Experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung von akustischen Moden und Ventilkegelschwingungen
Dampfturbinen zählen zu den wichtigsten Wärmekraftmaschinen, die in der Stromerzeugung oder als mechanischer Antrieb von Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Hohe Flexibilität im Betrieb ist dabei heute sowohl für Industriedampfturbinen als auch für Kraftwerksdampfturbinen essentiell. Im Teillastbetrieb, bei nur kleiner Öffnung und starker Drosselung, erfahren die Regelventile der Turbinen eine hohe Belastung. Diese resultiert aus Dissipationsprozessen, die die kinetische Energie in der Strömung in Druckschwankungen und fluktuierende Kräfte auf den Ventilkegel umwandeln. In dem hierbei schwach durchströmten Ventildiffusor können zusätzlich noch akustische Moden angeregt werden, die zu hohen fluktuierenden Kräften und Schwingungen führen. In dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen an dem Modell eines Dampfturbinenregelventils, welches aus zwei parallelen Einzelventilen besteht, durchgeführt. Um die Ergebnisse auf die Großversion und andere Ventile übertragen zu können, wird großen Wert auf die Skalierung der mechanischen und fluidmechanischen Einflussgrößen gelegt. Die gewonnenen Messdaten werden im Zeit- sowie Frequenzbereich ausgewertet. Die verschiedenen Strömungsformen im Ventil werden mit Wanddruckmessungen ermittelt. Durch die Eintragung der Standardabweichungen der Messwerte im Kennfeld des Ventils, können Bereiche mit hohen Ventilkegelbewegungen identifiziert werden. Die Betriebspunkte mit hohen Bewegungen treten je nach Ventilhubstellung bei anderen Druckverhältnissen und Strömungsformen auf. Kreisende Bewegungen mit niedrigen Strouhal-Zahlen sind bei hohen Druckverhältnissen sichtbar. Harmonische Schwingungen, resultierend aus der Anregung akustischer Moden im Ventildiffusor, sind bei mittleren und niedrigen Druckverhältnissen messbar. Es handelt sich dabei einmal um Axialmoden, die bei mittleren Strouhal-Zahlen angeregt werden und die erste Umfangsmode, welche bei höheren axialen Ordnungen schmalbandig angeregt wird. Das Auftreten der akustischen Moden wird mit einer numerischen und analytischen Modalanalyse sowie zeitaufgelösten Druckmessungen verifiziert. Weiterhin zeigen die hier gewonnen Ergebnisse, dass am stromab liegenden Ventil 2 zum Teil größere Bewegungen gemessen werden als am Ventil 1. Die Bewegungen treten dabei auch bei anderen Strouhal-Zahlen auf. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit helfen bei der Auslegung und dem sicheren Betrieb der Ventile hinsichtlich der Vermeidung der akustischen Anregung. Dabei können die Strouhal-Zahlen der axialen Moden mit der Veränderung der Diffusorlänge angepasst und die Anregung der Umfangsmoden mit einem veränderten Betrieb der Ventile vermieden werden.
Even today, steam turbines are still essential in power generation or as mechanical drives for various applications. Industrial steam turbines and nowadays also turbines in power plants must be able to be operated with increased flexibility. This leads to higher mechanical loads on the valves used to control the turbine’s power output. Within the valves, dissipation processes convert the kinetic energy of the flow into fluctuating pressures and forces on the valve plug. In the case of small valve opening and thus low flow through the valve diffuser, acoustic modes can be excited which also lead to high fluctuating forces and vibrations. In this thesis, experimental investigations are carried out on the model of a steam turbine control valve, which consists of two parallel valves. In order to be able to transfer the results to the full-scale version and other valves as well, the focus is on scaling the important mechanical and fluid-mechanical variables. The measurement data obtained is analyzed in time as well as in frequency domain. Different flow patterns in the valve are determined using wall pressure measurements. Operating points with high levels of valve plug movement are identified when the standard deviation of the data is added to the valve's characteristic map. Depending on the valve lift, the operating points with high movements occur at different pressure ratios and flow patterns. Circular movements with low Strouhal-numbers occur at high pressure ratios. Harmonic oscillations, resulting from the excitation of acoustic modes in the valve diffuser, are recorded at medium and low-pressure ratios. These modes are either axial modes which are excited at medium Strouhal-numbers or the circumferential mode which is excited at higher axial orders. The presence of the acoustic modes is verified using numerical and analytical modal analysis as well as time-resolved pressure measurements. Furthermore, the results of this work show that the second valve experiences partially larger movements than the first valve. These movements occur at different Strouhal-numbers. The knowledge gained from this work aids in the design and safe operation of steam turbine control valves with regard to avoiding acoustic excitation. Strouhal-numbers of the axial modes can be adjusted by changing the diffuser length and the excitation of circumferential modes can be avoided by different operation of the valves.