Analisi dell’interazione tra flusso di cavità e flusso principale attraverso lo studio delle strutture vorticose in turbine ad alta pressione

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 mediante simulazioni numeriche basate su modelli URANS (Unsteady-Reynolds-Averaged Navier–Stokes). L’obbiettivo principale è identificare le traiettorie dei vortici secondari all’interno del canale palare per valutare gli effetti che ha il flusso di tenuta e la presenza stessa della cavità sullo sviluppo di essi e di conseguenza sulle perdite dello stadio. A tale scopo sono state effettuate diverse simulazioni numeriche con e senza la presenza della cavità e variando il valore della portata di tenuta al fine di effettuare un confronto tra le diverse condizioni operative. L’individuazione delle traiettorie dei vortici è stata resa possibile grazie allo sviluppo di un codice di post-processing su MATLAB in grado di localizzare i vortici tramite il metodo del Q-criterion e ricavare poi le traiettorie implementando un algoritmo di clustering. I risultati ottenuti forniscono indicazioni utili allo studio dello sviluppo dei vortici secondari in presenza di flusso di cavità al fine di cercare soluzioni ingegneristiche ottimizzate per diminuire le perdite nel canale e quindi migliorare l’efficienza complessiva dello stadio di turbina, contribuendo anche a ottenere un minor impatto ambientale.

This thesis work focuses on analyzing the interaction between the main flow of a high-pressure aeronautical turbine and the purge flow within the stator-rotor cavity using numerical simulations based on Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (URANS) models. The main objective is to identify the trajectories of secondary vortices within the blade passage to evaluate the effects of the purge flow and the presence of the cavity itself on their development and, consequently, on stage losses. To this end, several numerical simulations were performed both with and without the cavity, varying the purge flow rate to compare different operating conditions. The identification of vortex trajectories was made possible through the development of a MATLAB post-processing code capable of localizing vortices via the Q-criterion method and subsequently extracting their trajectories by implementing a clustering algorithm. The obtained results provide valuable insights into the development of secondary vortices in the presence of cavity flow, aiming to identify optimized engineering solutions to reduce passage losses and improve the overall efficiency of the turbine stage, thereby contributing to a lower environmental impact.