Untersuchung nicht-achsensymmetrischer Seitenwandkonturen zur Reduzierung von Sekundärströmungen in Hochdruck-Dampfturbinen

Abstract

Auch wenn insbesondere in den Industrieländern der Anteil erneuerbarer Energien zunimmt, kommen zur Elektrizitätserzeugung weiterhin konventionelle Kraftwerke mit Dampfturbinen als Generatorantrieb zum Einsatz. Darüber hinaus finden Dampfturbinen auch bei der regenerativen Stromerzeugung z.B. mittels Biomasse, Geo- oder Solarthermie Anwendung. Um dabei einen effizienten Energiewandlungsprozess zu ermöglichen, ist ein hoher Wirkungsgrad eines der wesentlichen Auslegungskriterien für Dampfturbinen. Im Hochdruckteil von Dampfturbinen tragen die Sekundärströmungen einen wesentlichen Anteil zu den wirkungsgradmindernden Verlusten bei. In Flugtriebwerksturbinen setzen einige Hersteller nicht-achsensymmetrische Seitenwandkonturierung zur Reduzierung der Sekundärströmungen ein. Diese reduzieren den Querdruckgradienten in der Schaufelpassage, die für Sekundärströmungen treibende Kraft. In Dampfturbinen hat sich dieses Gestaltungselement noch nicht bis zur Einsatzreife durchgesetzt. Dies ist einerseits auf die Unterschiede im Auslegungsprozess zwischen Triebwerks- und Dampfturbinen, andererseits auf die bei modernen Triebwerken deutlich höhere aerodynamischen Profilbelastung und damit tendenziell stärkeren Sekundärströmungen zurückzuführen. In der vorliegenden Arbeit werden zwei vom Industriepartner ausgelegte, 7-stufige, für Hochdruckdampfturbinen typische Beschaufelungen sowohl experimentell, als auch mittels CFD untersucht. Die Konfigurationen unterscheiden sich ausschließlich darin, dass eine Beschaufelung eine nicht-achsensymmetrische Seitenwandkontur aufweist, wie sie im Rahmen des konventionellen Auslegungsprozesses ohne zu große Mehraufwände eingebracht werden kann. Die andere Beschaufelung weist keine Konturierung auf und dient als Referenz. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst Maßnahmen zur Verbesserung der Regel- und Messgenauigkeit vorgestellt, die im Rahmen dieser Arbeit notwendig waren, um den Prüfstand für das Herausmessen der aus anderen Arbeiten zur Seitenwandkonturierung bekannten Wirkungsgradverbesserung zu qualifizieren. Die Entwicklung und der Einsatz einer verstellbaren Kammsonde im Turbinendiffusor zeigt, dass hierdurch die Messgüte der Austrittsbedingungen bei stark drallbehafteter Abströmung verbessert wird. Durch eine neue Prüfstandsregelung kann die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse im Vergleich zu einer vorherigen Messkampagne deutlich verbessert werden. Die Untersuchung der Seitenwandkontur zeigt sowohl experimentell, als auch numerisch, dass die eingesetzte Geometrie bei wenigen Schaufelreihen zu einer Reduzierung der Sekundärströmungen führt. Insgesamt nimmt der Wirkungsgrad durch die Kontur ab. Die detaillierten CFD-Untersuchungen zeigen, dass die gewählte Kontur insbesondere unmittelbar am Beginn der Schaufelpassagen durch ihre konvexe Form die vom einströmenden Kavitätenfluid hervorgerufenen Ablöseblasen verstärkt. Im weiteren Passagenverlauf führt die Kontur nur an wenigen Seitenwänden zu einer Reduzierung des Querdruckgradienten.

Even though in industrialized countries there is an increasing portion of renewable energies, conventional power plants with steam turbines as generator drive application will still be in use. In addition steam turbines are also used for electricity production from renewable energy sources like due to biomass, solarthermal or geothermal heat. For an efficient energy conversion process, for steam turbines a high efficiency is an essential design criterion. For high pressure turbines secondary flows are one of the most important loss mechanisms. Non-axisymmetric endwall contouring has become a well known method for reducing secondary flow in turbines of aero engines. Due to this geometries the cross passage pressure gradient is reduced, the main force that drives the secondary force. In steam turbines this method has not yet become stablished to industrial maturity.The reasons for that are differences in the design process of steam turbines and turbines for aero engines on the one hand, and on the other hand the stronger secondary flows in aero engines do to a higher profile loading. In this thesis, two seven stage turbines with typical high pressure steam turbine blading and designed by an industrial turbine manufacture are investigated experimentally on a test stand as well as numerically with computational fluid dynamics methods. One of the bladings has non-axisymmetric endwalls.