Caratterizzazione del flusso tridimensionale all'interno di un diffusore di turbina a gas

The main focus of the present work is the investigation of the flow field inside a 1:8 scaled model of a gas turbine exhaust axial diffuser owned by Ansaldo Energia. The entire experimental campaign has been carried out using the LS Closed Loop Test Rig at Politecnico di Milano. The setup consists, above all, of the model itself composed by an annular part followed by a conical divergent part. The presence of five struts and a free aerodynamic profile-duct, that simulates the lubrication pipe in real application, characterize the annular diffuser. Furthermore, in order to reproduce the flow field entering the diffuser, that is, the exhaust flow coming from the last LP turbine stage, two sets of inlet guide vanes have been used to simulate the full load (Base Load) and the part load (Minimum Load) operation of the gas turbine. With the aim of characterizing the flow behavior and the performance of the diffuser, two kind of experimental approaches have been followed: the first, based on steady measurements with five-hole probes, placed inside the arranged sections (equal in number to 9) along the axial development of the model, and on the acquisition of the many pressure taps (over 100) situated on the walls; the second, based on hot wire anemometry technique in order to investigate the flow field within separated and/or recirculating regions. In particular, the unsteady measurements in these regions have allowed the identification of potentially dangerous frequencies, especially for the last turbine stages. The fundamental phase of the work (five hole probe measurements) consists in an operation of traversing in secondary planes downstream the struts, which is able to describe locally the main characteristics of the flow field both in an angular sector interested by the presence of the obstruction (lubrication pipe) and in an angular sector approximately opposite to the previous one, in order to assess in a comparative manner the effects induced in the flow downstream. One of the main purposes of the work is the validation of CFD codes used by AEN for the design and the verification of axial diffusers behavior for real applications, in part load conditions. Indeed, currently, renewable sources occupy a growing part in the market of electricity production and heat engines, for their ability to work at different load, are often found to operate far from the BEP (Best Efficiency Point). However, the present discussion will not cover the validation phase of calculation codes, for reasons of confidentiality imposed by the industrial partner.

Il principale obiettivo del presente lavoro è l’indagine del campo di moto all’interno di un modello di diffusore assiale di turbina a gas, di proprietà Ansaldo Energia (AEN), in scala 1:8 rispetto al componente reale. L’intera campagna sperimentale è stata condotta nel Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Politecnico di Milano sfruttando l’LS Closed Loop Test Rig. Il setup di prova consiste, innanzitutto, nel modello costituito da un tratto di diffusore anulare, seguito da un tratto conico divergente vero e proprio. Il diffusore anulare è caratterizzato dalla presenza di cinque razze e di un ostacolo privo di profilo aerodinamico che simula il condotto con cui, nell’applicazione reale, viene portata la lubrificazione al vano cuscinetti e costituisce un elemento di forte non-assialsimmetria. Inoltre, per riprodurre il campo di moto in ingresso al diffusore, ovvero il flusso allo scarico dell’ultimo stadio LP della turbina, sono stati utilizzati due set di pale pre-direttrici dei quali, uno impiegato per simulare la condizione nominale di funzionamento del diffusore (Base Load) e l’altro per simulare la condizione fuori progetto a carico minimo (Minimum Load). Con lo scopo di caratterizzare il comportamento fluidodinamico e le performance del diffusore, sono stati seguiti due approcci sperimentali: il primo, basato su misure stazionarie mediante sonde a cinque fori posizionate in corrispondenza di alcune sezioni (9 in totale), appositamente predisposte lungo lo sviluppo assiale del modello, e sulle letture di pressione statica provenienti dalle numerose (oltre 100) pressure taps collocate a parete; il secondo, basato su tecniche di anemometria a filo caldo per integrare le misure precedenti e approfondire l’indagine nelle regioni di flusso separato e/o di ricircolo. In particolare, in queste regioni, le misure instazionarie hanno consentito di identificare la presenza di frequenze potenzialmente dannose soprattutto per gli ultimi stadi della turbina. La fase fondamentale del lavoro, ovvero la campagna di prove mediante sonde a cinque fori, consiste in un’operazione di traversing in piani secondari a valle delle razze, attraverso la quale si è in grado di descrivere puntualmente le grandezze principali del campo di moto sia in un settore angolare interessato dalla presenza dell’ostruzione (canale porta-olio) che in un settore tendenzialmente opposto al precedente, per valutare in maniera comparativa gli effetti indotti sul campo di moto. Uno degli scopi principali del lavoro consiste nella validazione di codici CFD utilizzati da AEN per la progettazione e la verifica del comportamento di diffusori assiali per applicazioni reali, in condizioni di forte parzializzazione. Infatti, attualmente, le fonti rinnovabili occupano una quota sempre crescente nel settore della produzione di energia elettrica, per cui le macchine termiche, per la loro possibilità di funzionare a diverso carico, si trovano spesso ad operare in condizioni lontane dal BEP (Best Efficiency Point). Tuttavia, la presente trattazione non coprirà la fase di validazione dei codici di calcolo, in quanto protetti da segreto industriale.