Swirling entropy waves generation and transport across a HP turbine nozzle

In the last half-century, the environmental impact of fossil fuels brought researchers to the challenging process of innovation toward a more green energy production. In 2002, the Advisory Council for Aeronautical Research in Europe published the Strategic Research Agenda, which targeted an 80% reduction in NOx emissions by 2020. The high burned gas temperature and the local excess of oxygen in the burning mixture are the primary variables affecting NOx formation. In gas turbines, the temperature reduction is obtained adopting a lean mixture, while the local excess of oxygen is reduced enhancing the mixing process with the adoption of swirling flows injectors. The flow released from the combustor, which interacts with the first stage of the turbine, is characterized by large non-uniformities. On one hand, the velocity non-uniformity is generated by the strong swirling motion imposed by the combustor injectors, which introduce aerodynamic issues. On the other hand, temperature non-uniformity consists of local steady and unsteady hot spots identified in literature as hot streak (HS) and entropy waves (EW). These local high temperatures could damage the blades, worsen the effectiveness of the cooling system and reduce the inlet achievable mean temperature directly impacting on the efficiency. Moreover, the unsteady nature of non-uniformities is responsible for the production of part of the engine core-noise. The engine noise consists of two contributions: the direct noise, generated by the combustion process, and the indirect noise, due to the acceleration of the entropy waves through the turbine nozzle. In the past years, a comprehensive knowledge of hot streak and swirl flow effects has been achieved, while the impact of unsteadiness in the temperature perturbations (EW),both pulsed and swirled, on the flow and thermal fields has still to be addressed. For all these reasons, in this experimental thesis project, the existing Entropy Wave Generator (EWG) integrated to a Swirler Generator (SG) was re-designed and adapted to the LFM high speed close loop test rig, with the purpose of investigating the aero-thermal impact of swirling entropy waves onto the high pressure turbine stage. Secondly, it was necessary to develop a control and data acquisition system that could be interfaced with the existing system. In addition, to prepare the experimental campaign it was necessary to calibrate the measuring instruments. A great deal of time has been spent for the extension of the five hole probe angular measuring field. The experimental campaign opened with a phase of preliminary tests aimed at defining the optimal condition for the EWG operating parameters: entropy wave injection frequency, temperature, feeding pressure and hot impulse duration. Followed by a complete characterization of the generated entropy waves adopting these parameters. A second phase of tests on the study of the entropy waves behaviour and their impact in a HP turbine stage has been carried out, focusing on the nozzle guide vane (NGV) component. The effect on the turbine NGV of the injection clocking position and the injection conditions have been investigated, exploiting thermal and aerodynamic measurements for the evaluation of introduced total pressure losses, blade to blade angle, vorticity and residual temperature peaks. This brought to the comprehension of the migration and attenuation process of entropy waves and to the evaluation of the effect of the clocking positions and injection conditions on the turbine NGV flow.

A partire dalla metà del secolo scorso, l'impatto ambientale dei combustibili fossili ha portato al complesso processo di innovazione verso una più pulita produzione di energia. Nel 2002, l' "Advisory Council for Aeronautical Research in Europe" ha pubblicato la "Strategic Research Agenda", che mirava a una riduzione dell 80% delle emissioni di NOx entro il 2020. L'elevata temperatura dei gas combusti e l'eccesso locale di ossigeno nella miscela combustibile sono le principali variabili che influenzano la formazione di NOx. Nelle turbine a gas, la riduzione della temperatura viene ottenuta adottando una miscela magra, mentre l'eccesso locale di ossigeno viene ridotto migliorando il processo di miscelazione con l'adozione di iniettori a swirl. Il flusso proveniente dal combustore, che interagisce con il primo stadio di turbina, è cosi caratterizzato da grandi non uniformità. Da un lato, la non-uniformità della velocità è generata dal forte movimento di rotazione (swirl) imposto dagli iniettori, che introduce problemi aerdinamici. Dall'altro, la non uniformità della temperatura genera punti caldi localizzati stabili e instabili, identificati in letteratura come hot streak (HS) ed entropy waves (EW). Le elevate temperature in gioco potrebbero danneggiare localmente le palette dello stadio, peggiorando l'efficacia del sistema di raffreddamento e riducendo la temperatura media d'ingresso ottenibile inficiando l'efficienza. Inoltre, la natura instabile delle non uniformità è responsabile della generazione di una parte del rumore dei motori aeronautici. Tale rumore è costituito da due contributi: il rumore diretto, generato dal processo di combustione, e quello indiretto, dovuto all'accelerazione delle entropy waves attraverso l'ugello della turbina. Recentemente, è stata raggiunta una buona conoscenza degli effetti del hot streak e dello swirl, mentre l'impatto dell'instabilità delle perturbazioni di temperatura (EW), sia pulsate che swirlate, sul campo di moto e sui campi termici deve ancora essere studiato appieno. Per tutti questi motivi, in questo progetto di tesi, l'esistente Entropy Wave Generator (EWG) dotato di un generatore di Swirl (SG) è stato riprogettato e adattato al banco prova LFM, con lo scopo di studiare l'impatto delle swirling entropy waves su uno stadio di turbina ad alta pressione. In secondo luogo, è stato sviluppato un sistema di controllo e acquisizione dati che potesse essere interfacciato con quello esistente. Inoltre, per preparare la campagna sperimentale è stato necessario calibrare adeguatamente gli strumenti di misura. In particolare, molto tempo è stato dedicato all'estensione del campo di misura della sonda aerodinamica di pressione a cinque fori. La campagna sperimentale ha avuto inizio con una fase di test preliminari volti a definire i parametri operativi ottimali del sistema EWG: frequenza di iniezione dell'entropy wave, temperatura, pressione di alimentazione e durata dell'impulso caldo. Seguita da una completa caratterizzazione delle entropy waves generate con l'adozione di tali parametri. Una seconda fase della campagna sperimentale si è focalizzata sullo studio del comportamento delle entropy waves e del loro impatto sullo stadio di turbina in analisi. Successivamente, è stato analizzato l'effetto sull'NGV della turbina della posizione d'iniezione e delle condizioni di iniezione, attraverso misure termiche e aerodinamiche per la valutazione delle perdite pressione di pressione totale introdotte, dell'angolo di deviazione, di vorticità e dei picchi di temperatura residua. Ciò ha portato alla comprensione del processo di migrazione e attenuazione delle entropy waves e alla valutazione dell'effetto delle diverse posizioni e condizioni di iniezione sul flusso del NGV della turbina.