Wie wirkt sich die Teilbeaufschlagung auf eine Impulsdampfturbine aus?

Die Teilbeaufschlagung wirkt sich auf eine Gleichdruck-Dampfturbine aus, indem Dampf nur durch einen Teil des Düsenumfangs zugeführt wird. Im Vergleich zur Regelung aller Düsen über ein gemeinsames Drosselventil kann sie die Drosselverluste bei Teillast verringern, führt jedoch auch zu Windage-Verlusten, Verlusten an den Sektorgrenzen und wiederholter Schaufelbelastung. Der Wirkungsgradvorteil ist daher an Bedingungen geknüpft: Die verringerte Drosselung muss die zusätzlichen aerodynamischen Verluste überwiegen, während die Schaufelspannungen innerhalb der Auslegungsgrenzen bleiben.

Diese Abwägung ist wichtig, wenn eine Turbine längere Zeit unterhalb ihrer Nennleistung betrieben wird. Eine Änderung des Düsen gruppenbetriebs kann den Dampfverbrauch bei einer Last verbessern, bei einer anderen jedoch zu einem Wirkungsgradeinbruch oder stärkeren Schwingungen führen. Entscheidend ist nicht allein, ob eine Teilbeaufschlagung möglich ist, sondern wie sich die einzelnen Beaufschlagungsmuster über den erwarteten Betriebsbereich verhalten.

Beaufschlagungsgrad ist nicht gleich Turbinenlast

Der Beaufschlagungsgrad bezeichnet den Anteil des Düsenumfangs, über den einer bestimmten Stufe aktiv Dampf zugeführt wird. Bei über den Umfang verteilten Düsen lässt er sich wie folgt ausdrücken: ε = aktive Beaufschlagungsbogenlänge / Gesamtumfang. Bei der Düsen gruppenregelung wird die wirksame Beaufschlagungsfläche durch Öffnen oder Schließen von Ventilen verändert, die separate Gruppen versorgen.

In einer Gleichdruckstufe fällt der größte Teil des Stufendrucks in den feststehenden Düsen ab. Die Laufschaufeln gewinnen Arbeit, indem sie die entstehenden Dampfstrahlen umlenken und abbremsen. Bei Teilbeaufschlagung durchläuft jede Schaufel wiederholt einen aktiven Dampfsektor und anschließend einen unbeaufschlagten Sektor, anstatt einer annähernd kontinuierlichen Strömung über den gesamten Umfang ausgesetzt zu sein.

Der Beaufschlagungsgrad allein bestimmt weder den Massenstrom noch die Leistung. Auch der engste Düsenquerschnitt, die Dampfzustände vor der Turbine, der Druck hinter der Turbine, die Ventilöffnung und die kritischen Strömungsverhältnisse spielen eine Rolle. Zwei Anordnungen mit demselben aktiven Bogen können unterschiedliche Durchsatzkapazitäten und Verluste aufweisen.

Die Teilbeaufschlagung ist häufig auf die Regelstufe konzentriert, anstatt in der gesamten Turbine gleichermaßen angewendet zu werden. Die Strömung verteilt sich in den nachgeschalteten Stufen über den Umfang, auch wenn Ungleichförmigkeiten fortbestehen können. Eine Änderung des Wirkungsgrads der Regelstufe sollte daher nicht mit einer gleich großen Änderung des Gesamtwirkungsgrads der Turbine gleichgesetzt werden.

Woher der Wirkungsgradvorteil bei Teillast kommt

Bei der Drosselregelung mit einem gemeinsamen Ventil wird der den Düsen zugeführte Druck bei einer Lastreduzierung für alle Düsen abgesenkt. Die Drosselung erfolgt näherungsweise isenthalp, erhöht jedoch die Entropie und verringert das für die Turbine verfügbare Arbeitsvermögen. Bei der Düsen gruppenregelung können stattdessen ausgewählte Gruppen geschlossen werden, während die geöffneten Gruppen näher an ihren vorgesehenen Eintrittsbedingungen bleiben.

Dieser Unterschied erklärt, warum die Teilbeaufschlagung bei Anwendungen mit wechselnder Last attraktiv sein kann. Das bedeutet nicht, dass die geöffneten Gruppen immer ohne Drosselung arbeiten. Beim schrittweisen Öffnen der Ventile kann eine Gruppe teilweise geöffnet sein, während andere vollständig geöffnet oder geschlossen sind. Dabei ändern sich Ventildruckverluste, Druckverhältnis der Regelstufe und nachgeschaltete Bedingungen gleichzeitig.

Für einen aussagekräftigen Vergleich sind gleiche Eintrittsdampfzustände, gleicher Abgasdruck, gleiche Drehzahl und dieselbe Leistungsbasis anzusetzen. Bewerten Sie die gesamte Turbine einschließlich relevanter mechanischer Verluste und des Hilfsenergieverbrauchs. Eine Stufenberechnung am Auslegungspunkt kann nicht belegen, welche Regelstrategie über einen tatsächlichen Lastzyklus weniger Dampf verbraucht.

Verluste, die die verringerte Drosselung aufwiegen

• Windage-Verluste in unbeaufschlagten Sektoren: Schaufeln, die unbeaufschlagte Bereiche durchlaufen, verwirbeln und beschleunigen das umgebende Fluid, ohne dabei nutzbare Strahlarbeit aufzunehmen. Die Verluste hängen von Drehzahl, Fluiddichte, Schaufelgeometrie und dem unbeaufschlagten Bogen ab.
• Füll- und Entleerungsverluste: In die Eintritts- und Austrittsbereiche eines aktiven Sektors ein- und auslaufende Schaufelkanäle durchlaufen einen transienten Strömungsaufbau beziehungsweise -abbau. Diese Effekte fallen stärker ins Gewicht, wenn es im Verhältnis zum beaufschlagten Bogen viele Sektorgrenzen gibt.
• Mischverluste an den Sektorgrenzen: Strahlen nahe den Beaufschlagungsgrenzen wechselwirken mit Fluid geringeren Impulses, wodurch ungleichförmige Geschwindigkeiten, Anströmwinkel und Dissipation entstehen.

Bei sehr geringer Teilbeaufschlagung können parasitäre Verluste einen größeren Anteil der nutzbaren Stufenleistung aufzehren. Es gibt keinen allgemeingültigen Beaufschlagungsgrad, unterhalb dessen die Leistung unzulässig wird. Der maßgebliche Grenzwert hängt von der Stufengeometrie, den Betriebsbedingungen und den Anforderungen an die Mindestlast ab.

Die Düsenanordnung beeinflusst sowohl Verluste als auch Anregung

Gleiche Beaufschlagungsgrade garantieren keine gleiche Leistung. Ein zusammenhängender aktiver Sektor und mehrere getrennte Sektoren erzeugen unterschiedliche Anzahlen von Eintritts- und Austrittsgrenzen. Eine Aufteilung der Beaufschlagung auf mehr Sektoren kann die grenzflächenbedingten Verluste erhöhen und zugleich die Umfangsverteilung der Kräfte sowie das Frequenzspektrum der Schaufelanregung verändern.

Eine geringe Anzahl großer Sektoren kann die Zahl der Grenzen verringern, aber stärkere niederordentliche Strömungsungleichförmigkeiten verursachen. Verteilte Sektoren können die Umfangsverteilung verbessern, setzen jedoch jede Schaufel bei jeder Umdrehung mehr Belastungsübergängen aus. Keine der beiden Anordnungen ist grundsätzlich überlegen; die aerodynamische und strukturelle Bewertung muss die tatsächliche Ventilöffnungsfolge berücksichtigen.

Auch die Düsenströmungsgeschwindigkeit ändert sich mit dem Druckverhältnis. Das Verhältnis von Schaufelgeschwindigkeit zu Strahlgeschwindigkeit und der Eintrittsanströmwinkel können sich daher mit der Ventilbetätigung von den Auslegungswerten entfernen. Der Druck in einer geöffneten Düsengruppe zu halten, gewährleistet nicht, dass die Geschwindigkeitsdreiecke über den gesamten Regelbereich optimal bleiben.

Periodische Schaufelbelastung ist ein Ermüdungsproblem, nicht nur ein Schwingungsproblem

Jede Laufschaufel erfährt einen Anstieg der aerodynamischen Kraft, wenn sie in einen beaufschlagten Sektor eintritt, und eine Verringerung, wenn sie ihn verlässt. Die daraus entstehende Anregung enthält Harmonische, die mit der Drehzahl und dem Beaufschlagungsmuster zusammenhängen. Sektorbreiten, Abstände und Ventilstellungen beeinflussen dieses Spektrum.

Nähert sich eine Anregungskomponente einer Eigenfrequenz der Schaufel oder der Schaufelgruppe, kann die dynamische Spannung ansteigen. Bei der Bewertung sind Eigenschwingungsformen, Dämpfung, das Verhalten von Deckbändern oder Verbindungsdrähten, sofern vorhanden, sowie die heißen Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Ein Campbell-Diagramm ist hilfreich, doch allein das Erkennen einer Frequenzüberlagerung belegt weder die Spannungshöhe noch die zulässige Ermüdungsbeanspruchung.

Geringe Lagerschwingungen beweisen nicht, dass die dynamische Schaufelspannung ebenfalls gering ist. Lokale Schaufelschwingungsformen müssen an Gehäuse- oder Lagersensoren keine starke Reaktion hervorrufen. Umgekehrt können erhöhte Gesamtschwingungen auch auf Unwucht, Fluchtungsfehler, Lager oder andere Ursachen zurückzuführen sein und müssen nicht durch Teilbeaufschlagung verursacht werden.

Fordern Sie bei längerem Betrieb mit wechselnder Last eine Bestätigung an, dass die zulässigen Beaufschlagungskombinationen und relevanten Übergänge von der Schaufelanregungsbewertung erfasst wurden. Wiederholter Betrieb nahe einem problematischen Zustand kann wichtiger sein als ein kurzes Durchlaufen dieses Zustands.

Untersuchung eines Wirkungsgradeinbruchs oder einer Schwingungsänderung

Tritt ein Symptom in der Nähe eines Düsen gruppenübergangs auf, stellen Sie zunächst fest, ob es mit der Ventilstellung oder einer anderen Betriebsgröße zusammenhängt. Vergleichen Sie stationäre Betriebspunkte mit übereinstimmenden Dampfzuständen und gleichem Abgasdruck, statt sich allein auf die Leistung zu stützen.

1. Beaufschlagungszustand erfassen. Erfassen Sie, sofern verfügbar, die Positionen der einzelnen Ventile, die Drücke in der Ventilkammer oder den Düsengruppen, Drehzahl, Dampfstrom und Leistung. Prüfen Sie, ob die tatsächliche Ventilbewegung mit der vorgegebenen Schaltfolge übereinstimmt.
2. Transienten und stationäres Verhalten voneinander trennen. Eine kurze Störung während der Ventilbewegung unterscheidet sich von anhaltenden Verlusten oder Anregungen nach der Stabilisierung der Bedingungen.
3. Schwingungsspektren überprüfen. Vergleichen Sie die Frequenzkomponenten vor und nach dem Übergang. Setzen Sie Änderungen zu Wellenordnungen, dem Beaufschlagungsmuster und identifizierten Eigenformen in Beziehung, statt nur die Gesamtschwingungsamplitude zu betrachten.
4. Andere mögliche Ursachen prüfen. Ventilleckage, schwergängige Ventile, Änderungen der Dampfzustände, Schwankungen des Abgasdrucks und Messfehler können einem teilbeaufschlagungsbedingten Problem ähneln.

Ändern Sie die Ventilüberdeckung oder Öffnungsreihenfolge nicht allein, um einen Wirkungsgradeinbruch zu beseitigen. Solche Änderungen können die Anregung, die Regelstabilität und das Lastverhalten beeinflussen. Anpassungen müssen innerhalb der vom Hersteller freigegebenen Betriebskennfelder und Regelverfahren bleiben.

Was vor der Freigabe einer Auslegung für wechselnde Lasten angefordert werden sollte

Eine aussagekräftige technische Vorlage umfasst garantierte Leistungswerte bei repräsentativen Lasten, die zugehörigen Ventilkombinationen, die Mindestdauerlast und etwaige eingeschränkte Betriebsbereiche. Sie sollte Berechnungen für die Regelstufe von der Leistung der Gesamtmaschine abgrenzen und die für Verluste durch Teilbeaufschlagung verwendeten Annahmen angeben.

Für Leistungsvergleiche müssen außerdem Messgrenzen und Korrekturverfahren vereinbart sein. Dampfverbrauch, Wellenleistung und elektrische Leistung sind nicht austauschbar. Eintrittsbedingungen, Abgasdruck, gegebenenfalls Entnahmeströme und der Umgang mit Messunsicherheiten sollten festgelegt werden, bevor Angebote miteinander verglichen werden.

Auf Anlagenebene kann die Bewertung auch eine andere Antriebsmaschine umfassen. Die angeboteneGasturbinen-Baureihe umfasst Modelle mit angegebenen Leistungen von 2 bis 114.5 MW und je nach Modell unterschiedlichen Brennstoffoptionen. Dies ist ein Vergleich unterschiedlicher Maschinenkonzepte und keine Lösung für Verluste durch Teilbeaufschlagung in einer Dampfstufe: Dampfverfügbarkeit, Brennstoffversorgung, Wärmebedarf und Teillastverhalten müssen unabhängig voneinander bewertet werden.

Für die Dampfturbine selbst ist ein belastbares Betriebskennfeld entscheidend, das Leistung, Ventilstellung, Dampfverbrauch und zulässigen Betrieb miteinander verknüpft. Ein günstiger Wirkungsgrad bei Nennleistung reicht nicht aus, wenn ein erheblicher Teil der vorgesehenen Betriebszeit bei teilweise beaufschlagten Lasten oder in der Nähe von Düsen gruppenübergängen anfällt.