Analisi CFD degli effetti della variazione del gioco d'apice in un modello di turbina assiale

Abstract

La seguente tesi si pone come obbiettivo l’analisi degli effetti della dimensione del gioco d’apice sulle perdite derivanti dai flussi di trafilamento all’apice di una pala rotorica in una turbina assiale. Tra le perdite caratterizzanti una turbina, quelle derivanti dal flusso di trafilamento risulta- no essere controllabili e limitabili, modificando la geometria palare; per questo l’analisi di tali flussi risulta fondamentale. Lo studio è stato svolto utilizzando un modello numerico della turbina assiale della RWTH Aachen University di Aachen in Germania. In particolare si è utilizzato un software CFD, che permettesse di rappresentare tale modello e simulare il comportamento del flusso nelle diverse condizioni considerate, al variare del gioco all’apice del rotore, con lo scopo di valutare gli effetti di tale variazione. Partendo dal valore di tip clearance nominale, si sono confrontati i risultati ottenuti con casi studio con medesime di- mensioni caratterizzanti la turbomacchina, ad eccezione della dimensione del gioco d’apice. Nel dettaglio, oltre al gioco nominale della turbina di Aachen, sono stati analizzati tre valori distinti di tip gap. I risultati sono stati valutati sia tramite l’analisi del campo di moto e di grandezze termodi- namiche in diversi piani della macchina, sia attraverso il confronto delle distribuzioni radiali delle grandezze in esame ottenute attraverso la media in direzione circonferenziale, al fine di valutare e confrontare grandezze significative descriventi il comportamento del fluido per i quattro casi studiati.

The following thesis aims to analyze the effects of the tip clearance size on losses resulting from leakage flows at the tip of a rotor blade in an axial turbine. Among the losses characterizing a turbine, those resulting from leakage flows are easily controllable and limitable by modifying the blade geometry; hence the analysis of such flows is fundamental. The study was conducted using a numerical model of an axial turbine from RWTH Aachen University in Aachen, Germany. Specifically, a CFD software was used to represent the model and simulate the flow behavior under different considered conditions, varying the tip clearance at the rotor tip, with the purpose of evaluating the effects of this variation. Starting from the nominal tip clearance value, the obtained results were compared with case studies having the same characteristic dimensions of the turbomachinery, except for the tip clearance size. In detail, besides the nominal tip clearance of the Aachen turbine, three distinct values of tip gap were analyzed. The results were analyzed through the examination of the flow field and thermodynamic quantities in different planes of the machine, as well as comparing the radial distributions of the examined quantities obtained through circumferential averaging, in order to evaluate and compare significant quantities describing the fluid behavior for the four studied cases.