Numerical investigation of the effects of the degree of reaction in a low speed axial compressor stage

The aim of this work is to numerically investigate the effects of the degree of reaction in a conventionally loaded industrial low speed axial compressor stage for power generation, with a shrouded stator vane and a cantilevered rotor, designed according to the repeated stage configuration. In order to vary the degree of reaction of the stage, substantial changes to the blades geometry are carried out thanks to a parameterization and fitting process aimed at guaranteeing a complete control of the aerodynamic parameters of interest. The stator blades, which were originally designed for a cantilevered configuration, are therefore modified together with the rotor vanes, in order to improve the positive effects of the shrouded configuration, which is thought to be the best one for a fixed vane according to the current literature. The new configuration is achieved keeping the main stage parameters constant, in order to isolate the effects of the degree of reaction and to maintain the current matching present in the multi-stage machine. It is shown that a higher degree of reaction of the stage increases the efficiency and the stall margin of the stage, thanks to the variation of the intensity and of the morphology of the rotor tip leakage flow and on the secondary flow phenomena recirculating from the cavity of the stator. Thus, the new balance of these two loss sources, together with the variation of the two dimensional loading of the blades, proves to be of utmost importance in order to improve the performances of the machine.

L'obiettivo di questo lavoro è analizzare numericamente l'effetto del grado di reazione in uno stadio di un compressore assiale industriale a bassa velocità per produzione di potenza, con una configurazione statorica cerchiata e rotorica non cerchiata, progettato secondo la configurazione dello stadio ripetuto. Per variare il grado di reazione dello stadio cambiamenti sostanziali sono stati apportati alla geometria delle palette, grazie a un processo di parametrizzazione e di fitting mirato a un controllo completo dei parametri aerodinamici di interesse. Le palette statoriche, originariamente progettate per una configurazione non cerchiata, sono quindi modificate insieme alle palette rotoriche per incrementare l'effetto positivo della configurazione cerchiata, considerata nella letteratura corrente la migliore per palette non rotanti. La nuova configurazione è ottenuta mantenendo i principali parametri dello stadio costanti, così da isolare gli effetti del grado di reazione e mantenere il matching presente nella macchina multi stadio. E' quindi dimostrato come un maggiore grado di reazione incrementi l'efficienza e il margine di stallo dello stadio, grazie alla variazione dell'intensità e della morfologia del flusso di trafilamento rotorico e dei flussi secondari ricircolanti dalla cavità statorica. Il nuovo bilancio di queste due perdite, insieme alla variazione del carico palare bidimensionale, risulta quindi fondamentale per incrementare le performance dello stadio.