Verbundvorhaben: ROBOFLEX - robuste Turbomaschinen für den flexiblen Einsatz, Teilvorhaben: 1.3a: Instationärer Betrieb von Niederdruckdampfturbinen-Endstufen

Abstract

Durch den gestiegenen Anteil regenerativer Energien ist es notwendig, kurzfristige Einspeiseschwankungen durch den flexiblen Betrieb moderner und hocheffizienter Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke auszugleichen. Robuste Endstufenlaufschaufeln der Niederdruckdampfturbinen müssen dabei in einem erweiterten Betriebsbereich zuverlässig betrieben werden. Zusammen mit der vergrößerten Länge sowie des schlanken Designs moderner Endstufenschaufeln ergibt sich daraus eine signifikant erhöhte Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von zwangs- und selbsterregten Schaufelschwingungen. Um solche Schwingungen auszuschließen, ist die genaue Vorhersage der aerodynamischen Anregungen und Dämpfungen in der Auslegung von zentraler Bedeutung. Zur Validierung und Optimierung der numerischen Vorhersagemethoden sind umfangreiche stationäre und instationäre Messdaten notwendig, die im Allgemeinen nur schwer erfassbar sind. In diesem Projekt wurde eine umfassende Datenbasis an einer Modellturbine unter Dampfbedingungen geschaffen. Dazu wurden instationäre Drucksensoren für den Einsatz auf den Laufschaufeln qualifiziert und erste Messungen vorgenommen. Zudem wurden die mechanischen und aerodynamischen Dämpfungsanteile bei einer Vielzahl an Betriebspunkten für mehrere IBPA sowohl mit einem Magnetanregungs- als auch Piezoanregungssystem reproduzierbar ermittelt. Weiterhin wurden Sondentraversen durchgeführt, mit deren Ergebnissen numerische Verfahren validiert und optimiert wurden. Mit der Qualifizierung und Weiterentwicklung der Schaufelanregungssysteme sind die Grundlagen für zukünftige Messungen von aerodynamischen Anregungen und Dämpfungen gelegt worden. Die Ergebnisse können schließlich verwendet werden, um die von den numerischen Tools bestimmten aerodynamischen Anregungen und Dämpfungen von modernen Endstufenlaufschaufeln zu validieren. Somit lässt sich die Vorhersagegenauigkeit von selbst- und zwangserregten Schaufelschwingungen im erweiterten Betriebsbereich von Dampfturbinen verbessern. The growing share of renewable energy sources has made it necessary to compensate for short-term feed-in fluctuations of the renewables using modern, highly efficient combined-cycle power plants consisting of a gas- and steam turbine. This leads to more flexible operation. Robust end-stage blades in low-pressure steam turbines must operate reliably across a wider range of conditions, including higher mass flow densities and partial load. The increased blade length and slender design of modern last-stage blades, which are intended to improve efficiency, also significantly raise the likelihood of both forced and self-excited blade vibrations. To prevent such vibrations and ensure safe operation, it is crucial to accurately predict aerodynamic excitations and damping during the design phase. However, validating and optimizing numerical prediction methods require extensive steady and unsteady measurement data, which is generally difficult to obtain. In this project, a comprehensive database was created on a model turbine test rig operating under steam conditions. Unsteady pressure sensors were qualified for use on the rotating blades, and initial measurements were taken. Additionally, mechanical and aerodynamic damping components were reproducibly determined at a variety of operating points for multiple IBPA using a magnetic as well as a piezoelectric excitation system. Furthermore, probe traverses were conducted, and the resulting data were used to validate and optimize numerical methods and their settings. With the qualification and development of the blade excitation systems, the foundations have been laid for future measurements of aerodynamic excitations and damping. The results can be used to validate the aerodynamic excitations and damping of modern last-stage blades as determined by numerical tools. This will improve the accuracy of predictions for both self-excited and forced blade vibrations across the extended operating range of steam turbines.