Time-resolved numerical analysis of an axial turbine stage through time-inclined and harmonic-balance methods

The thesis consists in the application and assessment of two different models to simulate the time-resolved flow in a highly loaded, low aspect ratio turbine stage. The first one is a temporal model based on time inclination capable of solving phase-lag problems, called Time Transformation; the second one is frequency-domain method, the Harmonic Balance, both of them implemented in the commercial software ANSYS CFX. First, these two methodologies are applied to a bi-dimensional stator-rotor configuration. The aim of these preliminary investigations is to study the issues coming from the different blade rows pitch in the time-domain definition, while, for the second model, the scope is to define the effect of the considered modes increment. Finally, the two simulations are put under comparison to determine the differences in terms of time-resolved results and computational costs. Then, a fully 3D turbine stage is studied. The same type of analysis used in the two-dimensional model is performed. In addition, the results are compared with the experimental data obtained, for the same turbine stage, in the Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine at Politecnico di Milano to investigate the validity of these models in representing the actual flow configuration and their capability to match the measured performance data. Keywords: turbine stage, CFD, phase-lag, harmonic balance, time-inclined method.

Il lavoro di tesi consiste nell'applicazione e valutazione di due differenti modelli per simulare il flusso risolto nel tempo di uno stadio di turbina di alta pressione. Il primo è un modello temporale basato sull'inclinazione del tempo capace di risolvere problemi caratterizzati da phase-lag, chiamato Time Transformation; il secondo è un metodo nel dominio delle frequenze, l’Harmonic Balance, entrambi implementati nel software commerciale ANSYS CFX. Inizialmente, queste due metodologie vengono applicate ad una configurazione bidimensionale statore-rotore. L'obiettivo di queste indagini preliminari è lo studio delle problematiche che derivano dall’impiego di un differente numero di pale tra rotore e statore nel modello temporale, mentre per il secondo lo scopo è definire quale sia l'effetto dell’incremento delle armoniche considerate. Infine, le due simulazioni sono confrontate per determinare le differenze tra queste in termini di risultati e costo computazionale. In seguito, l'intero stadio di turbina viene studiato. Lo stesso tipo di analisi usato nel modello 2D viene impiegato. Inoltre, i risultati delle simulazioni sono confrontati con i dati sperimentali ottenuti, per lo stesso stadio di turbina, presso il Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Politecnico di Milano per investigare la validità di questi modelli nel rappresentare la configurazione attuale del flusso e la loro capacità di corrispondere ai dati di performance misurati. Parole chiave: stadio di turbina, CFD, phase-lag, harmonic balance, metodo time-inclined.