Conception and numerical characterization of a passive control strategy for tip clearance loss reduction in unshrouded high-pressure turbine blades

The present work regards the conception of a novel blade tip design for unshrouded turbomachinery. Coanda effect has been extensively characterized and exploited to propose a tip contour with superior performance. A wide comparison with flat and squealer like tips has been carried out to assess the competitiveness of such new design with nowadays most diffused technology. The parametrization of the tip geometry was obtained using Bezier splines, automatically generated using Matlab® scripts, while steady state and unsteady 2D numerical simulations were carried out using NUMECA™. Performance have been compared through the implementation of a simplified model for loss prediction, which accounted for gap and mixing losses and was able to provide qualitative information. The contoured tip proposed at the end of the parametric study was able to perform better than both a squealer and a flat counterpart. The leakage mass flowrate reduction remained in the middle between a flat tip, which was the least effective, and a squealer geometry, which showcased the best blockage capability. Furthermore, the effect of the pressure ratio on the jet – surface interaction was investigated varying the flow conditions from the subsonic regime, up to supersonic Mach numbers. Results testified that Coanda effect is more prone to show up when transonic/low-supersonic conditions are reached in the gap. Besides, the jet attachment effect produced by the interaction between the leakage flow and the contoured recess revealed a consistent mixing loss and leakage mass flowrate reduction with respect to a flat tip, together with a drop in the gap loss with respect to a squealer tip; such benefits contributed to lift up this new tip concept as best performer overall.

Il seguente lavoro di ricerca è incentrato sullo sviluppo di un innovativo sistema di controllo dei flussi di trafilamento nei giochi tra l’estremità delle pale di turbina di alta pressione e il mantello del motore. La geometria dell’estremità di pala è stata progettata per ottenere prestazioni superiori per mezzo dell’effetto Coanda, mentre una comparativa con estremità piatte ed a cavità ha mostrato il potenziale di tale geometria rispetto allo stato dell’arte tecnologico. La parametrizzazione della impiegata per concepire le estremità di pala è stata implementata in linguaggio Matlab®, tramite l’utilizzo dei polinomi di Bezier, mentre le simulazioni numeriche del flusso in 2D sono state ottenute utilizzando NUMECA™. Informazioni qualitative a scopo comparativo sono state ottenute grazie all’utilizzo di un modello semplificato per prevedere le perdite per trafilamento, includente perdite di natura viscosa all’interno del gioco e perdite di miscelamento tra il flusso di trafilamento e il flusso del canale tra le pale. L’estremità di pala proposta al termine del lavoro di ricerca è stata in grado di superare le prestazioni delle ben più comuni alternative in termini di perdita generale. La riduzione di portata di trafilamento si è attestata a metà strada tra l’estremità piatta, meno efficace, e l’estremità a cavità, riferimento da questo punto di vista. Inoltre, l’effetto di interazione tra il flusso e la superfice dell’estremità di pala è stato investigato al variare del rapporto di espansione a cavallo del canale di trafilamento. I risultati hanno evidenziato una maggiore tendenza al verificarsi dell’effetto Coanda per elevati rapporti di espansione, in particolare dal regime transonico a salire. Infine, l’aderenza del getto al contorno progettato durante questo lavoro ha rivelato una consistente riduzione di portata di trafilamento e perdite entropiche di miscelamento, rispetto alle estremità piatte, ed una riduzione nelle perdite entropiche all’interno del gioco, rispetto alle estremità a cavità; la presenza contemporanea di tali benefici ha dunque permesso di constatare che la geometria ad effetto Coanda si è dimostrata la migliore alternativa in termini di prestazioni generali.