Mit fortschreitender Entspannung in einer Dampfturbine fallen Druck und Temperatur; ab einem bestimmten Punkt überschreitet der Dampf die Sättigungslinie und beginnt zu kondensieren. Die letzten Stufen arbeiten deshalb zweiphasig.
Zwei verschiedene Verluste
Thermodynamischer Verlust. Die Kondensation läuft nicht im Gleichgewicht ab; der Dampf kühlt zunächst unter die Sättigung ab und kondensiert dann über eine rasche Keimbildung. Dieser irreversible Vorgang erzeugt Entropie und kostet Wirkungsgrad.
Mechanischer Verlust. Die entstehenden Tropfen eilen dem Dampf nach; sie tauschen Impuls aus, wenn sie auf die Schaufeln treffen, und erzeugen einen zusätzlichen Verlust.
Erosion
Das handfestere Problem ist dieses: Tropfen sammeln sich auf den Leitschaufeln und bilden einen Film, der Film reißt an der Kante zu groben Tropfen auf, und diese Tropfen treffen mit hoher Relativgeschwindigkeit auf die Laufschaufeln. Die Folge ist ein fortschreitender Materialverlust an der Schaufelvorderkante.
Gegenmaßnahmen — Feuchteabsaugschlitze, Beheizung der Leitschaufeln, widerstandsfähige Beschichtungen, größerer Stufenabstand — sind allesamt geometrische Entscheidungen, die sich rechnerisch bewerten lassen.
Modellierung
Kondensation im Nichtgleichgewicht. Ein Modell, das an der Sättigungslinie einen sofortigen Phasenwechsel annimmt, kann weder das Unterkühlungsgebiet noch die Keimbildung sehen; die Wirkungsgradvorhersage fällt zu optimistisch aus.
Zwei Größenpopulationen. Die kleinen, durch Keimbildung entstandenen Tropfen und die groben, vom Leitrad abgelösten Tropfen liegen in unterschiedlichen Größenordnungen und verhalten sich verschieden. Mit einem einzigen mittleren Durchmesser zu arbeiten macht die Erosionsvorhersage bedeutungslos. Siehe die Notiz zur Mehrphasenströmung.
Tropfenverfolgung. Die Bahnen der groben Tropfen werden als diskrete Phase verfolgt; der Widerstandsbeiwert muss als Funktion der Reynolds-Zahl berechnet werden [1].
Instationäre Wechselwirkung. Der Aufprall auf die Schaufeln ist Teil der Stator-Rotor-Interaktion, und eine stationäre Mittelung löscht ihn aus. Siehe die Notiz zu Strömungsmaschinen.
Erosionsvorhersagen sind in absoluten Zahlen schwach; nötig sind der vergleichende Gebrauch und die Kalibrierung an gemessenen Betriebsdaten.
Referenzen
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.