Compressibility effect on the unsteady blade raw interaction in a HP turbine stage

The unsteady aerodynamic interaction in a high-pressure turbine stage is a topic of high relevance in the energy and aeroengines technology; it still asks for great amounts of work and analysis to further develop their design, focused on the optimization of turbomachines. An extensive experimental campaign has been performed in the present work, focused on the compressibility effect in a high-pressure axial turbine stage. The gas turbine considered is installed in the Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine of the Politecnico di Milano; it is a single axial stage, which can be operated both in subsonic and transonic conditions. Five different operative points with different expansion ratios and constant rotor incidence have been considered. This has been pursued adopting similar velocity triangles at the stator exit section, all characterized by a constant peripheral speed coefficient. The main focus of the present work is the analysis of the flow unsteadiness, both at the inlet and outlet rotor sections, as function of the compressibility effect, given a constant rotor incidence. With this purpose, unsteady measurements have been done both downstream of the stator and of the rotor cascade, using fast response probes. This experimental setting has also allowed the investigation of turbulent fluctuations, as well as a comparisons between the results provided by different probes. The main flow field magnitudes will be analyzed and discussed at both the measuring sections, focusing on the secondary flow features and loss mechanisms. The compressibility effects will be also studied in relation to the Similarity Theory approach; infact, the complete similarity can not be guaranteed downstream of the rotor cascade, mainly due to temperature constraints, even if similar conditions have been imposed at the rotor inlet section. An overall characterization of the stage efficiency will be finally provided, in order to investigate the stage performance as function of the operative conditions imposed, exploiting its relation with the main total pressure loss contributions.

Lo studio dell’instazionarietà nelle turbine assiali, che intrinsecamente caratterizza le interazioni tra schiere palari in stadi di alta pressione, è una tematica molto rilevante nello sviluppo tecnologico in ambito energetico e dei motori aerei. Vi è ancora margine infatti per l’ottimizzazione della progettazione dei componenti di turbine a gas, al fine di migliorarne le prestazioni. In questo lavoro è stata svolta un’ampia campagna sperimentale, volta all’analisi degli effetti della comprimibilità in turbine assiali di alta pressione. La turbina a gas oggetto delle prove svolte, si trova nel Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine presso il Politecnico di Milano; essa è caratterizzata da un singolo stadio, e può operare sia in regime subsonico che transonico. Sono state considerante cinque differenti condizioni operative dell’impianto, caratterizzate da diversi rapporti di espansione, e incidenza costante sul rotore; è stato possibile ottenere questa configurazione imponendo triangoli di velocità simili allo scarico dello statore, caratterizzati da un coefficiente di velocità periferica costante. Il principale obiettivo di questo lavoro è l’analisi delle componenti instazionarie del flusso, in funzione del rapporto di espansione, a incidenza sul rotore costante. Al fine di poter studiare questi fenomeni, sono state condotte misure instazionarie sia a valle statore che a valle rotore, utilizzando sonde ad alta risposta in frequenza. Ciò ha reso inoltre possibile un’analisi della turbolenza del flusso, arrivando anche a confrontare risultati ottenuti con diverse sonde. Le principali grandezze fluidodinamiche saranno discusse ed analizzate sia a valle statore che a valle rotore, con particolare attenzione alle strutture secondarie ed ai meccanismi di perdita. L’effetto della comprimibiltà sarà inoltre trattato in relazione alla Teoria della Similitudine; infatti, condizioni di completa similitudine non possono essere garantite a valle rotore, principalmente a causa dei limiti fisici legati alla variazione di temperatura, nonostante esse siano state imposte all’ingresso del rotore stesso. Infine, ogni condizione operativa sarà caratterizzata in termini di efficienza dello stadio, in maniera tale da valutare le performance di quest’ultimo alle condizioni operative imposte, andando ad indagare in particolar modo il legame tra l’efficienza e i principali meccanismi di perdita.