Experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung von akustischen Moden und Ventilkegelschwingungen

Dampfturbinen zählen zu den wichtigsten Wärmekraftmaschinen, die in der Stromerzeugung oder als mechanischer Antrieb von Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Hohe Flexibilität im Betrieb ist dabei heute sowohl für Industriedampfturbinen als auch für Kraftwerksdampfturbinen essentiell. Im Teillastbetrieb, bei nur kleiner Öffnung und starker Drosselung, erfahren die Regelventile der Turbinen eine hohe Belastung. Diese resultiert aus Dissipationsprozessen, die die kinetische Energie in der Strömung in Druckschwankungen und fluktuierende Kräfte auf den Ventilkegel umwandeln. In dem hierbei schwach durchströmten Ventildiffusor können zusätzlich noch akustische Moden angeregt werden, die zu hohen fluktuierenden Kräften und Schwingungen führen. In dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen an dem Modell eines Dampfturbinenregelventils, welches aus zwei parallelen Einzelventilen besteht, durchgeführt. Um die Ergebnisse auf die Großversion und andere Ventile übertragen zu können, wird großen Wert auf die Skalierung der mechanischen und fluidmechanischen Einflussgrößen gelegt. Die gewonnenen Messdaten werden im Zeit- sowie Frequenzbereich ausgewertet. Die verschiedenen Strömungsformen im Ventil werden mit Wanddruckmessungen ermittelt. Durch die Eintragung der Standardabweichungen der Messwerte im Kennfeld des Ventils, können Bereiche mit hohen Ventilkegelbewegungen identifiziert werden. Die Betriebspunkte mit hohen Bewegungen treten je nach Ventilhubstellung bei anderen Druckverhältnissen und Strömungsformen auf. Kreisende Bewegungen mit niedrigen Strouhal-Zahlen sind bei hohen Druckverhältnissen sichtbar. Harmonische Schwingungen, resultierend aus der Anregung akustischer Moden im Ventildiffusor, sind bei mittleren und niedrigen Druckverhältnissen messbar. Es handelt sich dabei einmal um Axialmoden, die bei mittleren Strouhal-Zahlen angeregt werden und die erste Umfangsmode, welche bei höheren axialen Ordnungen schmalbandig angeregt wird. Das Auftreten der akustischen Moden wird mit einer numerischen und analytischen Modalanalyse sowie zeitaufgelösten Druckmessungen verifiziert. Weiterhin zeigen die hier gewonnen Ergebnisse, dass am stromab liegenden Ventil 2 zum Teil größere Bewegungen gemessen werden als am Ventil 1. Die Bewegungen treten dabei auch bei anderen Strouhal-Zahlen auf. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit helfen bei der Auslegung und dem sicheren Betrieb der Ventile hinsichtlich der Vermeidung der akustischen Anregung. Dabei können die Strouhal-Zahlen der axialen Moden mit der Veränderung der Diffusorlänge angepasst und die Anregung der Umfangsmoden mit einem veränderten Betrieb der Ventile vermieden werden.