Transport analysis of swirling entropy waves in a turbine stage

From the middle of the last century, an increasing attention to the environmental issues has been developed, leading today to the awareness of the need of more sustainable processes in all the industrial fields. In the gas turbine industry this brought to the realization of standards which impose limits to the emissions of environmentally noxious chemicals such as the NOx. Considering that the formation of those chemicals strongly depend on the combustion temperature and to the oxygen concentration among the combustion reagents, a redesign of the whole combustion process has been necessary to meet the authority requirements keeping the efficiency as high as possible. A challenging innovation process started, which led to the introduction of the so called lean-burn combustors. These devices allow to realise a combustion but with a fuel concentration below the stoichiometric condition. This improvement allowed to reduce the fuel consumption and the burned gases temperature, thus reducing the noxious chemicals emissions. However, these combustors have three important drawbacks: the generation of an highly unsteady flow from both thermal and aerodynamic point of view, the increase of the noise production and the requirement of complex blade cooling systems. Hence, the combustor-turbine interaction analysis is crucial to optimise the first stage and face these problems. The first of the listed issues is analysed in this work. In particular the effects of the thermal and aerodynamic instabilities generated by the combustor (namely the Entropy Waves, EW) have been analysed in the context of an experimental campaign carried out at the Laboratory of Fluid Machines (LFM) of Politecnico di Milano in the "high speed closed loop test rig". The effects of the combustor have been recreated using an Entropy Wave Generator, hence a non reacting process has been set up. Special attention has been given to the transport of the EWs through the first turbine stage and to their interaction with secondary flows. Three sections of the machine have been taken into account, namely the stator inlet, the stator outlet and the rotor outlet. Unsteady measurements have been carried out at the stator outlet (only aerodynamic behaviour) and at the rotor outlet (both aerodynamic and thermal behaviour) and they have been integrated with steady ones available in literature. The first allowed to conduce a Fourier analysis on the raw pressure signals (aimed to the perturbation localisation) and to analyse the time evolution of the disturb applying a phase average approach. The latter allowed to describe the EW behaviour at the stator inlet and the thermal properties at the stator outlet.

A partire dalla metà del secolo scorso, le problematiche ambientali sono state oggetto di un’attenzione sempre crescente, che oggi ha portato alla consapevolezza della necessità di processi più sostenibili in tutti gli ambiti dell’industria. Per quanto riguarda le turbine a gas, ciò ha determinato l’imposizione di norme che limitano le emissioni di sostanze chimiche nocive, come gli NOx . Considerando che la formazione di quest’ultimi è legata alla temperatura della combustione e alla concentrazione di ossigeno tra i reagenti, è stata necessaria una riprogettazione dell’intero processo di combustione per rispettare le specifiche imposte dalle norme, pur mantenendo un livello di efficienza il più alto possibile. Ha dunque avuto inizio un impegnativo processo di innovazione che ha portato all’introduzione dei combustori lean-burn. Questi dispositivi permettono di realizzare una combustione con una concentrazione di combustibile al di sotto del livello stechiometrico. Tale innovazione ha permesso di ridurre i consumi di carburante e la temperatura di combustione, riducendo quindi le emissioni nocive. Questi combustori comportano tuttavia tre svantaggi: la generazione di un flusso fortemente instabile dal punto di vista sia termico che aerodinamico, l’incremento del rumore e la necessità di complessi sistemi di raffreddamento delle pale. Di conseguenza, un’analisi dell’interazione tra combustore e turbina è fondamentale per ottimizzare il primo stadio e per affrontare tali criticità. La prima delle complicazioni elencate è stata affrontata in questo studio. Nello specifico, gli effetti delle instabilità termiche ed aerodinamiche generate dal combustore (ossia le Entropy Waves, EW) sono stati analizzati nel contesto di una campagna sperimentale condotta nel Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine (LFM) del Politecnico di Milano. Gli effetti del combustore sono stati ricreati utilizzando un Entropy Wave Generator (EWG), dunque tramite un processo non reattivo. È stata data particolare attenzione al trasporto delle EW attraverso il primo stadio di turbina e alla loro interazione con i flussi secondari. Sono state considerate tre sezioni della macchina, ossia l’ingresso e l’uscita dello statore e l’uscita del rotore. Sono state realizzate delle misure instazionarie all’uscita del rotore (solo per il campo aerodinamico) e all’uscita del rotore (sia per il campo aerodinamico che per quello termico), le quali sono state integrate con dei dati disponibili in letteratura. Le prime hanno permesso di condurre un’analisi di Fourier sui segnali di pressione grezzi e di attuare un processo di media in fase per valutare l’evoluzione nel tempo della perturbazione introdotta. Le seconde hanno permesso di descrivere il comportamento delle EW all’ingresso dello statore e le proprietà termiche all’uscita.