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Dezember 2012
Markus Schatz
Bestimmung der Zusammensetzung der Zweiphasen-Strömung in Niederdruck-Dampfturbinen auf der Grundlage der Lichtextinktionsmethode
Für die Bestimmung der Zusammensetzung der Zweiphasen-Strömung in Niederdruck- Dampfturbinen sind die Messverfahren auf Grundlage der Streuung von Licht an dispergierten Partikeln die beste Option. Speziell die Extinktionsmessung wird bereits seit Jahrzehnten sowohl in der Industrie als auch in der Forschung für die Messung der Dampfnässe eingesetzt. Allerdings konnte sich diese Methode bislang nicht als Standardverfahren durchsetzen, obwohl es auf europäischer Ebene bereits Anstrengungen gegeben hat, eine Norm hierfür zu erarbeiten. Dies dürfte vor allem darauf zurückzuführen sein, dass für die Durchführung der Messung und Auswertung der Extinktionsdaten eine ganze Reihe von Einflussfaktoren aus verschiedenen Bereichen beachtet werden müssen. Die zum Thema der Nässemessung auf Basis der Lichtextinktion vorliegende Literatur beschäftigt sich jedoch zumeist nur mit einzelnen Aspekten dieses Verfahrens. Eine ganzheitliche Betrachtung dieses komplexen Arbeitsgebietes ist bislang nicht erfolgt und ist Ziel der vorliegenden Arbeit. Dazu ist die Arbeit in vier Teile gegliedert.
Im ersten Teil werden zunächst die notwendigen thermodynamischen Grundlagen ausgeführt und daraus anschließend die bei der Messung in Dampfturbinen herrschenden Randbedingungen abgeleitet. Darüber hinaus erfolgt die Herleitung des Gesetzes von Bouger, Lambert und Beer, welches die gemessene Lichtextinktion und die Rückrechnung des gemessenen Tropfenspektrums verknüpft, sowie die Überprüfung der Anwendbarkeit und die Gültigkeit der zugrunde liegenden Annahmen und Vereinfachungen.
Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt die Auslegung einer Sonde mit einem Schaftdurchmesser von 25 mm, die für Kraftwerksturbinen verwendet werden soll, und einer Sonde mit einem Schaftdurchmesser von 10 mm für den Einsatz in der Modelldampfturbine des Instituts. Hierbei wird neben einer Betrachtung der aerodynamischen Eigenschaften der Sonde unter anderem auf die Auslegung des optischen Systems eingegangen, welches das Kernelement der gesamten Messtechnik darstellt.
Der dritte Teil behandelt schließlich die Auswertung der Messdaten. Die hierfür notwendige Matrixinversion resultiert in einem „schlechtgestellten Problem“, d.h. das resultierende lineare Gleichungssystem zeigt eine starke numerische Instabilität. Nach der Vorstellung des Auswerteverfahrens erfolgt eine ausführliche Beschreibung der Messung und der Datenanalyse, in deren Rahmen auch auf die Wahl der Parameter für die Auswertung der Daten und deren Einfluss auf das Ergebnis der Auswertung eingegangen wird.
Der vierte und letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der Beschreibung der praktischen Umsetzung der in den vorhergehenden Abschnitten theoretisch erläuterten Aspekte. Im Anschluss an den Nachweis der Funktionsfähigkeit des verwendeten Auswerteverfahrens und der gesamten Messkette werden abschließend erste Ergebnisse von Messungen mit den beiden neu konzipierten Sonden vorgestellt. Mit der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Nässemesstechnik liegt nun ein erprobtes und validiertes System zur Bestimmung der Zusammensetzung der Zweiphasen-Strömung vor, mit welchem vertiefte Untersuchungen der kondensierenden Dampfströmung in Niederdruck-Dampfturbinen möglich sind.
Im ersten Teil werden zunächst die notwendigen thermodynamischen Grundlagen ausgeführt und daraus anschließend die bei der Messung in Dampfturbinen herrschenden Randbedingungen abgeleitet. Darüber hinaus erfolgt die Herleitung des Gesetzes von Bouger, Lambert und Beer, welches die gemessene Lichtextinktion und die Rückrechnung des gemessenen Tropfenspektrums verknüpft, sowie die Überprüfung der Anwendbarkeit und die Gültigkeit der zugrunde liegenden Annahmen und Vereinfachungen.
Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt die Auslegung einer Sonde mit einem Schaftdurchmesser von 25 mm, die für Kraftwerksturbinen verwendet werden soll, und einer Sonde mit einem Schaftdurchmesser von 10 mm für den Einsatz in der Modelldampfturbine des Instituts. Hierbei wird neben einer Betrachtung der aerodynamischen Eigenschaften der Sonde unter anderem auf die Auslegung des optischen Systems eingegangen, welches das Kernelement der gesamten Messtechnik darstellt.
Der dritte Teil behandelt schließlich die Auswertung der Messdaten. Die hierfür notwendige Matrixinversion resultiert in einem „schlechtgestellten Problem“, d.h. das resultierende lineare Gleichungssystem zeigt eine starke numerische Instabilität. Nach der Vorstellung des Auswerteverfahrens erfolgt eine ausführliche Beschreibung der Messung und der Datenanalyse, in deren Rahmen auch auf die Wahl der Parameter für die Auswertung der Daten und deren Einfluss auf das Ergebnis der Auswertung eingegangen wird.
Der vierte und letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der Beschreibung der praktischen Umsetzung der in den vorhergehenden Abschnitten theoretisch erläuterten Aspekte. Im Anschluss an den Nachweis der Funktionsfähigkeit des verwendeten Auswerteverfahrens und der gesamten Messkette werden abschließend erste Ergebnisse von Messungen mit den beiden neu konzipierten Sonden vorgestellt. Mit der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Nässemesstechnik liegt nun ein erprobtes und validiertes System zur Bestimmung der Zusammensetzung der Zweiphasen-Strömung vor, mit welchem vertiefte Untersuchungen der kondensierenden Dampfströmung in Niederdruck-Dampfturbinen möglich sind.
Schlagwörter: Dampfturbinen; Zweiphasen-Strömung; Nässemessung; Lichtextinktion
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