Experimental investigation of the aerodynamic performance of a steam turbine profile under several working parameters

This master thesis presents results obtained by an extended experimental campaign which goal is the investigation of the influence of several operational parameters on the downstream flow field of a linear cascade. Tests have been carried out with the aim of collecting a wide database of the aerodynamic performance characterizing the steam turbine profile used to design the blades. These information will be exploited in order to support the final design of the machines that will be employed with this profile and to validate and tune a CFD (Computational Fluid Dynamics) code. Experimental tests have been performed varying the Reynolds number, the expansion ratio (Mach number), the incidence angle, the upstream flow turbulence intensity and the pitch to chord ratio of the cascade. For the most representative configurations also 3D test has been performed, in order to investigate the development of the secondary flows across the cascade. Results useful to analyse the profile efficiency are reported in terms of blade loading diagrams obtained by static pressure taps at the blade midspan, upstream boundary layer outline and of the mass averaged total pressure loss coefficient and outlet angle. The downstream flow field and the secondary flows have been investigated using a miniaturized 5-hole probe located half of an axial chord downstream the blades trailing edges. Results, reported in Chapter 6 and Chapter 7 of the present work, evidence that the optimized profile geometry has been capable of ensure very limited reduction of performance with respect to nominal conditions, when the cascade has been tested under off-design conditions.

Il seguente lavoro di tesi presenta i risultati di un’estesa campagna di misure sperimentali volte ad investigare l’influenza di un elevato numero di parametri operativi sul campo di moto a valle di una schiera piana di pale di turbina a vapore. Le prove sono state eseguite al fine di ottenere un ampio database delle prestazioni aerodinamiche del profilo che costituisce le pale. Tali informazioni verranno sfruttate per supportare il progetto finale delle macchine sulle quali il profilo verrà utilizzato e allo stesso tempo per validare e perfezionare un codice CFD (Computational Fluid Dynamics). I test sperimentali sono stati effettuati al variare del numero di Reynolds, del rapporto di espansione (numero di Mach), dell’angolo d’incidenza, del livello di turbolenza del flusso a monte della schiera e del rapporto passo corda della schiera. Per le configurazioni di maggiore interesse sono state effettuate anche prove 3D per investigare lo sviluppo dei flussi secondari attraverso la schiera piana. I risultati utili ad analizzare l’efficienza del profilo vengono presentati sotto forma di distribuzione delle pressioni sulle superfici di mezzeria della pala, di profilo dello strato limite di monte e dei valori del coefficiente di perdita di pressione totale e dell’angolo di scarico mediati sulla portata. Il campo di moto ed i flussi secondari a valle dei canali palari sono stati ottenuti impiegando una sonda a 5 fori miniaturizzata, posta mezza corda assiale a valle della schiera. I risultati, riportati nel Capitolo 6 e nel Capitolo 7, hanno evidenziato come la geometria ottimizzata del profilo sia stata in grado di evitare deterioramenti eccessivi in termini di prestazioni sotto condizioni di lavoro differenti da quelle ottimali.