Three-dimensional numerical analysis of an axial turbine stage with hot streak injection

In the European RECORD project a series of experimental tests have been performed at Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine (LFM) at Politecnico di Milano. One of the goals of these tests has been to better understand and investigate the behaviour of the flow in a single stage axial turbine when hot streaks are injected ahead of the stator. This thesis work has the purpose to further investigate and provide interpretation of the experimental results through a series of numerical simulations performed by the application of the computational fluid dynamic software ANSYS CFX and the application of a real geometry of the stator blade considering also the presence of a hub clearance. One of the main issues in the stator simulation was the poor accordance between the numerical and the experimental results. For dealing with this problem a modification of the blade geometry has been required. The performed simulations involve both the presence of the boundary layer distribution and the hot streaks one. The last part of this project is dedicated to stator-rotor coupled simulations; where a suitable transformation, for the correct prediction of the stator and rotor behaviour, is shown in order to avoid the introduction of additional approximations and errors.

Nel laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine (LFM) presso il Politecnico di Milano sono state realizzate una serie di prove sperimentali su un singolo stadio di una turbina assiale a gas. Uno degli obiettivi di questi test, all’interno del progetto RECORD, è stato quello di investigare e comprendere meglio lo sviluppo dei flussi secondari e il comportamento del flusso nello stadio quando una serie di getti caldi è stata iniettata a momento dello statore. Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di valutare la correttezza dei dati sperimentali tramite una serie di simulazioni numeriche realizzate con l’ausilio del software di fluidodinamica ANSYS CFX e la corretta modellazione della cavità presente all’hub dello statore. Uno dei problemi fondamentali nella simulazione di questo stadio è rappresentato dalla geometria stessa della pala statorica; a causa di tale problematica l’accordo tra dati numerici e sperimentali è piuttosto scarso. Al fine di trovare soluzione a tale limitazione è stata realizzata una modifica nello stagger angle della palettatura statorica. I casi investigati durante le simulazioni numeriche riguardano sia la presenza del boundary layer in ingresso (per diverse condizioni operative) sia la simulazione dei soli getti caldi in diverse posizioni lungo il canale palare. L’ultima parte del lavoro è stata dedicata alle simulazioni accoppiate; al fine di ridurre il tempo richiesto dalla simulazione e di semplificare il dominio in analisi, è stata richiesta una trasformazione del canale statorico e, conseguentemente, del suo campo di moto.