Unsteady flow and fluid-structure interactions in steam turbine control valves – measures for the stabilization of spherical control valves

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Ronald Mailach
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2016 to 2024
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 281540516

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Im Projekt wurde ein neuer Modellprüfstand für die umfassende experimentelle Untersuchung eines skalierten Dampfturbinen-Regelventils realisiert. Der umfangreiche Einsatz zeitauflösender Messtechnik ermöglichte nicht nur durch Wanddruckmessungen einen Rückschluss auf das Strömungsfeld (bzw. Druckfeld), sondern durch zusätzliche Weg-, Vibrations- und Kraftmessungen auch eine Charakterisierung des dynamischen Verhaltens. Begleitet wurden die Untersuchungen durch numerische Simulationen, deren Aussagekraft durch den direkten Zugang zu experimentellen Daten wesentlich gestärkt werden konnte. Beobachtungen aus dem Experiment, die aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit durch Messtechnik häufig lediglich Mutmaßungen zulassen, konnten belastbar erklärt und visualisiert werden. Mit der Betrachtung modifizierter Geometrien wurde die direkte Auswirkung einer Abrisskante näher untersucht. Durch den, vom Ventilkopf abgesehen, identischen Prüfstandsaufbau wurde ein direkter Vergleich ermöglicht, der die positive Auswirkung auf die Strömungsstabilität bestätigte. Im Betriebsfenster zeigte sich jedoch auch, dass es im Allgemeinen geometrieabhängig sowohl Vorteile (z. B. ge­ ringerer Druckverlust, reduzierte Vibrationen), als auch Nachteile (z. B. Hysteresegebiete, sprunghafte Druckänderung) im globalen Betriebsfenster auftreten. Diese Erkenntnisse, insbesondere die Beobachtung stabiler Strömungszustände, bildeten die Grundlage für im letzten Schritt betrachtete Maßnahmen zur Strömungsstabilisierung. Durch die Integration von Wirbel- und Drallgeneratoren ist untersucht worden, ob sich grundsätzlich der Betriebsbereich günstiger Strömungsmuster durch diese erweitern lässt, oder ob im Falle der Wirbelgeneratoren durch gezielte Erzeugung kleinerer Wirbelstrukturen großskalige geschwächt werden können. Eine globale Aussage ist auf Basis der Ergebnisse jedoch nicht möglich, da die gewünschten Effekte in manchen Betriebsbereichen einen positiven Einfluss auf die Strömungsstabilität hatten, es jedoch ebenso Bereiche gab, in denen im Vergleich zu anderen Geometrien höhere Vibrationen oder Druckinstabilitäten aufgetreten sind. Allgemein sorgen die zusätzlichen Strukturen im Strömungspfad für einen erhöhten Druckverlust und eine Zunahme der Schwingungen, sofern diese transsonisch angeströmt werden. Über die gesamte Projektdauer zeigte sich die große Herausforderung in der Vorhersage einer komplexen Strömung. Bereits im Experiment zeigte sich, dass die Strömung teilweise sehr sensibel auf geometrische Veränderungen reagiert und es gebietsweise zwei diskrete Strömungszustände für einen gleichen Betriebspunkt gab. Das zusammenbringen beider der Simulationsergebnisse mit dem Experiment stellte daher auch unter bekannten Randbedingungen eine Herausforderung dar und betont deutlich die Notwendigkeit geeigneter Validierungsdaten für numerische Simulationen. Die umfassenden experimentellen Untersuchungen für ein breites Spektrum generischer Geometrien können hier einen signifikanten Beitrag leisten, um die Aussagekraft zukünftiger Vorhersagen zu stärken.

Publications

• Evaluation of the Unsteady Flow Field in a Steam Turbine Control Valve using Spectral Proper Orthogonal Decomposition. ISimT-19 – Symposium on Innovative Simulations in Turbomachinery, Hohenkammer, November, 2019
  C. Windemuth; M. Lange & R. Mailach
  
• Introduction of a novel test rig for the investigation of fluid-structure interaction effects in steam turbine control valves using an elastic model. European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and hermodynamics.
  Windemuth, Christian; Lange, Martin & Mailach, Ronald
  
• Test Rig for the Investigation of the Fluid-Structure Interaction in a Scaled Steam Turbine Control Valve. 2nd Symposium on Turbomachinery Test Facilities, Bochum, Mai, 2019
  C. Windemuth; M. Lange & R. Mailach
  
• Investigation of Unsteady Pressure Fluctuations in a Simplified Steam Turbine Control Valve. Volume 9: Oil and Gas Applications; Organic Rankine Cycle Power Systems; Steam Turbine.
  Windemuth, Christian; Lange, Martin & Mailach, Ronald
  
• Analysis of the Unsteady Flow Field in a Steam Turbine Control Valve Using Spectral Proper Orthogonal Decomposition. 14th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics, Virtuelle Konferenz, 12.-16. Apr. ETC2021-561
  C. Windemuth; M. Lange & R. Mailach
  
• Analysis of the Unsteady Flow Field in a Steam Turbine Control Valve using Spectral Proper Orthogonal Decomposition. International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power, 6(2), 11.
  Windemuth, Christian; Lange, Martin & Mailach, Ronald
  
• Investigation of Unsteady Pressure Fluctuations in a Simplified Steam Turbine Control Valve. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 143(8).
  Windemuth, Christian; Lange, Martin & Mailach, Ronald
  
• A Comparison of Steam Turbine Control Valve Geometries and Their Dynamic Behavior at Part Load. International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power, 8(4), 55.
  Windemuth, Christian; Lange, Martin & Mailach, Ronald
  
• Comparison of Steam Turbine Control Valve Geometries and their Dynamic Behaviour at Part Load. 15th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics, Budapest, 24.-28. Apr., ETC2023-138
  C. Windemuth; M. Lange & R. Mailach