3D Dampfturbinenbeschaufelung

Betreuer: Dipl.-Ing. Daniel Sahnen & Dipl.-Ing. Jan Philipp Schumann

Zielsetzung

Das Ziel dieses Vorhabens ist es, neue Schaufelprofile mit optimaler Konturanpassung für Dampfturbinen zu entwickeln. Die Wirkungsgradverbesserungen sollen experimentell im Ringgitterwindkanal nachgewiesen werden, um sie im Anschluss industriell umzusetzen. Diese Messungen dienen zur Verifizierung der begleitenden numerischen Strömungsberechnungen.

Dazu wird der Ringgitterwindkanal des IST so umgebaut, dass die auftretenden Strömungsphänomene erfasst werden können. Die erzielten experimentellen Daten sollen neben Strömungsvisualisierungen und dem Verständnis der komplexen Zusammenhänge auch zur Verifizierung der numerischen Berechnungsmethoden dienen.

Auf Basis dieser Erkenntnisse können dann der Wirkungsgrad, die Flexibilität und die Verfügbarkeit von Kompressor-Antriebsturbinen erheblich verbessert werden.

Anhand der erzielten Ergebnisse des Forschungsvorhabens können zukünftig Kompressor-Antriebsdampfturbinen in komplexe Dampfprozesse mit optimalem Gesamtwirkungsgrad eingebunden werden.

Vorgehensweise

Zur Auslegung von Dampfturbinen mit höchsten Wirkungsgraden ist eine integrale Betrachtungsweise der entstehenden Stufenverluste und der resultierenden strukturmechanischen Anforderungen notwendig. Zum Aufbau einer Schaufel werden zweidimensionale Schaufelschnitte entwickelt, die die relevante Strömungsumlenkung erbringen und dabei einen minimalen Strömungsverlust erzeugen. Diese Schaufelschnitte werden unter Verwendung von 3D Gestaltungsmerkmalen zu einer vollständigen Turbinenschaufel zusammengesetzt. Durch eine dreidimensionale Fädelung der Schaufelschnitte ist es möglichen, sowohl die Schaufel strukturmechanisch zu entlasten als auch die dreidimensionale Strömung in den Randzonen zu beeinflussen.
Für die experimentellen Untersuchungen wird zunächst ein Ringgitterwindkanal verwendet, auf dem die bei der Schaufelumströmung auftretenden Effekte isoliert betrachtet werden können. Um eine möglichst genaue Quantifizierung der numerisch erzielten Optimierungsergebnisse aus der Profil- und Schaufelentwicklung messtechnisch erfassen zu können, wird dazu hoch präzise Messtechnik eingesetzt.

Die entwickelten neuen Hochdruck-Schaufeln sollen experimentell dahingehend im Ringgitterwindkanal untersucht werden, die Wirkungsgradverbesserungen nachzuweisen, die durch 3-dimensionale Konturgestaltung der Schaufeln erreicht werden sollen. Dazu werden Druck, Geschwindigkeits- und Machzahl-Verteilungen erfasst. Neben den Nachweisen der Wirkungsgradverbesserung dienen die experimentellen Daten auch zur Verifizierung der numerischen Berechnungsmethoden.

Projektpartner