Experimental characterization of steam turbine stages: efficiency, blade-row interaction, forces and off-design conditions

The framework of this work is a research contract for the performance measurement and aerodynamic characterization of four different steam turbine stage designs for oil&gas applications. In particular, this thesis develops four major themes, all related to the experimental characterization of these stages. The first few chapters are dedicated to the presentation of the state of the art, of the facility where all the experimental activities have been performed, and of the data post-processing techniques adopted. The first major theme is the turbine performance measurement. Indeed, the most common expressions of the efficiency entail different experimental setups, with different uncertainties. Thus, it is necessary to determine which strategy allows for a reliable comparison between already optimized stages. One chapter is dedicated to the study of possible experimental setups and of how every variable affects the uncertainty. The second topic is the aerodynamic characterization of the stages. A detailed analysis of the local flowfield is presented. Interstage traversing was performed with pressure probes, both steady and unsteady. The blade-row interaction phenomena are identified, and the impact of secondary structures on losses is assessed. Also, the propagating patterns generated by the different rotor/stator blade counts were studied, using a methodology to extend the time-resolved acquired data over the full annulus. The third topic is the estimation of the aerodynamic forces on the rotor using pressure probe measurements. The usual way to measure these forces involves piezoelectric pressure sensors installed on the rotor blades, which is complex and costly (requires a telemetry system). In this work, a simpler but approximated methodology based on time-resolved pressure measurement is proposed, and its accuracy assessed. The fourth and final theme regards the off-design conditions. The last chapter analyses the behaviour of a stage when installed as first reaction stage without a control stage in front. This can translate in severe incidence conditions on the first stator, which give rise to large separation regions. How these loss cores interact with the indigenous secondary structures and how far they propagate is here presented.

Questo lavoro si svolge nell’ambito di un contratto di ricerca per la misura delle performance e per la caratterizzazione aerodinamica di quattro diversi stadi di turbina a vapore per applicazioni oil&gas. In particolare, questa tesi tratta quattro temi principali, tutti legati alla caratterizzazione di questi stadi. I primi capitoli sono dedicati alla presentazione dello stato dell’arte, dell’impianto di prova in cui sono state condotte tutte le attività sperimentali, e delle tecniche di post-processing dei dati. Il primo tema principale riguarda la misura delle performance della turbina. Infatti, le formulazioni più comuni dell’efficienza comportano setup sperimentali differenti, con incertezze diverse. Perciò, è necessario determinare quale strategia permetta un confronto affidabile tra stadi già ottimizzati. Un capitolo è dedicato allo studio dei possibili setup sperimentali e di come ogni variabile influenzi l’incertezza. Il secondo tema è la caratterizzazione aerodinamica degli stadi. Viene presentata un’analisi dettagliata del campo di moto locale. Il traversing interstadio è stato effettuato con sonde di pressione, di tipo sia stazionario che instazionario. Sono stati identificati i fenomeni di interazione rotore-statore, ed è stato valutato l’impatto delle strutture secondarie sulle perdite. Inoltre, sono stati studiati i pattern propaganti generati dal diverso numero di pale di rotore e statore, usando una metodologia per estendere i dati definiti nel tempo su tutto il canale anulare. Il terzo tema riguarda la stima delle forzanti aerodinamiche sul rotore usando i dati ottenuti da sonde di pressione. Le usuali metodologie per misurare queste forze richiedono sensori piezometrici installati sulle pale del rotore, il che è complesso e costoso (richiede un sistema di telemetria). In questo lavoro si propone un metodo più semplice, ma approssimato, basato su misure di pressione definite nel tempo, e se ne valuta l’accuratezza. Il quarto e ultimo tema riguarda le condizioni di fuori progetto. L’ultimo capitolo analizza il comportamento di uno stadio quando viene installato come primo stadio a reazione senza essere preceduto da uno stadio di controllo. Ciò può tradursi in severe condizioni di incidenza sul primo statore, il che dà origine ad ampie regioni di separazione. Qui si presenta il modo in cui questi nuclei di perdita interagiscono con le strutture secondarie indigene e quanto lontano si propagano attraverso le schiere.