CFD modelling of the permeability of low pressure turbine labyrinth seals

In a continuously expanding market of aviation, the reduction of fuel consumption is a major challenge for the development of the next-generation engines. This objective can be reached by enhancing the engine components efficiency. In the case of low-pressure gas turbines, performances can be ameliorated through the control of the leakage between rotor and stator, which is done by labyrinth seals. The understanding of the flow physics through labyrinth seals is fundamental to further enhance their efficiency. Therefore, static sealing tests in various configurations have been carried out at Safran Aircraft Engines. The aim of this work is to define a numerical modeling approach representative of test conditions and, once this model has been verified through comparison with experimental results, to perform a series of simulations that include rotation, temperature and swirl. The comparison between experiments and simulations have been performed on two different fins configurations (configuration A and configuration B) with honeycomb abradable, by varying parameters such as clearance and pressure ratio. The accordance between CFD and tests increases with the augmentation of the clearance, while the precision of the simulations does not change with a variation of the pressure ratio. Moreover, the simulations confirm that there is a gain in leakage obtained through the use of the configuration B. However, the discrepancies between simulations and tests for tight clearances suggest that the results may be influenced by parameters other than clearance or pressure ratio. To justify these deviations, an analysis of the sensitivity to fillet radius has been made. The results show a non-negligible effect of this parameter on leakage, with the simulation approaching the experimental values with the augmentation of the fillet radius. It can be deduced that a better knowledge of the geometry of the test rig may lead to a major correspondence between the two results. Finally, a series of simulations have been run to evaluate also the influence of temperature, rotation and swirl on leakage, factors not considered in tests but present in engine conditions. With respect to static conditions, these parameters cause a further diminution in the mass flow rate passing through the labyrinth. The effects are similar in both fins’ configurations analyzed. In general, the simulations confirmed what has been found experimentally: the new configuration (B) presents beneficial effects in terms of leakage reduction. The transition in engine conditions shows an additional gain in leakage, even if the model used simplifies the physics of rotation, neglecting centrifugal effects. Further developments could be made by performing the simulations using an axisymmetric model, to better consider all the effects related to rotation and swirl.

In un mercato dell’aviazione in continua evoluzione, la riduzione del consumo di combustibile rappresenta una delle maggiori sfide nello sviluppo di motori di nuova generazione. Questo obiettivo si può ottenere attraverso un miglioramento dell’efficienza dei componenti del motore. Nel caso delle turbine di bassa pressione, le performance possono essere migliorate attraverso il controllo dei trafilamenti tra statore e rotore, compito generalmente svolto da tenute a labirinto. Una maggior comprensione dei fenomeni che avvengono all’interno delle tenute a labirinto è fondamentale per migliorarne ulteriormente l’efficacia. Per questo motivo, dei test di permeabilità sono stati realizzati in condizioni statiche presso Safran Aircraft Engines. Lo scopo di questo lavoro è quello di definire un approccio numerico di modellazione rappresentativo delle condizioni di test. Una volta validato il modello tramite comparazione con i risultati sperimentali, sono state fatte una serie di simulazioni con l’introduzione di rotazione, temperatura e swirl, per vedere l’effetto di questi parametri e confrontare le prestazioni ottenute con quelle calcolate in condizioni statiche. Il confronto tra esperimenti e simulazioni è stato realizzato per due diverse configurazioni di denti (A e B) con statore a nido d’ape, variando parametri come gioco e rapporto di pressione tra ingresso e uscita. La corrispondenza tra i risultati delle simulazioni e quelli sperimentali aumenta con l’aumento del gioco, mentre la precisione delle simulazioni non cambia alla variazione del rapporto di pressione. Inoltre, le simulazioni confermano la riduzione del trafilamento ottenuta grazie alla seconda configurazione studiata. Tuttavia, sono presenti scarti tra risultati sperimentali e CFD, in particolare a giochi ristretti. Questo suggerisce che i risultati possano essere influenzati da altri parametri oltre a gioco o rapporto di pressione. Per giustificare queste differenze è stata fatta un’analisi della sensibilità dei risultati ai raggi di raccordo dei denti. I risultati mostrano un effetto non trascurabile di quest’ultimo parametro, con le simulazioni che si avvicinano ai risultati sperimentali all’aumentare dei raggi di raccordo. Si può quindi dedurre che una miglior conoscenza della geometria del banco di test e delle caratteristiche della tenuta possano aiutare a migliorare la corrispondenza tra sperimentale e simulazioni. Infine, un’ultima serie di simulazioni è stata realizzata per valutare l’influenza sul trafilamento di temperatura, rotazione e swirl, fattori non considerati negli esperimenti ma presenti in condizioni motore. Questi parametri portano a una diminuzione del trafilamento rispetto alle condizioni statiche. In generale, i risultati sono simili per entrambe le configurazioni di denti analizzate. Le simulazioni hanno dunque confermato ciò che era stato mostrato sperimentalmente: l’introduzione della nuova geometria dei denti è infatti positiva in termini di riduzione del trafilamento. La trasposizione in condizioni motore ha inoltre permesso di identificare un’ulteriore diminuzione legata all’aggiunta di certi fattori, seppure il modello utilizzato semplificasse la fisica della rotazione, trascurando gli effetti della forza centrifuga. Sviluppi successivi possono esser fatti tramite simulazioni realizzate con un modello assialsimmetrico, che permettono di considerare appieno tutti gli effetti legati a rotazione e swirl.