Das Ziel der Arbeit war die Erstellung einer simulationsgestützten Methodik zur gesamtheitlichen Betrachtung der Werkstoffbeanspruchung von Dampferzeugerbauteilen für Kraftwerkshersteller und -betreiber, die zur Auslegung und Optimierung von Dampferzeugerbauteilen eingesetzt werden kann. Dabei können mit stationären Simulationsrechnungen Potenziale zur Erhöhung von Wirkungsgraden und mit instationären Berechnungen Potenziale zur Steigerung von Laständerungsgeschwindigkeiten aufgezeigt werden.
Die Gesamterschöpfung eines Dampferzeugerbauteils wird durch Überlagerung der Erschöpfungen aus Zeitstandbeanspruchung (stationäre Simulation) und Dehnungswechselbeanspruchung (instationäre Berechnung) errechnet, deshalb werden in der Arbeit beide Beanspruchungsarten betrachtet.
Mit dem eingesetzten Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationsprogramm können beispielsweise rauchgasseitige Temperaturschieflagen im Dampferzeuger aufgezeigt werden. Die Kopplung mit einem Wasser-/Dampfkreislauf-Simulationsprogramm ermöglicht die Berechnung der Wärmeübertragung von der Rauchgasseite zur Wasser-/Dampfseite. Dabei werden jedes einzelne Heizflächenrohr und die komplexen Heizflächenverschaltungen mit dem Verteiler-Sammler-System in der Simulation berücksichtigt, um zum Beispiel die arbeitsstoffseitigen Schieflagen der parallel verlaufenden Rohre innerhalb einer Baugruppe darzustellen. Die daraus berechneten Werkstofftemperaturen erlauben Rückschlüsse auf die Bauteilbeanspruchungen. Weitere Werkstoffbeanspruchungen, wie z. B. überlagerte Kräfte und Momente werden nicht berücksichtigt. Durch die Kopplung mit einem Lebensdauerberechnungsprogramm können mit den berechneten Wandtemperaturen Aussagen über die Zeitstandbeanspruchung und schließlich über den Lebensdauerverbrauch gemacht werden. Mögliche Potenziale beispielsweise hinsichtlich der Vergleichmäßigung der Werkstoffbeanspruchung und damit eines geringeren Lebensdauerverbrauchs innerhalb einer Baugruppe können aufgezeigt werden. Eine Reduzierung der werkstoffseitigen Temperaturschieflagen kann zum Beispiel genutzt werden, um die Dampfaustrittstemperaturen zu steigern und damit eine Wirkungsgraderhöhung zu erzielen.
Die Dehnungswechselbeanspruchung hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Lebensdauer von dickwandigen Bauteilen der Mittel- und Spitzenlastkraftwerke, da diese Kraftwerke häufige Laständerungen erfahren. Das Ziel der instationären Berechnungen war folglich, bei einem Lastzyklus, d. h. einem An- und Abfahrvorgang, die höchstbeanspruchten dickwandigen Bauteile im Hochtemperaturbereich hinsichtlich Lebensdauerverbrauch zu bewerten. Hierfür wurde ein Simulationsprogramm neu entwickelt, um auf Basis der gemessenen arbeitsstoffseitigen Temperatur-, Druck- und Massenstromverläufe die zeitlichen Verläufe der radialen Wandtemperaturdifferenzen von dickwandigen Bauteilen zu berechnen. Mit einem Lebensdauerberechnungsprogramm kann unter Verwendung der berechneten Wandtemperaturdifferenzen der Lebensdauerverbrauch ermittelt werden, um beispielsweise Potenziale zur Steigerung von Laständerungsgeschwindigkeiten und damit eine Verkürzung von An- und Abfahrzeiten aufzuzeigen.
Die Arbeit ist erschienen im Cuvillier Verlag.