkungsgrades zur Folge haben. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an. Als Basis der Arbeit dient eine 7-stufige Turbine mit dampfturbinenähnlicher Beschaufelung. Zur Erzeugung hoher Druckzahlen wurde diese auf ein 4-stufiges Design verändert, was einen Wirkungsgradverlust zur Folge hat. Durch die erhöhten Sekundärströmungen ergibt sich jedoch auch ein höheres Optimierungspotential hinsichtlich deren Beeinflussung. Durch die Steigerung der Rechenleistung in den letzten Jahrzehnten kann inzwischen mittels numerischer Simulationen das Strömungsfeld innerhalb einer Turbine realitätsnah vorhergesagt und damit auch optimiert werden. Die experimentelle Validierung des numerischen Modells ist dabei unabdingbar. Dafür wird ein weiter Kennfeldbereich der 4-stufigen Turbine mit hohen Druckzahlen auf dem Turbinenprüfstand des Instituts für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) vermessen und mit Strömungsfeldmessungen im Nennlastpunkt ergänzt. Nach der erfolgreichen Validierung des numerischen Modells wird dieses in reduzierter Form für eine Sensitivitätsstudie hinsichtlich der numerischen Optimierung von Seitenwandkonturen verwendet. Im Rahmen des AG Turbo Projektes "Innovativer Dampfturbinenschaufelpfad für hohe Leistungsdichten" wurde anhand dieser Sensitivitätsstudie eine ganzheitliche Optimierung des Schaufelpfades durchgeführt, gefertigt und im Rahmen dieser Arbeit als optimierter Testfall verwendet. Alle Erkenntnisse der Sensitivitätsstudie sind in die Optimierung eingeflossen. Der optimierte Testfall wird auf dem Turbinenprüfstand experimentell untersucht und validiert ein analog zum Modell des Referenzfalles erzeugtes numerisches Modell. Anhand der umfangreichen experimentellen und numerischen Daten wird gezeigt, dass zwei Drittel des durch die Erhöhung der Druckzahlen verlorenen Wirkungsgrades durch geeignete numerische Optimierung zurückgewonnen und experimentell nachgewiesen werden kann. Der erzeugte Wirkungsgradrückgewinn wird darüber hinaus physikalisch erklärt
description: The prioritization of renewable energies creates completely new requirements for conventional power plants. In addition to ensuring the baseload of the energy supply, these are now used to compensate for the volatile feed-in of renewable energies. Therefore, the focus is no longer only on the highest levels of efficiency of the turbo sets, but rather on faster starts and load changes with high levels of efficiency in the partial and nominal load range. An increase in the power density allows operation with shorter rotors, which allow faster rates of load change due to an accelerated heat-up and cool down. However, higher power densities also cause thicker boundary layers and thus larger secondary flows, which result in a reduction in efficiency. This is the motivation of the present thesis. A 7-stage turbine with steam turbine-like blading serves as the basis of the thesis. In order to achieve higher specific work per stage, this was reduced to a 4-stage design, which results in a loss of efficiency. However, the increased secondary flows also result in a higher optimisation potential with regard to their influence. Due to the increase in computing power in recent decades, the flow field within a turbine can now be realistically predicted and thus optimized by means of numerical simulations. The experimental validation of the numerical model is indispensable. For this purpose, a wide range of operating points of the 4-stage turbine is investigated on the turbine test rig of the Institute of Turbomachinery and Fluid Dynamics (TFD) and supplemented with flow field measurements at the nominal load point. After the successful validation of the numerical model, this will be used in reduced form for a sensitivity study regarding the numerical optimization of sidewall contours. In the context of the AG Turbo project "Innovative Steam Turbine Blade Path for High Performance Densities", a holistic optimization of the blade path was carried out, manufactured and used as an optimized test case in this work. The results of the sensitivity study have been incorporated into the optimization. The optimized test case is examined experimentally on the turbine test rig and validates a numerical model generated analogous to the model of the reference case. On the basis of the extensive experimental and numerical data it is shown that two thirds of the efficiency loss due to the increase in blade loading can be recovered by suitable numerical optimization. In addition, the gain in efficiency is experimentally verified and physically explained.