Calibration and data reduction of heat transfer measurements for transient turbomachinery testing

Modern gas turbine engines performance improvement is closely related to turbine inlet temperature increase. Accordingly, there is growing need of efficient cooling strategies especially for the high pressure turbine stage. Rotor casing is subject to extreme thermal stresses induced by unsteady heat fluxes. The relative motion between passing rotor blade and stationary casing generates tip flows with potentially critical detrimental effects on the components. An experimental campaign aiming at the understating of this complex phenomenon was carried out in the von Karman Institute for Fluid Dynamics compression tube facility CT3. Rotor casing heat transfer has been monitored employing a removable casing insert equipped with 35 double layer thin-film gauges. This kind of sensor consists of a thin-film of Nickel located on a multilayer substrate. The heat transfer measurement system has a high frequency response. Under the assumptions of one-dimensional conduction and semi-infinite substrate, it is possible to solve the temperature field in the solid model. The one-dimensional unsteady conduction equation can be solved using a Crank-Nicholson discretization scheme. The present work pursues the calibration of the complete measurement chain and the development of the data reduction routines for transient heat transfer measurements in short duration tests. A static calibration is performed to characterize the temperature-resistance relationship for the thin-film gauges. The signal conditioning unit is characterized through a resistance-voltage static calibration and an accurate analysis of the relevant transfer functions. A numerical tool is developed in order to deboost the amplified signal. In order to infer the heat flux from the sensor temperature history, the thermal thickness (l/k_1) of the first layer and the thermal product (√ρck) of both substrates must be calibrated. The calibration consists of subjecting the thin-film to a sudden heating from a hot air jet. The recorded wall temperature is used to retrieve the thermal properties using an optimization procedure. A numerical propagation of the error quantifies the final uncertainty on the computed heat flux values for blow-down test representative conditions.

L’incremento delle prestazioni delle moderne turbine a gas è strettamente legato all’aumento della temperatura di ingresso in turbina. Parimenti, cresce la necessità di efficienti strategie di raffreddamento dello stadio di turbina di alta pressione. La cassa rotorica è soggetta ad estremi stress termici generati da flussi di calore instazionari. Il moto relativo tra pale rotanti e cassa stazionaria genera trafilamenti con effetti deleteri e potenzialmente critici sui componenti. Una campagna sperimentale volta alla comprensione di questo complesso fenomeno è stata intrapresa nel compression tube CT3 del von Karman Institute for Fluid Dynamics. Misure di scambio termico sulla cassa rotorica sono state eseguite mediante un inserto removibile in lega d’ alluminio dotato di un array di sensori a film sottile (double layer thin-film). Questo tipo di dispositivo consiste in un sottile film di Nickel collocato su un supporto multistrato. Il sistema di misura di scambio termico ha un’alta risposta in frequenza. Sotto le ipotesi di conduzione monodimensionale e substrato semi-infinito, è possibile risolvere la distribuzione di temperatura nel solido. L’equazione del calore in forma instazionaria può essere risolta utilizzando metodi numerici come lo schema di Crank-Nicholson. Il seguente lavoro di tesi riporta il processo di calibrazione dell’intera catena di misura e lo sviluppo della data reduction per misure di scambio termico in test in regime transitorio. Una calibrazione statica è eseguita per determinare la relazione tra resistenza e temperatura per i sensori a thin-film. L’unità di condizionamento del segnale è caratterizzata tramite una calibrazione statica (resistanza-tensione) ed un’accurata analisi delle funzioni di trasferimento applicabili. Una strategia di demodulazione è sviluppata al fine di recuperare il segnale originale. Per dedurre lo scambio termico dall’evoluzione di temperatura del thin-film, la thermal thickness l/k_1 e il termal product (√ρck) dei due substrati che compongono il dispositivo devono essere calibrati. La calibrazione consiste nel sottoporre il sensore ad un repentino riscaldamento per mezzo di un getto d’ aria calda. La temperatura misurata è utilizzata per ricavare le proprietà termiche tramite una procedura di ottimizzazione. Una propagazione numerica dell’errore quantifica l’incertezza finale sul flusso termico calcolato per condizioni rappresentative di un blow-down test.