Numerical simulation of a counter-rotating two-stage turbine

From their invention to the present time, the aeroengines have been constantly object of research and innovation. Turbo-fan engines are more and more used in the civil airways since they allow a production of high thrust at a low fuel consumption. In the last years, the optimization of such engines has been studied, in particular the duct connecting the HPT and LPT, the turbine vane frame TVF, has been researched. The present reports the study and analysis of the generation and evolution of secondary flow inside a machine composed of a HPT stage, a counter-rotating LPT one and the TVF through steady simulations performed using LINARS, a software developed by the technical university of Graz. The present model represents an experimental set up that will be tested by TU Graz. The geometrical model needed for the analysis, reports also purge cavities and labyrinth seal to provide the most complete flow description. The study considers the variation in the numerical results due to different mesh cell sizes (Grid convergence) and then turbulence models (Spalart-Allmaras and k-omega SST). Once the configuration most suitable to describe the fluid dynamics of the model, the present work provides an description of the evolution of the generated vortical structure and their interaction with the downstream cascades.

Nel corso degli anni, dalla loro invenzione fino ad oggi, I motori aeronautici sono stati oggetto di constante ricerca e innovazione. Oggi nel campo della aviazione civile si fa sempre più uso dei turbo-fan engine che permettono una produzione di thrust ad un minor consumo di carburante. La ricerca negli ultimi anni si è interessata all’ ottimizzazione di tali motori, in particolare del condotto posizionato nell’intermezzo tra HPT and LPT, chiamato turbine vane frame TVF. Il presente lavoro studia e analizza la generazione e l’evoluzione dei flussi secondari all’interno di un modello costituito da uno stadio di HPT, uno contro-rotante di LPT e TVF attraverso simulazioni stazionarie mediante il software prodotto dall’università tecnica di Graz, LINARS. Tale modello è rappresentativo di un futuro set-up sperimentale che verrà testato presso TU Graz. Il modello geometrico, adoperato per l’analisi, comprende anche porzioni di purge cavities e tenuta a labirinto al fine di ottenere una completa descrizione del flusso. Lo studio prende in considerazione la variazione del risultato numerico introdotta, in primo luogo, da diverse dimensioni di celle che costituiscono la mesh (Grid converrgence) e poi da differenti modelli di turbolenza (Spalart-Allmaras e k-omega SST). Una volta determinata la configurazione più adatta a descrivere la fluido dinamica del problema, il presente lavoro fornisce una interpretazione dell’evoluzione dei vortici generati lungo ogni stadio della macchina e di come essi interagiscano con gli stadi successivi.