Professionelles 3D-Design ist heute Voraussetzung, um Turbinen optimal zu gestalten. Siemens Power Generation zum Beispiel setzt seit rund zehn Jahren auf computergestütztes 3D-Design. Der Kraftwerkspezialist fand mithilfe der 3D-Algorithmen ungewöhnliche, strömungsoptimierte Schaufelformen, die den Wirkungsgrad der Turbinen erheblich verbessern. Betreiber bekommen mehr Leistung beim gleichen Brennstoffeinsatz.
Bei der Entwicklung der Dampfturbine für das Veag-Kraftwerk Boxberg spielte die Computersimulation bei Siemens Power Generation eine entscheidende Rolle, insbesondere Programme zur numerischen Strömungsberechnung (Computational Fluid Dynamics - CFD). Die Siemens-Ingenieure haben mit der CFD-Software CFX der Ansys Germany GmbH, Otterfing, Parameterstudien durchgeführt, aus denen sie Konstruktionsregeln ableiten konnten. Diese wurden für die Gestaltung optimierter Schaufelformen bei gegebenen Kennwerten angewendet, um Verluste zu minimieren. Die Boxberg- Turbine stellt den Erfolg dieses Entwicklungsaufwands eindrucksvoll unter Beweis: Der Gesamtwirkungsgrad beträgt 48,5 %.
Dr. Mathias Deckers, Leiter der Gruppe „Beschaufelungsentwicklung“ bei Siemens Power Generation in Mülheim an der Ruhr, erklärt: „Die CFXSoftware hat eine wichtige Rolle im Entwicklungsprozess gespielt; sie half uns, die Strömungsgeschwindigkeiten und Druckwerte in der Turbine mit einem Minimum an Modellturbinentests zu bestimmen. Die Software hat zudem genaue Trendvorhersagen bei Wirkungsgradberechnungen ermöglicht. So konnten wir unter vielen Alternativen die beste wählen.“
Ziel der Turbinenhersteller ist es, den Wirkungsgrad zu steigern. Anfang der 90er-Jahre ging Siemens Power Generation deshalb von traditionellen zylindrischen Schaufeln über auf dreidimensional gestaltete Schaufelblätter. Dieses neue Design erforderte Modifikationen im Konstruktions- und Fertigungsprozess. Die erste Generation der 3D-Schaufeln basierte noch auf konventionellen Quasi-3D-Konzepten, die berücksichtigten, dass sich die Strömungsbedingungen über die Schaufelhöhe mit der Umfangsgeschwindigkeit änderten. Im Laufe des Entwicklungsprozesses erkannten die Siemens-Ingenieure, dass eine Optimierung der Schaufelgeometrie hin zu vollen 3D-Schaufeln den Wirkungsgrad verbessern würde.
„Der Einsatz einer Modellturbine kann die Anforderungen nur teilweise erfüllen“, sagt Deckers. „Ein Nachteil ist, dass der Bau und die Bestückung von Modellturbinen mit Messinstrumenten sehr teuer ist. Wir benötigten ein besseres Verständnis der Geschwindigkeits-, Druck- und Temperaturfelder in der Turbine und begannen deshalb nach verschiedenen geeigneten CFD-Werkzeugen Ausschau zu halten.“
„Wir haben CFX hauptsächlich ausgewählt, weil es ein breiteres Feld von Turbinenbauteilen berechnen konnte, als andere Softwarepakete, die wir angeschaut hatten“, so Deckers. „Im Vergleich mit anderen CFD-Programmen schien CFX als einzige Software in der Lage zu sein, all die verschiedenen Bauteile zu modellieren.“
Siemens Power Generation setzte am Anfang schwerpunktmäßig das CFD-Programm CFX-TASCflow ein, das vermehrt durch den Nachfolger CFX-5 ergänzt wurde. CFX bietet ein integriertes System von CFD-Produkten für die Turbomaschinenberechnung und besitzt Eigenschaften wie die Berechnung der Rotor-Stator-Wechselwirkung in mehrstufigen Maschinen, ein so genanntes „Generalized Grid Interface“, mit dem Teilgitter mit völlig unterschiedlicher Knotenpunktverteilung verbunden werden können, Behandlung von kompressiblen Strömungen mit Verdichtungsstößen, Modelle für Nassdampf und Kältemittel sowie effiziente Parallelberechnung auf vernetzten Workstations oder PCs.
Deckers: „Wir waren mit der CFX-Software in der Lage, die Strömung am Bildschirm sichtbar zu machen und konnten so die optimalen Einlass- und Auslasswinkel für jeden Schaufelabschnitt bestimmen. Wir haben dann systematisch Parametervarianten untersucht, um deren Einfluss auf die Schaufelform und das Strömungsfeld zu verstehen. Uns wurde bewusst, wie wichtig der Einfluss der an der Schaufelnabe und am Gehäuse entstehenden Sekundärströmungen ist. Diese Erkenntnisse spornten uns an, die Entwicklung unserer neuen 3DSTM-Schaufel voranzutreiben. Bei diesen Schaufeln ändern sich die Profilquerschnitte über die Schaufellänge entsprechend dem komplexen dreidimensionalen Strömungsfeld. Die Schaufelform berücksichtigt die Sekundärströmungen und führt zu einer gleichförmigeren Strömung in der Turbine. Das kann den Stufenwirkungsgrad bis zu zwei Prozent im Vergleich zu traditionellen Schaufeln erhöhen, was bei großen Dampfturbinen Mehreinnahmen in Millionenhöhe bewirken kann.“
Der CFX-Postprozessor errechnet den Austrittswinkel, den Totaldruck und die Geschwindigkeitskomponenten als Funktion des Radius, so dass jeder Schaufelabschnitt leicht analysiert und bewertet werden kann. Dann werden die Entropieverluste für jede Stufe berechnet und der Gesamtwirkungsgrad bestimmt.
„CFD-Simulationen werden zwar immer schneller, brauchen aber noch zu viel Zeit, um sie für jede einzelne Turbine in den alltäglichen Entwurfsprozess einzubinden. Deshalb wurden Erfahrungen aus umfangreichen Simulationen extrahiert und in ein Auslegungssystem integriert. Dies baut auf einer Reihe von Siemens-internen 1D- und 2D-Berechnungsprogrammen auf und wurde den Siemens Entwicklungsund Auslegungszentren zur Verfügung gestellt“, erklärt Deckers.
