Studio sperimentale delle prestazioni di una schiera di turbina transonica al variare delle condizioni operative.

Abstract

La presente tesi ha come oggetto di analisi la valutazione delle prestazioni di una schiera di turbina transonica al variare delle condizioni operative, in particolare al variare dei numeri di Reynolds e Mach. Attualmente, la strategia principale per ridurre il consumo di combustibile dei moderni propulsori aeronautici consiste nell’aumentare il rapporto di bypass (BPR), al fine di ottenere un rendimento propulsivo più elevato. Il recente sviluppo tecnologico ha portato dunque all’evoluzione dei tradizionali turbofan nei geared turbofan (GTF), in cui, disaccoppiando le velocità di rotazione del fan e della turbina di bassa pressione (LPT), potendo così fissare velocità di rotazione maggiori per la LPT, è possibile raggiungere bypass ratio maggiori. In questo contesto, l’elevata velocità di rotazione della LPT porta a valori transonici del numero di Mach in uscita dalle schiere palari (M_out>0.8), combinati a valori relativamente bassi del numero di Reynolds, specialmente in condizioni di crociera (Re < 200000). La concomitanza di flusso transonico e basso numero di Reynolds crea una condizione operativa particolarmente complessa, che ha portato all’esigenza di estendere ulteriormente il campo di studio nell’interazione tra effetti di comprimibilità e basso numero di Reynolds, per investigare come ottimizzare il design delle pale. Durante lo svolgimento del presente lavoro di tesi, è stata testata nella galleria del vento transonica, installata presso il laboratorio di Aerodinamica e Turbomacchine dell’Università di Genova, una schiera lineare di pale di turbina transonica, tipica delle moderne LPT, con lo scopo di verificarne le prestazioni al variare delle condizioni operative. I risultati ottenuti sono stati inoltre confrontati con quelli disponibili in un database reperibile in letteratura.

The following thesis focuses on the assesment of the performance of a transonic turbine cascade under varying operating conditions, with particular emphasis on the effects of Reynolds and Mach numbers. Currently, the main strategy adopted to reduce the fuel consumption of modern aero-engines is to increase the bypass ratio (BPR), with the aim of achieving higher propulsive efficiency. Recent technological developments have therefore led to the evolution of conventional turbofan engines into geared turbofan (GTF) architectures. By decoupling the rotational speeds of the fan and the low-pressure turbine (LPT), higher rotational speeds can be achieved for the LPT, thus allowing higher bypass ratios to be attained. In this context, the high rotational speed of the LPT results in transonic Mach numbers at the cascade exit (M_out> 0.8), combined with relatively low Reynolds numbers, particularly under cruise conditions (Re < 200000). The coexistence of transonic flow and low Reynolds numbers represents a particularly complex operating condition, which has motivated further research into the interaction between compressibility effects and low-Reynolds-number flows, with the aim of investigating how turbine blade design can be further optimized.During the course of the thesis work, a linear cascade of transonic turbine blades, representative of modern LPT applications, was tested in the transonic wind tunnel installed at the Aerodynamics and Turbomachinery Laboratory of the University of Genoa. The aim was to assess the aerodynamic performance of the cascade under varying operating conditions. The experimental results obtained were also compared with data available in a database reported in the literature.