A computational fluid-dynamic study of the three-dimensional flow in the stator of a gas turbine stage with hot streak injection

This work presents the results of a numerical study about the migration and evolution of hot streaks generated by combustor burners, during their transport through the first stage of an un-cooled turbine. The hot streaks are injected at 70% of the span in the streamwise direction at the inlet of the stage in four circumferential positions with respect to the stator blade. The hot streaks are controlled in order to provide an over-value to the distribution of temperature of approximately 20% with respect to the main flow. The numerical results achieved through the commercial code ANSYS-CFX are progressively compared with measurements performed in the high-speed closed-loop test rig of the Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine (LFM) of the Politecnico di Milano. The aim of this study is to investigate and provide interpretation of the experimental results that mainly show a severe temperature attenuation of the hot streaks within the stator cascade highly dependent on the injection azimuthal position. Simulations exhibit a good agreement with experiments on the measurements planes and allow to better understand the complex flow phenomena occurring between the blade rows.

Questo lavoro presenta i risultati di uno studio numerico circa la migrazione e l’evoluzione di getti caldi generati da combustori, durante il loro trasporto attraverso il primo stadio di una turbina non raffreddata. I getti caldi sono iniettati al 70% dell’altezza di pala nella direzione del flusso all’ingresso dello stadio in quattro posizioni circonferenziali rispetto alle pale dello statore. I getti caldi sono controllati in modo da fornire un aumento della distribuzione della temperatura approssimativamente del 20% rispetto al flusso medio. I risultati numerici ottenuti con il codice commerciale ANSYS-CFX sono progressivamente comparati con le misure eseguite su un prototipo ad alta velocità e a circuito chiuso del Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine (LFM) del Politecnico di Milano. L’obiettivo di questo studio è di investigare e fornire un’interpretazione dei risultati sperimentali che mostrano una severa attenuazione della temperatura dei getti caldi attraverso lo statore fortemente dipendente dalla posizione azimutale di iniezione. Le simulazioni esibiscono un buon accordo con gli esperimenti sui piani di misura a permettono di capire i complessi fenomeni del flusso che occorrono attraverso la schiera di pale.