Gehäuseverformung einer Dampfturbine

 

Calculation of the Displacement of a Steam Turbine

 

Ronny Zausch

24.08.2004

 

Inhaltsverzeichnis

1. Übersicht

2. Einführung

3. Zum Stand Der Technik - State of the Art

4. Zur Theorie

5. Ergebnisse

6. Zusammenfassung

7. Ausblick

8. Quellen

9. Originalarbeit

10. Über den Autor

11. Impressum

 

Übersicht

An einer Industriedampfturbine befinden sich am Gehäuseunterteil Öffnungen, durch welche Dampf für externe Prozesse entnommen wird. Die zu entnehmende Dampfmenge hängt vom externen Prozess ab und wird meist vom Kunden vorgegeben.
Die Dampfmenge hat Einfluss auf den Querschnitt der Öffnung. Sind die Dampfmengen oder die Anzahl der Öffnungen groß, so wird das Gehäuseunterteil in seiner Steifigkeit geschwächt. Dies führt zu größeren Verformungen relativ zur Rotorachse, wodurch die Radialspiele verkleinert werden.
Ziel dieser Diplomarbeit ist es an einer speziellen Dampfturbine, die als kritisch im Bezug auf die Steifigkeit des Gehäuseunterteils einzuschätzen ist, die Verformungen unter instationären Betriebsbedingungen auszurechnen.

 

Einführung

Die Diplomarbeit umfasst die Lösung folgender Teilaufgaben:

  • Aufbau der Gehäusestruktur für eine FEM Rechnung
  • Erarbeitung der Randbedingungungen
  • Rechnung unter statischen Lastannahmen, Abgleich mit Messungen
  • stationäre und instationäre Rechnungen für Betriebsbedingungen
  • Vergleich der Berechnungen mit Messergebnissen

 

 

Zum Stand Der Technik - State of the art

Die unter Betriebsbedingungen auftretenden Temperaturunterschiede zwischen Gehäuseober- und Gehäuseunterteil führen zu Gehäuseverkrümmungen. Diese Verkrümmungen verkleinern das Spiel zwischen Rotor und Gehäusebauteilen. Ist die Verformung zu groß, sind Anstreifschäden die Folge. Aus diesem Grund wird die Verkrümmung bei jeder Dampfturbine untersucht, um eine Spielüberbrückung zu vermeiden. Grundlage dieser Überprüfung bildet ein vereinfachter Algorithmus, der die Verkrümmung proportional zur Temperaturdifferenz setzt. Weitere Einflussgrößen sind geometrische Abmessungen der Turbine. Die Bestimmung der Verkrümmung wird also auf die Bestimmung des Temperaturunterschiedes zurückgeführt. Die Einflussgrößen auf die Temperaturdifferenz sind wie folgt:

  1. Unterschiedliche Abströmöffnungen in der Ober- und Unterschale
  2. Dampftemperaturen im Entnahme- und Überströmbereich beim Anfahren
  3. Dampfdrücke im Entnahme- und Überströmbereich beim Anfahren
  4. Dampfgeschwindigkeiten im Entnahme- und Überströmbereich beim Anfahren
  5. Rotationsunsymetrie im Entnahme- und Überströmbereich
  6. Baugröße des Außengehäuses im Entnahme- und Überströmbereich

 

 

Zur Theorie

Der erste Teil der Diplomarbeit beinhaltet die theortischen Grundlagen der in der Arbeit nachfolgend dargestellten Berechnungen. Im Einzelnen wird auf

  • allgemeines zu Dampfturbinen
  • Wärmeübertragung
  • das FE - Programm ADINA und
  • Grundlagen der Methode der finiten Elemente

eingegangen. Weitere Ausführungen sind in Punkt 4 bis 7 der Diplomarbeit beschrieben.

 

Ergebnisse

Im wesentlichen können die Ergebnisse der Berechnungen auf folgende drei Schwerpunkte zurückgeführt werden:
  1. Die Erzeugung des Volumenmodells basiert auf einem Grundbaustein. Über ein Parametermodell kann zeitsparend ein Volumenmodell erstellt werden, wenn die charakteristischen Abmessungen des Turbinengehäuses bekannt sind.
  2. Die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuseober- und Gehäuseunterteil im Bereich der Einströmung beeinflusst das Verformungsverhalten während der simulierten Auskühlphase maßgeblich. Ursache ist der Massenunterschied im selben Bereich zwischen Gehäuseober- und Gehäuseunterteil.
  3. Die Temperaturdifferenz zwischen Flansch und dem Rest der Gehäuseschale beeinflusst das Verformungsverhalten bei stationären und quasistationären Betriebszuständen. Die niedrigere Flanschtemperatur kommt durch den Wanddickenunterschied zu Stande.
Ausführliche Informationen über die Berechnungsergebnisse sind in der Diplomarbeit dargelegt.

Zusammenfassung

Aufgabe der Diplomarbeit war die Berechnung der Verformung einer speziellen Dampfturbine. Grundlage dieser Berechnungen ist ein Volumenmodell, dessen Modellierung entscheidenden Einfluss auf die Genauigkeit der Berechnung hat. Um jedoch die Dauer der Berechnung und den Modellierungaufwand in einem akzeptablen Rahmen zu halten, müssen Vereinfachungen vorgenommen werden.
Aus diesem Grund beschäftigten sich die ersten Untersuchungen mit der Fragestellung, wie genau die Turbine modelliert werden muss.
Die Diplomarbeit zeigt, dass es ausreicht das Turbinengehäuse zu modellieren. Es kann auf Leitschaufelträger, Innengehäuse, Läufer u.a. verzichtet werden. Weiter ist eine Modellierung des Gehäuses aus zylindrischen und konischen Abschnitten ausreichend. Dabei wurde der Ansatz für ein parametrisiertes Modellieren, basierend auf einem Grundbaustein, gegeben. Vereinfachend können die Einströmvorrichtung als Kasten dargestellt und lokale Unsymmetrien vernachlässigt werden, so dass lediglich eine Gehäusehälfte modelliert werden muss. Die Modellierung der Öffnungen im Gehäuse mit Rohrstutzen kann jedoch nicht umgangen werden. Dies zeigten vergleichende Berechnungen.
Basierend auf diesen Modell wurden Verformungsberechnungen ohne und mit Temperatureinfluss gemacht. Die Berechnungsergebnisse wurden, soweit möglich, mit Messergebnissen verglichen. Bei der Berechnung der Temperaturverläufe sind abhängig von der Belastung Abweichungen zwischen 8 bis 20 K aufgetreten. Unter den gemachten Vereinfachungen erscheinen die Abweichungen aber stets plausibel und liegen in einer akzeptablen Größenordnung.
Mit der Diplomarbeit wird ein Vorgehen beschrieben, welches bei der Berechnung von Verformungen eines Turbinengehäuses angewandt werden kann. Es werden der Berechnungsaufwand und die Art der Daten, welche zur Berechnung benötigt werden, dargelegt.
Zu letzterem Punkt ist die Messung bei einer Entlastungs- und Auskühlphase zu nennen, auf welche sich die Berechnungen unter Temperatureinfluss, d.h. sowohl unter stationären als auch instationären Betriebsbedingungen, stützen. Da diese Berechnungen so stark an diese Messung gekoppelt sind, ist z.Z. nur eine Nachrechnung möglich.

Ausblick

Es wurde bereits angedeutet, dass z.Z. nur eine Nachrechnung möglich ist. Ziel sollte es aber sein, schon so früh wie möglich feststellen zu können, wann eine Turbine kritisches Verformungsverhalten aufweist.
Um eine möglichst schnelle Beurteilung treffen zu können, muss neben einer schnellen Erstellung eines Volumenmodells, die thermische Berechnung von einer Messung entkoppelt werden. Das Volumenmodell kann einerseits mit Hilfe eines Parametermodells schnell erzeugt werden. Andererseits könnte eine Schnittstelle zwischen einem CAD - Programm und einem FE - Programm genutzt werden, so dass das bereits konstruierte Modell im FE - Programm weiterverarbeitet werden kann.Dieser Schritt erfordert jedoch eine enge Zusammenarbeit zwischen Konstruktion und Berechnung.
Um eine von einer Messung unabhängige Berechnung durchführen zu können, sind weitere Untersuchungen nötig.
Ein nächster Ansatzpunkt für fortführende Untersuchungen betrifft die Messstellen. Während der erechnungen mussten Annahmen über die Temperatur im Einströmbereich gemacht werden. Es erscheint sinnvoll bei evtl. ähnlichen Berechnungen schon während der Konstruktion der Turbine einige zusätzliche Messstellen vorzusehen, um Messdaten in derartigen Bereichen zur Auswertung heranziehen zu können.
Im letzten Abschnitt der Arbeit wurden einige Konstruktionshinweise gegeben, die in dieser Form nur für die spezielle Turbine gelten. Auch an dieser Stelle wäre eine fortführende Arbeit denkbar, welche die Einflussgrößen komplettiert, quantitative Aussagen und Verallgemeinerungen zulässt.


Quellen

Kosmowskie, Schramm
Kosmowskie, Schramm; Turbomaschinen , 1. Auflage, Verlag Technik, Berlin 1987.
Michejew
Michejew; Der Industrielle Wärmeübergang , 6. Auflage, Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1962.
Schack
Schack; Grundlage der Wärmeübertragung , 3. Auflage, VEB Verlag Technik, Berlin 1961.
Zysina-Molozen, L.M.; Zysin, L.V.; Poljak, M. R.
Zysina-Molozen, L.M.; Zysin, L.V.; Poljak, M. R.; Teploobmen v turbomasinach, Leningrad: Masinostroenie 1974.
VDI Wärmeatlas
VDI Wärmeatlas; 5. Auflage, VDI -- Verlag, Düsseldorf 1988.
I. Kraft
I. Kraft; Vorlesungsmanuskript zur Vorlesung Wärmeübertragung, HTWK - Leipzig 2003.
Bathe
Bathe; Finite - Element - Methoden, 2. Auflage, Springer - Verlag, Berlin Heidelberg 2002.
C. Klöhn
C. Klöhn; Vorlesungsmanuskript zur Vorlesung FEM I - IV, HTWK - Leipzig 2002.
Stöcker
Stöcker; Taschenbuch mathematischer Formeln und moderner Verfahren, 3. Auflage, Verlag Harri Deutsch, Frankfurt a.M. 1995.
ADINA R&D,Inc.
ADINA R&D,Inc.; Theory and Modeling Guide Volume I, ADINA, 2003.
ADINA R&D,Inc.
ADINA R&D,Inc.; Theory and Modeling Guide Volume II, ADINA-T, 2003.

 

Originalarbeit

Download der Originalarbeit.

 

Über den autor

Über den Autor


 

Dipl.-Ing. (FH) Ronny Zausch, geboren am 15.11.1980 in Weißenfels.

 

  • 07/99: Abitur am Gustav - Adolf - Gymnasium in Lützen
    • Leistungskurse: Mathematik und Physik
  • 10/00 - 10/04: Studium an der HTWK in Leipzig
    • Spezialisierung: allgemeiner Maschinenbau (Konstruktion)
  • Praktika:
    • 09/02 - 02/03: Gesamtfahrzeug/Qualität Aerodynamik bei Dr. Ing. h. c. F. Porsche in Weissach
    • 12/03 - 02/04: Großer Beleg am Fraunhofer--Institut in Halle über die Interpolation von Verschiebungen
    • 03/04 - 08/04: Diplomarbeit bei PG Siemens in Görlitz über das Verformungsverhalten von Dampfturbinengehäusen

 

Impressum

Autor

Ronny Zausch
Räpitzer Str. 17
D 04420 Markranstädt
famzausch(at)freenet.de
Betreuer (HTWK)

Prof. Dr.-Ing. Carsten Klöhn
Technische Mechanik / Rechneranwendung
FB Maschinen- und Energietechnik / HTWK Leipzig
Koburger Str. 62,
D 04416 Markkleeberg
kloehn(at)me.htwk-leipzig.de
Betreuer Siemens

Jörg Eppendorfer und Hartmut Schreiber
I2411
PG Siemens Görlitz
Lutherstr. 51
D 02826 Görlitz

State of the Art - Zum Stand der Technik

Charakterisierung von Hybridstrukturen

Ein Hybrid besteht aus mindestens zwei oder mehreren Komponenten, die durch den gleichzeitigen Einsatz in einem Systemverbund ein neues Eigenschaftsprofil besitzen. Je unterschiedlicher die Werkstoffkategorien ursprünglich sind, desto größer ist das erzielbare Verbesserungspotenzial, wenn dabei jeweils die Vorteile der einen Komponente die Nachteile der anderen ausgleichen können. Ein solches unterschiedliches Portfolio an Eigenschaften zeigen Kunststoffe und Metalle. Zum Beispiel weisen Metalle hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, hingegen sind Kunststoffe mit hohen Bruchdehnungen gutmütiger für Verformungen. Die Automobilindustrie erkannte das Potential der Werkstoffkombination. Audi führte mit dem Frontend des Audi A6 1998 das erste Großserien-Hybridbauteil ein. Damit konnten Gewichtseinsparungen von 15 % erreicht werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Herstellungskosten um 10 % [3].

Das Ziel der Hybridkonstruktion liegt darin, eine kosten- und ressourcensparende Lösung zu entwickeln, die Vorteile kombiniert und Nachteile kompensiert. In Tabelle 2.1 sind die Eigenschaften der beiden Verbundpartner dargestellt.

 

Tab. 2.1: Eigenschaften von Metallen und Kunststoffen [4,5]