Confronto del flusso instazionario di due statori strutturali di turbina sotto l’influenza di flussi di raffreddamento

Abstract

La domanda per un settore dei traporti eco-sostenibile è aumentata significativamente negli ultimi decenni. Il settore dell'aviazione è stato attivamente impegnato nella ricerca di nuove soluzioni ingegneristiche per motori mirati a ridurre il peso e il consumo di carburante. Questa tesi presenta uno studio sperimentale del comportamento aerodinamico di due statori strutturali di turbina (TVF). Il TVF è un condotto a forma di S dotato di strut e splitter. Collega la turbina di alta pressione alla turbina di bassa pressione. I due impianti sperimentali hanno uno stadio comune di turbina di alta pressione ma diverse configurazioni di TVF e rotore di bassa pressione. Una delle due configurazioni TVF presenta una geometria single-splitter (TVF1), mentre la seconda utilizza una geometria twin-splitter (TVF2). L'assetto sperimentale include anche un sistema di alimentazione di aria secondaria, che può introdurre aria, detta “di purge” nelle cavità statore-rotore presenti. Il set di dati include due diverse condizioni di flusso di aria “di purge” (PFR), il punto di progettazione aerodinamica (ADP) con PFR = 100% e il caso PFR = 0%. Gli esperimenti sono stati condotti sul Transonic Test Turbine Facility (TTTF) all’Istituto di Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics presso l’Università di Tecnologia di Graz. Questo lavoro discute le misurazioni ottenute con la stessa fast-response aerodynamic pressure probe a testa sferica (sFRAPP) a monte e a valle dei due TVF. Il root-mean square (RMS) delle fluttuazioni di pressione totale identifica strutture di flusso secondarie. L'analisi modale azimutale identifica e quantifica i diversi modi di interazione che contribuiscono al campo di flusso instazionario utilizzando dati di pressione totale mediati in fase. Il campo di flusso instazionario all'ingresso del TVF è caratterizzato da caratteristiche simili in entrambe le configurazioni, consentendo un confronto equo tra i due progetti. Al contrario, entrambe le configurazioni mo..

The demand for environmentally friendly transportation alternatives has increased significantly in recent decades. The aviation sector has pursued new engine concepts to reduce weight and fuel consumption. This thesis presents an experimental study of the aerodynamic behavior of two turbine vane frames (TVFs). The TVF is an S-shaped duct equipped with turning struts and splitters. It connects the high-pressure turbine to the low-pressure turbine. The two test vehicles have a common high-pressure turbine stage but different TVF and low-pressure rotor setups. One of the two TVF configurations features a single-splitter (TVF1), while the second uses a twin-splitter geometry (TVF2). The test setup also includes a secondary air supply system, which can purge air to stator-rotor cavities in the test vehicle. The dataset consists of two different purge flow ratio (PFR) conditions, the aero design point (ADP) with PFR=100% and the PFR=0% case. The experimental tests were conducted in the Transonic Test Turbine Facility (TTTF) at the Institute of Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics at Graz University of Technology. This work discusses the measurements obtained with the same spherical fast response aerodynamic pressure probe (sFRAPP) upstream and downstream of the two TVFs. The root-mean-square (RMS) of the total pressure fluctuations identifies secondary flow structures. The azimuthal modal analysis identifies and quantifies the different interaction modes contributing to the unsteady flow field using phase-average total pressure data. Both setups have similar features characterized by the unsteady flow field at the TVF inlet, allowing a fair comparison between the two TVF designs. In contrast, both configurations show different flow phenomena downstream of the TVF.