Design and characterization of a fast response temperature probe for gas turbine test rigs

The experimental investigation on the performance of modern gas turbines is of fun- damental importance for the quanti cation of e ciency and the life-span of the com- ponents. Signi cant research e orts are presently devoted to the understanding of the unsteady ow structures generated in the high pressure turbine stage in order to to quantify their contribution among the e ciency loss sources and design innovative so- lutions for their containment. In this thesis, we designed and assessed an innovative fast-response temperature probe with an array of thin lm sensors. The probe will be used in the short duration CT-3 facility at the Von Karman Institute for Fluid Dynamics for the characterization of novel rotor airfoil geometries with improved aerodynamic and thermal performance. The probe will be placed in a measurement plane located 50% of the axial chord down- stream of the HPT rotor blade trailing edge. The goal of the application is a precise evaluation of the unsteady temperature eld generated by the action of the blades, on a measurement grid extending over the entire span of the airfoil and covering the full spatial periodicity of the HPT stage, i.e. one complete vane pitch. The high frequency response (up to 100 KHz), the high spatial resolution of the sensor array (2.8 mm radial discretization step), the low intrusiveness and the ability of covering the measurement grid with the minimum number of tests are the main strengths of the probe, that make it outstanding in this research eld. The design process is explained in detail, focusing on the requirements that the probe needs to satisfy. The manufacturing procedure, entirely performed at the Institute, the assembly and the adopted materials are reported. Numerical simulations in OpenFOAM are exploited for the preliminary evaluation of the achievable measurement accuracy. Moreover, the data reduction routine is designed and implemented, allowing to solve the unsteady heat transfer problem by means of the nal volume method. Finally, a dedicated calibration setup is designed and realized and the probe is characterized in this controlled environment to precisely validate the numerically-predicted performance.

La ricerca sperimentale in ambito turbomacchinistico ricopre un ruolo di fondamentale importanza per la validazione dei risultati numerici e per la valutazione diretta, medi- ante l'uso di sonde e sistemi di misura, dell'e cienza e della a dabilit a dei componenti. In particolare, per quanto riguarda le turbine a gas, una grande parte della ricerca si concentra sull'indagine delle strutture vorticose che sono solite formarsi nel canale in- terpalare e nel passaggio fra pala e cassa. Tali strutture rappresentano una fonte di perdita di e cienza per la macchina, e risulta quindi necessario provvedere, con un design appropriato delle pale, al loro controllo e contenimento. Questa tesi tratta la progettazione e la caratterizzazione di una nuova sonda di temperatura ad alta risposta in frequenza. La sonda presenta un array di sensori, e verr a impiegata presso il Von Karman Institute For Fluid Dynamics all'interno di un'importante campagna sperimentale volta alla valutazione dell'e cienza di diversi de- sign palari innovativi ad alta prestazione aerodinamica e resistenza termica. La sonda verr a posta in un piano di misura posizionato al 50% della corda assiale a valle del bordo di uscita del rotore di alta pressione, montato sul banco prova per turbine dell'Istituto (CT-3). Lo scopo dell'analisi e quello di quanti care con precisione il campo termico in- stazionario generato dall'azione dei pro li sul uido, considerando una griglia di misura che coprir a interamente il canale interpalare da mozzo a cassa e per l'intera period- icit a spaziale dello stadio, equivalente a un passo della schiera. La capacit a di misurare segnali ad alta frequenza ( no a 100 KHz), l'elevata risoluzione spaziale dell'array di sensori (2.8 mm di step di discretizzazione radiale), la bassa intrusivit a e la possibilit a di coprire la griglia di misura con il minor numero di test possibili sono le caratteristiche che rendono la sonda innovativa e rilevante all'interno dell'ambito di ricerca sopra citato. Il progetto e spiegato dettagliatamente a partire dalla fase di design, con particolare attenzione ai requisiti da soddisfare. Successivamente, e riportato il processo di pro- duzione della sonda, il suo assemblaggio e i materiali impiegati per la sua costruzione. Inoltre, abbiamo svolto uno studio numerico in OpenFOAM per la valutazione prelim- inare dell'errore di misura e dell'incertezza nella lettura della temperatura. Insieme a questo abbiamo proposto, sempre tramite l'utilizzo di OpenFOAM e del metodo a vo- lumi niti, una possibile routine per l'acquisizione dei dati. Per concludere, abbiamo testato la sonda in un setup sperimentale appositamente progettato, per veri care con precisione le performance predette numericamente.