Strömungstechnische Auslegung einer HHD- Teilturbine für ultra-überkritische Dampfzustände

Abstract

Im Rahmen der Diplomarbeit wird eine strömungstechnische Auslegung eines so genannten Höchstdruckturbineteiles für ultra-überkritische Frischdampfparameter durchgeführt. Die Einführung von ultra-überkritischen Dampfparametern, das sind Dampfzustände von 700°C/350bar, führt zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz und somit des Wirkungsgrades von Dampfturbinen. Es lassen sich laut Literatur Wirkungsgrade von über 50% erzielen.<br />Dadurch ist ein erhebliches Potential zur Verminderung des CO2 Ausstoßes gegeben. Die Anwendung dieser Technologie ist auch die Basis für alle Maßnahmen zur CO2 Abscheidung, da diese den Wirkungsgrad von herkömmlichen Anlagen negativ beeinflussen was durch Einführung von ultra-überkritischen Frischdampfparametern kompensiert werden kann.<br />Große Herausforderungen werden an die eingesetzten Werkstoffe in diesem hohen Temperaturbereich gesetzt. Es ist der Einsatz von kostenintensiven Nickelbasislegierungen erforderlich, weil herkömmliche Turbinenwerkstoffe bei diesen Dampfzuständen keine ausreichend hohe Zeitstandsfestigkeit besitzen.<br />Nickelbasislegierungen sind bereits aus dem Gasturbinenbau bekannt, allerdings existieren kaum Zeitstandsfestigkeitswerte, die der Betriebsdauer von Dampfturbinen entsprechen. Weiters sind diese Superlegierungen sehr kostenintensiv, weshalb deren Einsatz so gering als möglich gehalten werden muss. Dies geschieht durch einen entsprechenden Verlauf der Temperatur bzw. der Arbeitszahl entlang des Schaufelpfades. Im Anschluss an die Berechnung ist der Verlauf, für die Stufen der HHD Teilturbine maßgeblichen Größen und Kennzahlen, über der Stufenzahl dargestellt und es werden alle Ergebnisse zusamm engefasst.<br />Dadurch können Auslegungsgesichtspunkte für HHD Turbinen gewonnen werden.<br />

In this diploma thesis there will be a fluidic design of a steam turbine for ultrasupercritical steam parameters done. To advance the traditional steam parameters up to 700°C/350bar will lead to a higher efficiency of about 50%. The development of 700°C- powerplants is driven by the increasing focus on CO2 emissions. The high temperatures considerably reduce the creep rupture strength of the materials and, especially in the inlet region of very high pressure steam turbines (VHP-turbines), the high thermo-mechanical blade stresses can only be sustained by using costly nickel-based alloys. The number of blade rows made from nickel-based alloys can be reduced if the temperature gradient along the blade path is increased relative to the temperature gradient of common designs. Within this project blade profiles with higher work coefficients to achieve higher temperature drops were developed, a loss model for the aerodynamic losses was selected and validated and a range of very high pressure steam turbines were designed with the help of a 1D meanline method.