Studio numerico dell’interazione instazionaria tra flusso principale e di cavità in una turbina di alta pressione in condizioni di design e off-design

Abstract

Il presente lavoro di tesi analizza gli effetti fluidodinamici e prestazionali associati alla presenza della cavità tra disco statorico e disco rotorico in uno stadio di turbina di alta pressione di un motore turbofan aeronautico. In particolare, lo studio si concentra sull’interazione tra il flusso principale e la portata di aria di raffreddamento, utilizzata per limitare l’ingestione di gas caldi e garantire la protezione dei componenti strutturali. Dopo un inquadramento sul funzionamento dei motori aeronautici e sui principali meccanismi di perdita nelle turbomacchine, vengono analizzati i fenomeni fluidodinamici responsabili della riduzione dell’efficienza aerodinamica, con particolare attenzione ai flussi secondari e ai processi di miscelazione tra flusso principale e flusso di purge. L’attività di ricerca è stata svolta mediante simulazioni numeriche CFD di tipo URANS eseguite su un impianto sperimentale dell’Università di Firenze, i cui risultati sono stati validati con i dati sperimentali disponibili. Il presente lavoro di tesi è stato svolto all’interno di un progetto PRIN, in collaborazione con l’Università di Firenze I risultati ottenuti permettono di valutare l’influenza della portata di purge sulle perdite aerodinamiche dello stadio, evidenziando l’esistenza di un compromesso ottimale tra esigenze di raffreddamento e prestazioni della turbina, e forniscono una base per futuri studi di ottimizzazione delle turbomacchine aeronautiche.

This thesis analyzes the fluid dynamic effects and performance impacts associated with the presence of the rim seal cavity between the stator and rotor discs in a high-pressure turbine stage of an aircraft turbofan engine. Specifically, the study focuses on the interaction between the mainstream flow and the cooling air mass flow, which is utilized to mitigate hot gas ingestion and ensure the protection of structural components. Following an overview of aero-engine operation and the primary loss mechanisms in turbomachinery, the fluid dynamic phenomena responsible for the reduction in aerodynamic efficiency are analyzed. Particular attention is paid to secondary flows and the mixing processes between the mainstream and the purge flow.The research activity was conducted using URANS CFD numerical simulations performed on an experimental facility at the University of Florence; the results were validated against available experimental data. This work was carried out as part of a PRIN project, in collaboration with the University of Florence. The results obtained allow for an evaluation of how the purge flow rate influences the stage's aerodynamic losses, highlighting the existence of an optimal trade-off between cooling requirements and turbine performance, and provide a foundation for future optimization studies of aeronautical turbomachinery.