Dampfturbinen und Nassdampf

Am Endstufenversuchsstand (ESTV) des ITSM werden seit vielen Jahren Dampfturbinen-Endstufenbeschaufelungen untersucht. Neben der kontinuierlichen präzisen Messung von thermodynamischen und leistungsbezogenen Größen zur Bestimmung des Wirkungsgrads sind zusätzlich Sondentraversen zur detaillierten Untersuchung des Strömungsfelds (z.B. Dampfnässe, stationäre sowie instationäre Drücke etc.) möglich. Der drehbare Außendiffusor des Prüfstands ermöglicht dabei eine stufenlose Variation der Messposition in Umfangsrichtung. Ferner verfügt der ESTV über ein am Institut entwickeltes Anregungssystem, wodurch gezielt verschiedene Knotendurchmesser verschiedener Schwingformen angeregt werden können. Dadurch kann die aerodynamische Dämpfung des Beschaufelung ermittelt werden.

Zum Konzept des ITSM zählt auch möglichst alle Messungen stetig mit numerischen Strömungssimulationen zu begleiten. Daher werden sowohl zur detaillierten Vorhersage des Strömungsfelds, als auch zu Besttimmung des aerodynamische Dämpfungsverhalten von Dampfturbinenendstufenschaufeln CFD-Berechnungen und Struktursimulationen durchgeführt.Neben konventionellen Idealgas-Rechnungen werden Realgas-Rechnungen mit aufwendiger Modellierung des thermodynamischen Ungleichgewichts durchgeführt. Dadurch ist es möglich detaillierte Erkenntnisse über den Ort der Tropfenentstehung, Tropfenwachstum sowie deren Einfluss auf die Entspannung und das aeroelastische Verhalten zu erlangen. Weitere Informationen auch im Bereich Aeromechanik.

Besonders in Dampfturbinen spielt die Kondensation, also die Entstehung von Tropfen, bei der Entspannung des Wasserdampfes eine große Rolle. Am ITSM werden diese Nukleationsprozesse mit Düsenexperimenten erforscht. Dabei wird überhitzer Dampf durch eine Düse bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten entspannt. Das entstehende Tropfensprektrum und die Auswirkungen auf das Strömungsfeld kann mittels optischen Lasermessungen und Druckmessungen analysiert werden. Begleitet werden die Versuche immer durch CFD-Simulationen mit aufwändiger Modellierung des Kondensationsprozesses. Dadurch kann sowohl die Modellierung der Strömung verbessert werden, als auch zusätzliche Erkenntnisse bezüglich des Einflusses auf die Strömung gewonnen werden.

Besonders bei langen Rotorschaufeln kann es zum Auftreten von Schwingungsphänomenen kommen. Diese können zur Zerstörung der Maschinen in sehr kurzer Zeit führen. Daher werden hier Koppelelemente zwischen den Schaufeln eingesetzt, um die Schwingungen zu reduzieren. Der Einfluss dieser Koppelelemente auf das Strömungsfeld wird am ITSM sowohl numerisch, als auch experimentell untersucht, um den Wirkungsgrad der Maschinen zu steigern und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.