This work studies the three-dimensional unsteady aerodynamics of a single stage, low aspect ratio, high pressure axial flow turbine. The machine is installed in the high-speed closed-loop test rig at Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine, Politecnico di Milano. To correctly reproduce the unsteady three-dimensional nature of the flow, mostly focusing on the vortex-blade interaction, numerical calculations are performed with commercial code Ansys CFX, whose Time transformation method allows to simulate the whole stage with a single machine channel, necessary when stator and rotor blades are prime to each other. At first, a steady analysis is conducted on the stator outflow so to match experimental vortex generation, specifically focusing on the hub region where blade features add a non-negligible vorticity source. Successively, CFD high-subsonic unsteady results of the whole machine flow field are evaluated against experiments. The numerical method is strongly reliable, and allows to analyze in detail the complex physical phenomena occurring across the rotor channel, especially the interaction between stator incoming secondary vortexes and rotor vortex generation itself. The same method is then employed to study the flow behavior under transonic, reduced incidence machine operation. Results show the setup is not capable of correctly capturing this case phenomena, wrongly evaluating relative flow character and consequently stator-rotor interaction. At last, the axial distance between stator and rotor blades is reduced, in order to include the potential field interaction and increase the dependency on incoming unsteadiness of rotor flow field. It is chosen to simulate this in high-subsonic condition, since the method provides highly reliable solution. Results enable to compare the differences in performance and flow morphology obtained by the software for the shortened axial gap with the previous machine setup, which is of interest when in the process of stage optimization. This more complex case shows the same macroscopic vortex behavior, but the increased interaction between the rows presents multiple varying factors, from the secondary flows evolution to the turbine outlet field features.

Questo lavoro analizza l’instazionarietà aerodinamica di una turbina a flusso assiale, singolo stadio di alta pressione e basso aspect ratio. La turbomacchina è installata al Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine, Politecnico di Milano, all’interno dell’impianto a circuito chiuso per test ad alta velocità. Per rappresentare correttamente la natura instazionaria e tridimensionale del flusso, focalizzandosi maggiormente sull’interazione vortice-pala, le simulazioni numeriche sono ottenute mediante il software commerciale Ansys CFX, il cui metodo Time transformation permette di simulare l’intero stadio riproducendo un singolo canale della macchina, necessario quando le pale di statore e di rotore sono prime tra loro. All’inizio, una analisi stazionaria viene condotta sul flusso in uscita statore, in modo da avere riscontro con la generazione di vortici indicata dagli esperimenti, specialmente per quanto riguarda la regione di hub dove determinate caratteristiche della pala aggiungono una sorgente di vorticità non trascurabile. Successivamente, i risultati CFD instazionari per l’intera turbina sono confrontati con le misure sperimentali, in condizione operativa alto-subsonica. Il metodo numerico è altamente attendibile, e permette di analizzare in dettaglio i complessi fenomeni fisici che si manifestano lungo il canale di rotore, specificatamente l’interazione tra i vortici secondari provenienti dallo statore e la loro generazione sul rotore stesso. Lo stesso metodo è poi applicato per studiare il comportamento del flusso in condizione transonica, a ridotta incidenza. I risultati mostrano che il setup non cattura correttamente i fenomeni caratterizzanti questa condizione operativa, valutando erroneamente il moto relativo e conseguentemente l’interazione statore-rotore. In conclusione, la distanza assiale tra le schiere di statore e rotore viene ridotta, in modo da includere nell’analisi l’effetto del campo potenziale di statore e l’aumentata dipendenza del flusso di rotore dalle strutture instazionarie, provenienti dalla schiera fissa. Viene scelto di simulare il caso in regime alto-subsonico, vista l’affidabilità del metodo numerico in questa condizione operativa. I risultati permettono di confrontare le differenze in termini di performance e morfologia del flusso ottenute dal software con il ridotto gap assiale, di interesse nel processo di ottimizzazione dello stadio. Questo più complesso caso mostra lo stesso comportamento delle strutture vorticose, ma la cresciuta interazione tra le schiere presenta multipli fattori di differenza con la precedente configurazione della macchina, dall’evoluzione flussi secondari alle caratteristiche del campo all’uscita della turbina.