Confronto numerico RANS–URANS dell’interazione tra flusso principale e di cavità in uno stadio di turbina a gas

Abstract

Il continuo incremento dell’efficienza delle turbine aeronautiche, dovuto principalmente al crescente sviluppo di nuovi materiali ad alte prestazioni, ha portato ad un aumento della temperatura in ingresso turbina (TIT) di circa tre gradi all’anno. Di conseguenza lo sviluppo di sistemi di raffreddamento avanzati è diventato fondamentale per mantenere l’integrità dei materiali. Tali sistemi ad aria secondaria, non solo giocano un ruolo chiave nel raffreddare le pale, ma anche i componenti della turbomacchina che non sono stati progettati per resistere a così alte temperature. Dunque, risulta necessario impedire l’ingestione dei gas caldi, ad esempio, nei dischi della cavità tra statore e rotore. Per evitare un surriscaldamento eccessivo di tali elementi, le attuali strategie mirano alla riduzione delle perdite e al miglioramento dei sistemi di tenuta, puntando all’ottimizzazione del miscelamento tra flusso principale e di cavità all’interno dello stadio. In questo lavoro di tesi vengono condotte simulazioni RANS (Reynolds-Avaraged Navier-Stokes) ed URANS (Unsteady Reynolds-Avareged Navier-Stokes), al fine di studiare l’interazione tra i suddetti flussi a differenti valori di portata di raffreddamento iniettata nella cavità tra statore e rotore. I dati raccolti dalle due tipologie di simulazione vengono analizzati e confrontati per investigare gli effetti dei flussi sulle perdite nello stadio di turbina. Questo studio è mirato a proseguire e approfondire la campagna di ricerca avviata in un precedente lavoro di tesi, nell’ambito di un progetto P.R.I.N. che vede la collaborazione tra l’Università degli studi di Firenze e l’Università degli studi di Genova.

The continuous improvement in the efficiency of aircraft turbines, mainly due to the growing development of new high-performance materials, has brought to an increase in the turbine inlet temperature (TIT) of approximately three degrees per year. Consequently, the development of advanced cooling systems has become crucial to maintain the integrity of the materials. Such secondary air systems not only play a key role in cooling the blades, but also the turbomachine components that were not designed to withstand such high temperatures. Therefore, it is necessary to prevent the ingestion of hot gases, for example, into the cavity discs between the stator and rotor. In order to avoid excessive overheating of these elements, current strategies aim at reducing losses and improving sealing systems, focusing on the optimization of the mixing between the main flow and the cavity flow within the stage. In this thesis work, RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) and URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes) simulations are carried out to study the interaction between the above-mentioned flows at different values of sealing flow rate injected into the cavity between stator and rotor. The data collected from the two types of simulations are analyzed and compared to investigate the effects of the flows on the losses in the turbine stage. This study aims to continue and deepen the research campaign initiated in a previous thesis, in the framework of a P.R.I.N. project involving the University of Florence and the University of Genoa.