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Untersuchung des strömungs- und strukturdynamischen Verhaltens von Dampfturbineneinlassventilen im Teillastbetrieb

Domnick, Clemens

Die hier vorliegende Arbeit thematisiert das strömungs- und das strukturdynamische Verhalten von Hochdruckventilen, die in Großkraftwerken zur Regelung von Dampfturbinenanlagen genutzt werden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung der Strömungszustände und des daraus resultierenden Schwingungsverhaltens des Ventilkegels im Teillastbetrieb der Anlage. Bei Teillastbetrieb herrscht eine hohe Druckdifferenz zwischen dem Ein- und Austritt des Ventils, die dazu führt, dass im Bereich der Drosselstelle die Strömung extrem stark beschleunigt wird und als Strahl in den Ventildiffusor eintritt. Bei der anschließenden Dissipation des Strahls treten verschiedene Strömungsinstabilitäten auf. Diese rufen in bestimmten Betriebspunkten starke Druckfluktuationen hervor, die letztendlich den Ventilkegel zum Schwingen anregen. Durch die aktuell zunehmende Nutzung volatil verfügbarer regenerativer Energieträger ist die Betriebsweise von Dampfkraftwerken signifikanten Änderungen unterworfen. An die Stelle des Volllastbetriebs mit wenigen Anfahrvorgängen tritt eine Betriebsweise mit häufigem Teillastbetrieb, stark variabler Lastabgabe und häufigen Anfahrvorgängen. Da der zuvor wenig beachtete Teillastbetrieb von Dampfventilen aufgrund dieser Änderungen zunehmend an Bedeutung gewinnt, herrscht in diesem Bereich vermehrt Forschungsbedarf. Die aerodynamischen und strukturdynamischen Untersuchungen werden mit numerischen Methoden durchgeführt. Voruntersuchungen an Validierungsfällen ergeben, dass zur Modellierung von typischen Strömungsinstabilitäten zeitabhängige CFD-Berechnungen mit klassischen Zweigleichungsturbulenzmodellen (RANS) nicht ausreichend sind. Stattdessen wird ein hybrides Turbulenzmodell genutzt, die eine Zwischenstellung zwischen den Zweigleichungsmodellen und den Large Eddy Simulationen einnehmen, genutzt. Die CFD Untersuchungen zeigen, dass Wandstrahlablösungen, die bei bestimmten Betriebsbedingungen im Ventildiffusor auftreten, einen maßgeblichen Einfluss auf das Strömungsverhalten haben sowie die Intensität der dynamischen und statischen Lateralkräfte signifikant erhöhen. Aus der Analyse der Berechnungsergebnisse geht hervor, dass das Auftreten der ungünstigen Wandstrahlablösungen direkt mit dem Versagen des Coandă-Effekts in unterexpandierten Wandstrahlen korreliert. Weitere Untersuchungen zeigen, dass bei einem angelegten Strahl ein wesentlicher Teil der dynamischen Axialkraft durch einen akustischen Raummode auf den Ventilkegel aufgeprägt wird. Der Raummode wird durch eine Scherschicht im Ventildiffusor angeregt. Störungen dieser Scherschicht, die durch Einbauten oder Schwingungen des Kegels hervorgerufen werden können, führen zu einer Verminderung der Anregung. Ist der Strahl abgelöst, treten im Ventil durch instationäre Wiederanlegevorgänge des Strahls sowie durch die Oszillation von schrägen Verdichtungsstößen hohe Druckfluktuationen und damit eine hohe dynamische Kraft, die auf den Kegel wirkt, auf. Generell ist unter strömungsmechanischen Gesichtspunkten die angelegte Strömung als günstiger zu bewerten als die abgelöste Strömung. Die strukturdynamischen Analysen, die zum Teil gekoppelt mit den aerodynamischen Untersuchungen durchgeführt werden, zeigen, dass im Fall der abgelösten Strömung intensivere Schwingungen des Ventilkegels auftreten als im Fall der angelegten Strömung.

In this thesis the aero dynamic and structural dynamic behavior of high pressure turbine inlet valves used for large power stations is investigated. Emphasis is put on the investigation of the flow field and the flow induced vibrations at part load operation. At this operational range a large pressure difference exists between the inlet and the outlet of the valve causing an extreme acceleration of the flow in the valve gap between the valve plug and the valve seat. The high speed flow being discharged from the gap forms a jet in the valve diffuser. There the kinetic energy of the jet is dissipated by various flow instabilities causing pressure fluctuations. These pressure fluctuations act on the valve plug and hence cause intense vibrations. Due to the increasing use of renewable energy, the operational mode of steam turbine installations is changed from base load operation to intermediate operation with highly variable power output and frequent startup operations. As long time part load operation was not previously considered, there is a demand for research. The study on the aero and structural dynamic phenomena is carried out with numerical models. Pre-studies on validation cases show that classical two-equation turbulence models are not capable to model flow instabilities and the generation of pressure fluctuations properly. A Hybrid turbulence model combining the advantages of the RANS and the SAS-method is used instead. The CFD simulations reveal that wall jet separations existing at certain operation conditions have a significant effect on the flow topology in the valve diffuser and increase the level of the dynamic lateral forces acting on the valve plug. The analysis of the CFD study shows, that the wall jet separation is related to the failure of the Coandă effect in underexpanded wall jets. In case of the flow topology with the attached wall jet CFD simulations predict that a significant amount of the dynamic force is related to an acoustic mode acting on the valve plug. The acoutic mode is excited by a shear layer in the valve diffuser. Pertubations of the shear layer being caused by vortex-generatig devieces or by vibrations of the plug reduce the excitaion of the mode and the level of the dynamic axial forces. If the jet is detached, the oscialtion of oblique shocks and the partial unsteady reattachment of the jet cause intense pressure fluctuations and hence high dynamic forces acting on the valve plug. From an aerodynamic point of view, the flow topology with the attached jet is more favorable than the detached flow topology. Structural dynamic simulations are preformed to analyse the impact of the flow topology on the vibrations of the valve plug. One one way as well as two way coupled calculations are conducted. The structural dynamic analysis predict that the detached flow topology causes higher structural vibrations than the attached flow topology.

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Domnick, Clemens: Untersuchung des strömungs- und strukturdynamischen Verhaltens von Dampfturbineneinlassventilen im Teillastbetrieb. 2017.

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