Design and development of a miniaturized fast-response multi-hole probe for flow directional measurements in turbomachinery

Turbomachinery are characterized by unsteady flows such as, wake, secondary flows, tip clearance flows and stator-rotor interactions. The frequency content of these unsteadiness extends to several multiples of the blade passing frequency, which, in general, is in the range of 2-10 kHz. The understanding of the flow features is of paramount importance for the design and optimization of a new generation of turbomachinery. The availability of accurate experimental data set allows for the tuning of computational codes and the development of new ones. Fast response aerodynamic probe is a common measurement technique used to perform timeresolved flow measurements in turbomachines. The main advantages are robus tnessand simplicity of operation. A literature survey on the state of art of miniaturized fast response aerodynamic probes is provided. The aim of the present work is to design and test a fast response miniaturized aerodynamic probe characterized by high frequency response, high measurement accuracy, easy manufacturing and cost effectiveness. The final purpose of the designed probe is to perform, in the future, three-dimensional unsteady flow measurements in the short duration turbine test rig at the von Karman Institute for Fluid Dynamics. Theoretical models for the prediction of the natural frequency of the line-cavity systems are presented. The design of the probes, with four and five holes, is analyzed in detail. Many external geometries are taken into account. The effect of the hole direction is analyzed. Different arrangement of the sensors are compared in order to find the optimal configuration. Technical drawings of the final probes are presented. A five-hole probe prototype is manufactured and calibrated in the shock tube. The procedure for the transfer function estimation is reported in detail. Finally, CFD numerical simulations of the five-hole probe are performed. They aim at analyzing the effect of the vortex shedding on the pressure readings and, at characterizing the dynamic behaviour of the line-cavity systems.

Le turbomacchine sono caratterizzate da flussi instazionari, ad esempio, scie, flussi secondari, flussi al tip delle pale e interazioni tra statore e rotore. Il contenuto in frequenza di questi fenomeni instazionari, si estende a diversi multipli della frequenza di passaggio delle pale che, in generale, è inclusa tra 2 - 10 kHz. La comprensione delle caratteristiche del flusso è di estrema rilevanza per la progettazione e ottimizzazione delle nuove generazioni di turbomacchine. La disponibilità di dati sperimentali accurati permette di migliorare i codici computazionali e svilupparne di nuovi. Le sonde aerodinamiche ad alta risposta in frequenza sono un metodo di misura ampiamente diffuso per effettuare misurazioni del flusso delle turbomacchine, risolte nel tempo. I principali vantaggi di questa tecnica di misura sono la robustezza e la semplicità di funzionamento. Una rassegna bibliografica sullo stato dell’arte di sonde di pressione miniaturizzate, ad alta risposta in frequenza, è stata effettuata. L’obiettivo del lavoro è quello di progettare e testare una sonda aerodinamica miniaturizzata e caratterizzata da alta risposta in frequenza, elevata accuratezza di misura, facilità di fabbricazione e un costo contenuto. Lo scopo finale della sonda sarà di effettuare misure tridimensionali e risolte nel tempo, del flusso a valle del rotore della turbina del banco di prova CT-3 presente al von Karman Institute for Fluid Dynamics. Sono presentati i modelli teorici per stimare la frequenza natural dei sistemi linea-cavità. La progettazione delle sonde, con quattro e cinque fori, è analizzata in dettaglio. Vengono prese in considerazione diverse geometrie esterne ed è analizzato l’effetto della direzione dei fori. Sono messe a confronto diverse collocazioni dei sensori al fine di individuare quella ottimale e sono presentati i disegni tecnici delle sonde. Un primo prototipo di sonda di pressione a cinque fori è realizzato e testato nel tubo ad onda d’urto. Infine, analisi numeriche CFD, della sonda a cinque fori, sono realizzate con lo scopo di quantificare l’effetto del vortice sulle letture di pressione dei sensori e, caratterizzare il comportamento dinamico dei sistemi linea-cavità.