Numerical analysis of the interaction between a probe stem and a turbine rotor flow

In the aero-engines field, engine-like conditions are sought after in the involved high-fidelity experimental facilities in order to support the development process. The importance of assessing the influence the experimental setup could have on the flow-field under investigation and on the actual machine operating conditions is commonly recognized. The present contribution aims at the assessment of the effects resulting from the intrusion of a probe stem into the flow-field delivered by a high-pressure turbine stage under study in engine-like conditions at Von Karman Institute for Fluid Dynamics. Due to a test rig design update, a number of slots will be opened in the turbine shroud wall, leading to a connection of the main flow path and a large external volume, a first assessment of the estimated filling time was performed to understand the feasibility of the modification, accounting for the short time duration of the entire blowdown process. A steady-state 2D numerical analysis of the effects deriving from the presence of the shroud openings was carried out looking for possible disruptions of the main flow deriving from the high-speed air flowing over the static fluid inside the filled plenum. The 3D rotor-probe interaction system was then analysed by means of NLH simulations in NUMECATM .The filling process was found to cope with the time requirements in terms of duration order of magnitude; a single variable accounting for the involved parameters was found responsible for the ratio of filling time to initial ramp duration. The high-speed flow over the open slot was found affected only in close proximity of the cavity with almost negligible variation in the upstream region of interest. The description of the phenomenological behaviour of the flow-field interacting with the probe was achieved in the detection of lump parameters variations ultimately caused by the potential effects of the probe presence on already existing vortical structures, leading to a deviation in wake turning and a consequent delay in the local time signal experienced at selected locations in the probe area.

Nel continuo sforzo dei centri di ricerca verso l'ottenimento di condizioni il più possibile rappresentative di quelle di motori aeronautici in servizio, individuare le diverse cause di influenza sugli strumenti di misura e sul campo di moto ottenuto sperimentalmente acquista estrema importanza. Il presente lavoro aspira all'identificazione delle conseguenze dell'introduzione di una sonda di misura come ostacolo a valle di uno stadio di turbina ad alta pressione in studio presso il Von Karman Institute for Fluid Dynamics. A seguito di un rinnovamento della sezione di test, l’introduzione di più aperture nella parete esterna della turbina connetterà il flusso principale ad un volume esterno di dimensioni rilevanti. Una verifica del tempo stimato per il riempimento del serbatoio dall'apertura della valvola di svuotamento è stata condotta considerando la durata limitata della fase di test. Un'analisi numerica 2D delle possibili perturbazioni dovute all’interazione tra le aperture nello shroud e il flusso principale è stata poi condotta. Gli effetti dovuti alla presenza della stelo della sonda di misura sul flusso in uscita dal rotore di turbina sono stati analizzati facendo uso di simulazioni CFD NLH in NUMECATM, considerando così la non stazionarietà principale del sistema. Il tempo di riempimento del volume esterno è stato trovato in linea con le specifiche di durata del transiente iniziale; un parametro adimensionale chiave nella stima del tempo necessario a raggiungere condizioni stazionarie è stato identificato. Il flusso ad alta velocità all'interfaccia con la cavità nella parete di shroud ha evidenziato variazioni limitate all'intorno della apertura stessa, mostrando disturbi trascurabili nella regione a monte dello spigolo della cavità. La descrizione fenomenologica dell’interazione tra campo di moto e stelo della sonda di misura ha portato all’identificazione di variazioni nei parametri concentrati che descrivono il flusso, la cui causa è stata trovata nell’effetto potenziale che l’ostacolo ha sulle strutture vorticose già esistenti, risultante nella deviazione della scia rotorica e nel conseguente ritardo di segnale localmente osservato in posizioni selezionate in prossimità della sonda stessa.