Analisi sperimentale delle performance di uno stadio di turbina assiale con differenti tipologie di tenute

This work is based on an experimental campaign, carried out in Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine at Politecnico di Milano, which regards the study of a one and a half axial turbine stage, designed and manufactured by General Electric Oil&Gas and tested in the Low Speed Closed Loop Test Rig facility. The setup consists of a stator, a rotor and a second stator, preceded by a row of inlet guide vanes (IGV). This configuration was chosen in order to better replicate the actual operative conditions of the stage. In particular, the IGV row simulates the presence of a previous rotor, while the second stator allows for the introduction of a realistic static pressure field (back pressure) at the outlet. The main purposes of the following investigation regard the performance analysis of the machine, an in-depth study on how the uncertainties characterizing the measured quantities affect the parameters of efficiency and the characterization of the behavior of the machine, both in terms of flow field and of performance, with four different types of seals (three traditional labyrinth seals and a newly designed brush seals). The measurement instruments used throughout the experimental campaign (in part provided by GE, in part designed and manufactured by Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine) are described in detail. The study of the uncertainties propagation was required in order to evaluate the quality of the measurement plant used to calculate the performance of a one and a half turbine stage for the different seals configurations. These data were used to determine the best design in terms of efficiency, describing at the same time the effects of different types of seals on the local flow field.

Questo lavoro si basa sulla campagna sperimentale condotta all’interno del Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine, presso il Politecnico di Milano, e concerne lo studio di uno stadio e mezzo di turbina a vapore assiale, progettata e realizzata da General Electric Oil & Gas e testata attraverso l’ausilio del banco prova Low Speed Closed Loop Test Rig. Il setup consiste in uno statore, un rotore ed un secondo statore, il tutto preceduto da una schiera di inlet guide vanes (IGV). Questa configurazione è stata scelta al fine di replicare al meglio le effettive condizioni a cui lo stadio va ad operare. In particolar modo, la schiera delle IGV simula la presenza di un rotore a monte dello stadio e mezzo mentre il secondo statore permette di introdurre una campo di pressione verosimile (back pressure) all’uscita. Le principali finalità del seguente lavoro di tesi riguardano un’analisi delle prestazioni che è in grado di fornire la macchina, uno studio approfondito su come le incertezze da cui sono affette tutte le grandezze misurate possono propagarsi sui rendimenti calcolati e la caratterizzazione del comportamento della macchina con quattro differenti tipologie di tenute di estremità (tre tradizionali a labirinto ed una di nuova concezione a setole (brush)), sia dal punto di vista delle performance che dal punto di vista del campo di moto. Gli strumenti di misura impiegati per tutto il corso della campagna sperimentale (in parte forniti da GE per le misure globali ed in parte progettati e realizzati in seno al Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine per le misure di dettaglio del campo di moto) vengono descritti in dettaglio. Lo studio della propagazione delle incertezze è stato fondamentale per valutare la qualità dell’impianto di misura utilizzato per determinare le prestazioni dello stadio e mezzo di turbina assiale con differenti tipologie di tenute. I parametri così ottenuti sono stati impiegati per determinare la miglior configurazione in termini di rendimento, descrivendo allo stesso tempo gli effetti dati dalle diverse tenute sul campo di moto locale.