Heat transfer mechanisms in steam turbines during warm-keeping operation

  • Wärmeübertragungsmechanismen in Dampfturbinen während eines Warmhaltevorgangs

Többen, Dennis Hans; Wirsum, Manfred (Thesis advisor); Pfeifer, Herbert (Thesis advisor)

1. Auflage. - München : Verlag Dr. Hut (2019)
Buch, Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Ein schonendes Warmhalten von Dampfturbinen (DT) ermöglicht die Startzeit von thermischen Kraftwerken deutlich zu reduzieren. Dadurch kann die Residuallast flexibler bereitgestellt und Ressourcen nachhaltiger eingesetzt werden. Durch das Warmhalten einer DT während längerer Stillstände werden zusätzlich hohe thermische Spannungen beim Anfahren vermieden, was den Lebensdauerverbrauch der hoch belasteten Komponenten verringert. In dieser Doktorarbeit werden die Wärmeübergangsmechanismen während des Warmhaltens einer DT mit heißer Luft untersucht. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Berechnungsmodells, mit dem der thermische Zustand der DT während des Warmhaltebetriebs vorhergesagt werden kann. Als Teil dieses Berechnungsmodells werden analytische Korrelationen für die einzelnen Wärmeübertragungsmechanismen „Konvektion“, „Strahlung“ und „Kontaktwärmeübergang“ entwickelt. Das Warmhalten einer DT mit Luft unterscheidet sich erheblich von einem konventionellen Betrieb mit Dampf. Daher stellen die durchgeführten Analysen wissenschaftliches Neuland dar. Für die Berechnung des Strahlungswärmeaustausches innerhalb des Strömungskanals wurden die komplexen geometrischen Beziehungen der einzelnen Oberflächen mithilfe von Sichtfaktoren beschrieben. Diese wurden für definierte Oberflächen numerisch bestimmt. Der konvektive Wärmetransport wurde mithilfe von transienten numerischen Conjugate-Heat-Transfer (CHT) Simulationen eines DT-Segments untersucht. Aus den Ergebnissen wurden Wärmeübergangskennzahlen in einem weiten Betriebsbereich ermittelt und mithilfe phänomenologischer Korrelationen beschrieben. Ein Großteil der Wärme wird von den Schaufeln aufgenommen und an den Rotor geleitet. An den Kontaktstellen des Schaufelfußes existiert ein Wärmewiderstand, der abhängig von der Fliehkraft und der Oberflächenbeschaffenheit ist. Zur Untersuchung dieses thermischen Kontaktwiderstands wurde ein eigener Prüfstand aufgebaut. Mithilfe zahlreicher Messungen wurde eine analytische Korrelation ermittelt und validiert. Für die Berechnung des thermischen Zustands der DT wurde ein hybrider Berechnungsansatz bestehend aus einem numerischen 3D Finite-Elementen Modell (FEM) und den entwickelten analytischen 1D Korrelationen gewählt. Dadurch lässt sich die Rechenzeit, bei gleichzeitig hoher Rechengenauigkeit, erheblich reduzieren. Der Berechnungsansatz wurde anhand von Messungen eines Abkühlvorgangs kalibriert. Im Anschluss wurde das Warmhalten einer DT bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen in einer Fallstudie untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der thermische Zustand der DT mithilfe der Betriebsparameter geregelt und die DT somit für einen beliebigen Zeitraum auf Heißstartbedingungen gehalten werden kann.

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