Untersuchung von instationären Strömungsablösungen in den Diffusoren von Regelungsventilen von Dampfturbinen
Creators: name: Clari, Manuel Birger
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2014
Subjects: subject: 620 Ingenieurwissenschaften

description: In conventional and renewable steam power plant cycles, steam turbines are the central component for converting internal energy of steam into electric power. A typical requirement for the steam turbine is a wide control range for the electric power output. Especially in smaller power plants, which use biomass fuel, a combined-cycle or waste heat recovery from a production cycle, the steam turbines need a wide partial load range. Steam turbines with governing nozzles are used in these cases. The main component of this steam turbine type is the control valve casing, which is comprised of several control valves. Each valve is comprised of a valve diffuser, mounted in the control valve casing, and a moving valve plug. The control valve casing is one of the few parts in the steam cycle exposed to the highest occurring pressures and temperatures. Depending on the conditions of operation, a flow separation could take place in the valve diffuser, due to the throttling of the pressure. These separations are unsteady and may, depending on the layout of the valve, induce a fluid-structure-interaction between the flow and the valve plug. Depending on the layout and operation of the control valve, the combination of high pressure, high temperature and fluid-structure-interaction can result in damage for the components of the valve. Thus, sound knowledge about the separations and their causes are a vital point for improving the operational safety and efficiency of the control valve. Previous research on this topic has shown various causes and approaches to respectively eliminate or inhibit a strong fluid-structure-interaction in the control valve of a steam turbine with governing nozzles. Furthermore, the typical design of the control valve with a lift bar was identified as another cause for the fluid-structure-interaction. This thesis researches the application of a control valve, which features four controls that can be operated independently. This feature offers greater control for operating the valve, than the conventional lift bar design. A series of experiments conducted on a test rig investigated these flow separations, and further evaluations were conducted by numerical simulations. These simulations are then validated by the experimental data. Firstly, using the simulated data, trajectories are calculated from the 2-dimensional flow in a plane close to the wall of the diffuser. These trajectories make flow patterns in the unsteady flow separation visible. The flow pattern comprises of critical points, which allow for categorization of that pattern. By combining all the flow patterns for a single operation point, a evaluation of the scale and on the unsteadiness of the flow separations can be made. This method is then used to evaluate the separation behaviour of the valve on different operation points.
description: In konventionellen und regenerativen Dampfkraftwerken sind Dampfturbinen die zentrale Komponente zur Umwandlung der im Fluid enthaltenen Energie in elektrische Energie. Ein großer Regelbereich der elektrischen Leistung ist eine typische Anforderung an die Dampfturbine. Vor allem kleinere Kraftwerke für Biomasse, mit GuD-Prozess oder für Abwärmenutzung benötigen Dampfturbinen mit einem großen Teillastbereich. Hier kommen Dampfturbinen mit einer Düsengruppenregelung zum Einsatz. Eine zentrale Komponente dieses Turbinentyps ist das Regelventilgehäuse, in dem mehrere Regelventile angeordnet sind. Jedes Ventil besteht aus einem im Gehäuse montierten Diffusor und einem bewegbarem Stempel. Das Regelventilgehäuse ist eines der wenigen Bauteile im Dampfkreislauf, das dem höchsten Druck und der höchsten Temperatur ausgesetzt ist. Durch die Drosselung kommt es abhängig vom Betriebspunkt zu Strömungsablösungen im Diffusor. Diese Ablösungen sind meist instationär und können nach Aufbau des Ventils zu einer Fluid-Struktur-Interaktion zwischen Strömung und Stempel führen. Je nach Bau- und Betriebsweise des Regelventils kann die Kombination aus hohem Druck, hoher Temperatur und Fluid-Struktur-Interaktion zu einer Schädigung der einzelnen Ventilkomponenten kommen. Die Kenntnis der Ablösungen und deren Ursachen ist also ein wichtiger Punkt zur Optimierung des Regelventils. Bisherige Forschungsarbeiten zum Thema zeigen verschiedene Ursachen und Lösungsansätze zur Behebung bzw. Verhinderung einer starken Fluid-Struktur-Interaktion im Regelventil.Darüber hinaus ist die herkömmliche Bauweise des Regelventils mit einem Steuerbalken als Ursache für die Fluid-Struktur-Interaktion identifiziert worden. Diese Arbeit untersucht ein Regelventil, das durch separates Verfahren der Ventile im Gehäuse eine flexiblere Regelung des Dampfes als ein Regelventil mit Steuerbalken ermöglicht. Das Regelventil wird durch Messungen an einem Versuchsaufbau auf Strömungsablösungen hin untersucht. Zur weiteren Beurteilung des Ablöseverhaltens des Ventils, werden numerische Strömungssimulationen verwendet. Diese Simulationen werden mit den Messdaten validiert. Aus den Simulationsdaten werden Trajektorien der zweidimensionalen Strömung in einer wandnahen Ebene zum Diffuser berechnet. Durch die Trajektorien werden die instationären Strömungsstrukturen in den Ablösungen sichtbar. Diesen Strukturen weisen kritische Punkte auf, die eine Klassifizierung der entsprechenden Struktur ermöglichen. Werden alle Strukturen für einen Betriebspunkt zusammengenommen, kann damit eine Aussage über die Größe und die Instationarität der Ablösungen getroffen werden. Schließlich wird mit dieser Methode das Ablösungsverhalten an unterschiedlichen Betriebspunkten beurteilt.