Höyryturbiinin ulosvirtauskanaviston kokeellinen tutkimus pienoismallilla

Abstract

Diplomityössä tutkittiin höyryturbiinin ulosvirtauskanavistojen kokeellisia tutkimusmenetelmiä ja suoritettiin käytännön mittauksia Fortum Oyj:n Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinien huuvan pienoismallilla. Kirjallisuusselvityksen perusteella todettiin, että pienoismallitutkimuksella on ollut keskeinen asema ulosvirtauskanavistojen suunnittelussa. Kokeellisten menetelmien perusongelmana on höyryturbiinin ulosvirtausolosuhteiden jäljitteleminen. Käytetyt mittausmenetelmät perustuvat pääosin tavanomaisiin paine- ja nopeusmittauksiin. Lisäainepartikkeleihin ja laser-valaisuun perustuva PIV (particle image velocimetry) todettiin lupaavaksi menetelmäksi ulosvirtauskanavistojen tutkimuksen saralla. Työn käytännön osuudessa tehtiin mittauksia mittasuhteessa 1:8 rakennetulle höyryturbiinin huuvan pienoismallille. Mittauksilla tutkittiin virtausta mallin sisääntulo- ja ulostulotasoissa. Lisäksi mitattiin staattisen paineen jakauma huuvan sisällä. Kokonaispainetta mittaava kiel-putki todettiin käytännölliseksi työkaluksi huuvan virtauskentän tutkimuksessa. Tuloksista käy hyvin ilmi huuvan ulostuloon syntyvien pyörteiden muodostuminen ja ulostulon epätasainen nopeusjakauma. Staattinen paine huuvan sisällä havaittiin epätasaisesti jakautuneeksi. Ulostulotason ja staattisen paineen mittauksilla saadut tulokset sopivat hyvin yhteen kirjallisuudesta löytyvien tutkimustulosten kanssa ja tukevat Loviisan ulosvirtauskanavistosta aiemmin tehtyjä CFD-simulointeja.

In this master’s thesis, experimental methods related to steam turbine exhaust systems research are investigated. According to literary research, experimental scale model research has had a central role for long in the design of steam turbine exhaust systems. The basic problem with the experimental methods is the difficulty of reproducing authentic turbine exit flow conditions. The measurements rely typically on conventional pressure and velocity measurements. Laser-based particle image velocimetry was identified as a promising method in the field of exhaust systems research. In addition to literary research, practical measurements were performed on a 1:8 exhaust hood scale model, modelled after the steam turbine exhaust hoods at Fortum Oyj Loviisa nuclear power plant. Flow conditions at scale model exhaust hood inlet and outlet planes were investigated with probe traverse measurements. Static pressure was measured with pressure tapping. Kiel-probe was found suitable tool for approximations of the complex flow conditions related to the model. The results indicate the existence of large vortices at the hood outlet which impair the exhaust hood performance. Static pressure distribution inside the hood was found to be non-uniform. The overall results match well with other similar studies and support earlier CFD–simulations conducted using Loviisa NPP turbine exhaust hood geometry.