Rotating Instabilities in Low-Flow Turbine Operation

Obschon konventionellen Kraftwerken eine zunehmend ergänzende Rolle zukommt, bleiben sie ein essentieller Bestandteil einer stabilen, zuverlässigen und flexiblen Energieversorgung. Eine flexible Betriebsweise bedingt häufigere und schnellere Betriebspunktwechsel und Anfahrvorgänge. Damit ist der Spitzenwirkungsgrad im Nennlastbetrieb nicht mehr die alleinige Zielgröße der Turbinenauslegung. Der sogenannte Ventilationsbetrieb, den eine Turbine beim Anfahren zwangsläufig durchfahren muss, ist durch aerodynamische Instabilitäten, erhöhte Temperaturlasten und Schaufelspannungen charakterisiert. Im schlimmsten Fall führt er zum Versagen der Beschaufelung, weshalb das Verständnis und die potentielle Mitigation dieses Betriebszustands wichtig für die Flexibilisierung der Energieversorgung sind. Diese Arbeit hat das Ziel, zu einem phänomenologischen Verständnis des Strömungsfeldes im Ventilationsbetrieb beizutragen. Der Fokus liegt dabei auf den rotierenden Instabilitäten, die sich in diesem instabilen Betriebszustand ausbilden. Sie beschreiben ein schwankendes Druckmuster, das sich in Umfangsrichtung mit einer Geschwindigkeit kleiner als der Rotationsgeschwindigkeit ausbreitet. Mithilfe der experimentellen Untersuchung einer dreistufigen Turbinenkonfiguration und instationärer Vollkranzrechnungen werden der Ursprung, die Entwicklung und die charakteristischen Eigenschaften rotierender Instabilitäten untersucht. Wie experimentell bestätigt wird, beschreibt Ventilation einen Strömungszustand, in dem Arbeit nicht, wie intendiert, dem Fluid entzogen, sondern ihm zugeführt wird. Der Enthalpieanstieg über die Maschine kann auf lokale Inzidenz an der Beschaufelung zurückgeführt werden, wodurch sich die Richtung der Umlenkung ändert. Bei sehr hoher Inzidenz löst die Strömung vollständig ab. Dieser Vorgang kann erfolgreich durch vereinfachte Mittenschnittsbetrachtungen vorhergesagt werden. Ventilation tritt zuerst in den hinteren Stufen auf und breitet sich nach vorn hin aus. Dabei bilden sich lokale Ablösegebiete und Bereiche hoher radialer Geschwindigkeitsgradienten aus. Das instationäre Strömungsfeld ist deutlich komplexer und seine Vorhersage und Auswertung bedingt zeitauflösender Messtechnik und robuster Auswertemethoden. Eine solche Methodik wird im Rahmen dieser Arbeit definiert und zur Auswertung rotierender Instabilitäten genutzt. Die rotierenden Instabilitäten haben ihren Ursprung in den Ablösegebieten im Strömungsfeld und ihre Entwicklung lässt sich durch die Wahl geeigneter Betriebsparameter charakterisieren. Die Instabilitäten beschreiben rotierende Wirbelstrukturen, die sich aus der Strömungsablösung an der Beschaufelung speisen. Ein Entstehungsmechanismus, der dem der Spike-induzierten Stallentstehung in Verdichtern grundsätzlich ähnelt, jedoch aufgrund von turbinenspezifischen Aspekten auch von ihm abweicht, wird erarbeitet. Das im Rahmen dieser Arbeit erarbeitete Gerüst lässt sich auch auf andere Turbinen übertragen und kann in der Auslegung von Gas- und Dampfturbinen unterstützen. Ausgehend von den durchgeführten Analysen werden Auslegungsempfehlungen und mögliche zukünftige Forschungsfelder zur Mitigation des Einflusses und zur Unterdrückung der Entstehung von rotierenden Instabilitäten in Axialturbinen hergeleitet.