Analisi numerica dell'influenza della portata di iniezione in cavità sul flusso principale di una turbina di alta pressione in una configurazione di cavità non-convenzionale

Abstract

L’attività di tesi si concentra sull’analisi dell’interazione tra il flusso principale di una turbina aeronautica di alta pressione e il flusso di tenuta nella cavità interposta fra statore e rotore, caratterizzata da una geometria non convenzionale, mediante simulazioni numeriche basate su modelli URANS (Unsteady-Reynolds-Averaged Navier-Stokes). L’obiettivo principale è valutare l’influenza della portata del fluido di tenuta, prelevato dal compressore e iniettato nella cavità, sul comportamento fluidodinamico complessivo e sulle perdite di efficienza dello stadio di turbina, al variare delle condizioni operative e del coefficiente di portata di purge. A tale scopo, sono state condotte simulazioni numeriche variando le condizioni operative e incrementando progressivamente la quantità di aria di tenuta, al fine di analizzare l’impatto di tale flusso sulla distribuzione delle principali grandezze fluidodinamiche – coefficiente di pressione totale, velocità e angolo di flusso. I risultati consentono di quantificare gli effetti delle differenti configurazioni di raffreddamento e di comprendere i meccanismi di scambio e interazione tra i due flussi. L’analisi dei dati ottenuti fornisce indicazioni utili per ottimizzare la gestione dell’aria di tenuta, ridurre le perdite aerodinamiche e migliorare l’efficienza complessiva dello stadio di turbina, contribuendo, così, a un minor impatto ambientale e allo sviluppo di soluzioni progettuali più performanti per applicazioni aeronautiche future. Questo lavoro di tesi fa parte di un progetto PRIN, nato dalla collaborazione tra l’Università degli Studi di Firenze e l’Università degli Studi di Genova.

This thesis focuses on the analysis of the interaction between the turbine main flow of a high-pressure aircraft turbine and the seal air flow in the cavity located between the stator and the rotor, characterized by a non-conventional geometry, by means of numerical simulations based on URANS (Unsteady-Reynolds-Averaged Navier-Stokes) models. The main objective is to evaluate the influence of the seal air mass flow rate, extracted from the compressor and injected into the cavity, on the overall fluid-dynamic behaviour and on the efficiency losses of the turbine stage, as a function of the operating conditions. To this end, numerical simulations were conducted by varying the operating conditions, gradually increasing the purge air flow rate, in order to analyse its impact on the distribution of the main fluid-dynamic quantities - namely total pressure coefficient, velocity, and flow angle. The results allow for a quantitive assessment of the effects of different cooling configurations and a detailed understanding of the interaction mechanisms and mass and energy exchange between the two flows. The analysis of the data obtained provides useful information for optimising seal air flow management, reducing aerodynamic losses, and improving the overall efficiency of the turbine stage, thus contributing to reduced environmental impact and the development of more efficient design solutions for future aeronautical applications. This thesis work is part of a PRIN project, developed through a collaboration between the University of Florence and the University of Genoa.