Verbundprojekt AG Turbo: SchauTex, Teilvorhaben-Nr. 1.2 und 1.3; Schaufelaeroelastik im transienten Betrieb von Expansionsturbinen; Schaufelschwingungen in Dampfturbinen (AP 1.2 und 1.3)

Abstract

Das Gesamtziel des AG Turo Projekts SchauTex (Akronym für Schaufelaeroelastik im transienten Betrieb von Expansionsturbinen) ist die Untersuchung und Optimierung der Fluid-Struktur-Interaktionen in Turbinen unter variablen Betriebsbedingungen. Diese Interaktionen sind besonders relevant für die flexible und effiziente Auslegung von Turbomaschinen für Teillastbetrieb, um damit den Herausforderungen der Energiewende gerecht zu werden. In den hier behandelten zwei Arbeitspaketen 1.2 und 1.3 konnte das Verständnis von Fluid-Struktur-Interaktionen von Turbinen Schaufeln im starken Teillastbetrieb weiter verbessert werden. Somit ist zukünftig eine bessere Auslegung von drehzahlvariablen Turbinenschaufeln bei flexiblem Teillastbetrieb möglich. In AP 1.2 wurden erfolgreich experimentelle und numerische Untersuchungen zu aerodynamischen Kräften in mehrstufigen Turbinen durchgeführt. Die experimentellen Messungen, insbesondere die instationären Druckmessungen, sowie die Machzahlbestimmungen mittels 5-Loch-Sonden, ermöglichten eine detaillierte Analyse der Rotor-Stator-Interaktionen (RSI) und ihrer Auswirkungen auf die aerodynamischen und strukturellen Belastungen der Schaufeln. Parallel dazu zeigte die numerische Modellierung, dass die genutzten RANS und URANS-Ansätze eine zuverlässige Vorhersage der aerodynamischen Lasten und transienten Strömungseffekte erlauben. AP 1.3 untersuchte die drehzahlvariable Dynamik von Turbinenschaufeln mit Deckbandkopplung sowohl numerisch als auch experimentell. Ein besonderer Fokus lag auf dem Deckbandübermaß als Designparameter zur Optimierung der Reibungsdämpfung. Zur Untersuchungen des Einflusses auf verschiedene dynamische und quasistatische Eigenschaften wird das Übermaß in den numerischen Auslegungsprozess als Variable implementiert. Die simulierten Schwingungsantworten unter Variation des Übermaßes konnten mit experimentell gemessenen Amplitudengängen aus Rotationsversuchen abgeglichen werden. The overall objective of the AG Turo project SchauTex (acronym for blade aeroelasticity in transient operation of expansion turbines) is to investigate and optimize fluid-structure interactions in turbines under variable operating conditions. These interactions are particularly relevant for the flexible and efficient design of turbomachinery for partial load operation in order to meet the challenges of the energy transition. In the two work packages 1.2 and 1.3 discussed here, the understanding of fluid-structure interactions of turbine blades in heavy partial load operation was further improved. This will enable better design of variable-speed turbine blades for flexible partial load operation in the future. In WP 1.2, experimental and numerical investigations of aerodynamic forces in multi-stage turbines were successfully carried out. The experimental measurements, in particular the unsteady pressure measurements and the Mach number determinations using 5-hole probes, enabled a detailed analysis of the rotor-stator interactions (RSI) and their effects on the aerodynamic and structural loads on the blades. At the same time, numerical modeling showed that the RANS and URANS approaches used allow reliable prediction of aerodynamic loads and transient flow effects. WP 1.3 investigated the variable-speed dynamics of turbine blades with shroud coupling both numerically and experimentally. A particular focus was placed on shroud oversize as a design parameter for optimizing friction damping. To investigate the influence on various dynamic and quasi-static properties, the oversize is implemented as a variable in the numerical design process. The simulated vibration responses under variation of the oversize could be compared with experimentally measured amplitude responses from rotational tests.