Fluid dynamic investigation of an alternative extraction steam turbine control method : rotary valve

Abstract

Entnahme-Dampfturbinen werden häufig in Cogeneration-Anlagen sowie in Industriekraftwerken verwendet. Aus dieser Art von Turbinen werden große Mengen an Wasserdampf auf einem mittleren Druckniveau entnommen. Um das Entnahmedruckniveau festzulegen ist es notwendig, dass die Niederdruck-Turbine stromabwärts von der Dampf-entnahmestelle gesteuert wird. Normalerweise werden Drosselventile oder Düsengruppen- Steuerungen mit relativ großen Strömungsquerschnitten für diesen Zweck verwendet. Es ist das Ziel, dass die Steuerung der Dampfturbine ein Minimum an zusätzlichen Verlusten verursacht. Daher könnten Drehschieber als alternatives Konzept zum Steuern des Dampf-Massenstroms betrachtet werden. Bei dieser Konstruktion haben die Leitschaufeln der Niederdruckstufe, die direkt stromabwärts der Entnahmestelle liegen, verschiebbare Vorderkanten. Dadurch kann die Geometrie der Schaufelgitter zur Veränderung der Strömungsbedingungen angepasst werden. Derzeit sind detaillierte Informationen zu diesem Konzept in den Veröffentlichungen sehr selten.<br />Es ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, detaillierte numerische, experimentelle und analytische strömungsdynamische Untersuchungen für einen generischen Drehschieber durchzuführen. Darin werden die Strömungseigenschaften des Designs, einschließlich der Abströmwinkel, der Abströmgeschwindigkeit, die Koeffizienten für den statischen und den Totaldruck sowie der Verlustbeiwert für unterschiedliche Schließpositionen des Drehschiebers untersucht. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wird ein semi-empirisches Modell für die Berechnung des Verlustbeiwertes sowie eine Näherung für den Abströmwinkel vorgeschlagen.<br />

Extraction steam turbines are frequently used in co-generation as well as industrial power plants. In this kind of turbines, large amounts of steam are extracted at an intermediate pressure level. To fix the extraction pressure level, it is necessary to control the low pressure turbine downstream of the steam extraction point. Usually, throttle valves or nozzle group controls with relatively large flow areas are used for this purpose. It is of great importance to perform the steam turbine control at minimum additional losses. Therefore, the rotary valves could be considered as an alternative concept for controlling of steam mass flow rate. In this design, nozzle blades of low pressure stage located directly downstream of the extraction point have adjustable leading edges that can adapt the geometry of the blades cascade for changing flow conditions. Meanwhile, detailed information on this concept in the open literature is very limited.<br />Hence, the objective of the present work is to perform detailed numerical, experimental and analytically fluid dynamics investigations on a generic rotary valve. In this way, flow characteristics of the design, including exit flow angle, exit flow velocity, static and total pressure coefficients and loss coefficient, are investigated throughout the study for different closing positions of rotary valve. Consequently, based on the results of work, a semi-empirical model for calculation of loss coefficient as well as an approximation for exit flow angle is suggested.