Anwendung von in Umfangsrichtung ausgelenkten Rotorschaufeln in HD-Dampfturbinenstufen unter Berücksichtigung aerodynamischer und mechanischer Aspekte

Strömungsverluste in Hochdruck-Beschaufelungen von Dampfturbinen werden von Sekundärströmungsverlusten dominiert. Charakteristisch für solche Beschaufelungen ist ein ungünstiges, sehr niedriges Verhältnis von Schaufelhöhe zu Sehnenlänge. Große Sehnenlängen sind notwendig aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Schaufelbelastung. In dieser Arbeit wird die Neigung der Laufschaufeln in Rotationsrichtung, der sogenannte negative lean, untersucht. Ziel ist es, ein Biegemoment in den Laufschaufeln zu induzieren, welches dem Biegemoment der umfangsgerichteten Dampfkräfte entgegengerichtet ist, um auf diese Weise die Schaufeln mechanisch zu entlasten. Der Wirkungsgradvorteil entsteht durch die Fähigkeit Laufschaufeln mit kürzerer Sehnenlänge zu verwenden, welche folglich weniger Sekundärströmungsverluste aufweisen.

Zur Quantifizierung dieses Wirkungsgradpotentials wird eine eigens entwickelte Laufbeschaufelung verwendet, bestehend aus Naben-, Mitten- und Spitzenschnittprofilen. Der aus mechanischem Aspekt optimale lean-Winkel wird, wie es innerhalb der frühen Auslegungsphase üblich ist, auf Basis eines Mittenschnittverfahrens ermittelt. Die Prüfung der mechanischen Integrität erfolgt mittels der Balkentheorie. Auf diese Weise wird ein Vorteil im isentropen Stufenwirkungsgrad von 0,39% in Aussicht gestellt. Eine Validierung anhand von CFD-Simulationen führt zu einem Wirkungsgradgewinn von 0,66% und übertrifft das vorherige Ergebnis. Zum einen äußert sich das angehobene Verhältnis aus Schaufelhöhe zu Sehnenlänge bereits in einer Steigerung des Wirkungsgrades von 0,51%. Zum anderen vermindert die Schaufelneigung den Leckagemassenstrom in den Deckbanddichtungen, wodurch Mischungsverluste reduziert werden und ein weiterer Stufenwirkungsgradgewinn von 0,15% verzeichnet wird. Dieses Ergebnis hebt die Sensitivität der Dichtspaltmassenströme von Deckbandbeschaufelungen auf Änderungen des radialen Druckgradienten in der Gitterströmung hervor. CFD-Simulationen ohne Deckbanddichtung führen zu verminderten Stufenwirkungsgraden bei Verwendung von negativem lean und unterstreichen daher die Bedeutsamkeit jene zu berücksichtigen.