combustor-turbine interaction in gas turbines

In order to reduce pollutant emissions in gas-turbines, complex combustion systems are used, which generate aerodynamic and thermal flow perturbations. These perturbations, such as steady and unsteady temperature hot-spots, increased vorticity, and turbulence levels, persist at the turbine inlet and impact the turbine aerodynamics. They also interact with cooling flows and generate indirect combustion noise. While several studies have addressed the topic of combustor-turbine interaction in the literature by studying each combustor non-uniformity in isolation, only a few have combined all the combustor-released features. Furthermore, only a handful of studies have investigated this interaction through experimental campaigns, which are challenging due to the harsh and hot environment in a real gas-turbine that restrict the use of classical turbomachinery measuring techniques. Therefore, experiments are generally performed on non-reactive turbine test benches by simulating combustor features using a combustor simulator. In this research, a similar approach is followed by placing a combustor simulator that generates a swirl profile in isolation and a combined swirl profile and steady/unsteady temperature perturbation on a turbine test rig. Novel cases are studied by injecting a combined swirl profile and entropy waves and compared with other injection cases that are more common, such as the swirl profile in isolation and the combination of swirl with a hot-streak. Different injection positions are also studied, and the turbine is operated at different operating conditions. The main objective of this research is to provide significant insights into the effect of combustor non-uniformities on a turbine’s first stage aerodynamics by thoroughly analyzing the aero-thermal flow field measured. To achieve this goal, advancements in measuring techniques are required, and key analyses are highlighted to provide guidelines for carrying out similar investigations. The CFD analysis conducted to support the experimental findings by UniFi addresses noise emissions. The extensive dataset generated will also enable CFD validation, including high-fidelity simulations, that could be used to simulate more complex phenomena. Additionally, simplified models are developed to fully characterize the aerodynamic flow field at the stator outlet in its span-wise distribution, as well as the downstream transport and shape of the temperature disturbance. For the rotor, a simple correlation is developed that links non-dimensional coefficients with temperature perturbation decay and radial transport through the blade. The development of simplified models presented in this research can provide useful insights for turbine designers during the preliminary design phase, enabling them to predict the impact of combustor non-uniformities on the first turbine stage. These models, and generally the extended dataset, can help identify the injection conditions that may lead to increased aerodynamic and thermal perturbations, allowing designers to optimize the combustor-turbine system for improved turbine performance and reduced emissions. The thesis is divided into four main sections. The first section (chapters 2 and 3) describes the experimental and numerical methods used, as well as the definition of the tested conditions, highlighting the novel experimental elaboration procedures. In the second section (chapter 4), the flow field generated by the combustor is analyzed. This characterization is also supported by a detailed investigation in a wind tunnel where turbulence measurements are carried out, and CFD simulations are conducted. This analysis revealed the main transport and decay of the perturbations released by the combustor simulator, providing all necessary input information for high-fidelity CFD simulations. In the third section (chapters 5 and 6), the aero-thermal flow field at the stator is analyzed, and the main features introduced by the perturbations are discussed. A change in stator performance is found, depending mainly on the injection position. However, no significant differences are observed in the aerodynamics flow field for the different injection cases. The thermal flow field depends on both the injection position and injection case. Simplified models are developed to predict the impact of the injected perturbations on the stator flow field. Finally, the fourth section (chapter 7) examines the rotor outlet flow field through steady and unsteady analysis. Interesting features are observed for the operating condition that exhibits the highest blade load. However, no significant differences are observed for the other operating conditions, indicating that the rotor aerodynamics is still dominated by the secondary flows. The injected perturbation has a slight impact on the rotor flow field, regardless of the injection case and position. The development of simplified models for the rotor is limited due to the strong secondary flows, but a simple correlation for temperature disturbance transport and decay is established.

Al fine di ridurre le emissioni inquinanti nelle turbine a gas, vengono utilizzati complessi sistemi di combustione che generano perturbazioni nel flusso aerodinamico e termico. Queste perturbazioni, come getti caldi di temperatura stazionari e instazionari, aumento della vorticità e dei livelli di turbolenza, persistono all'ingresso della turbina e influenzano l'aerodinamica della turbina stessa. Interagiscono anche con i flussi di raffreddamento e generano rumore indiretto di combustione. Mentre diversi studi hanno affrontato l'argomento dell'interazione tra camera di combustione e turbina nella letteratura, studiando ciascuna non uniformità della camera di combustione in modo isolato, solo pochi hanno combinato tutte le caratteristiche rilasciate dalla camera di combustione. Inoltre, solo alcuni studi hanno indagato questa interazione tramite campagne sperimentali, che sono difficili a causa dell'ambiente severo e caldo in una vera turbina a gas che limita l'uso delle tecniche di misurazione classiche delle turbomacchine. Pertanto, gli esperimenti vengono generalmente eseguiti su banchi di prova di turbine non reattive mediante simulando le caratteristiche della camera di combustione con un simulatore del combustore. In questa ricerca, viene seguito un approccio simile posizionando, su un banco di prova per turbine caratterizzato da un singolo stadio rappresentativo di turbine di alta pressione, un simulatore del combustore in grado di generare un profilo di swirl isolato o un profilo di swirl combinato con perturbazioni termiche stazionarie o instazionarie. Vengono studiati casi innovativi iniettando un profilo di swirl combinato con onde di entropia e confrontati con altri casi di iniezione più comuni, come il solo profilo di swirl e la combinazione dello swirl con un getto caldo stazionario. Vengono studiate anche diverse posizioni di iniezione e la turbina viene operata in diverse condizioni di funzionamento. L'obiettivo principale di questa ricerca è fornire un’approfondita analisi dell'effetto delle non uniformità della camera di combustione sull'aerodinamica del primo stadio di una turbina, mediante la misurazione ed un’analisi del campo di flusso aero-termico. Per raggiungere questo obiettivo, sono stati necessari miglioramenti riguardo le tecniche di misurazione tipicamente utilizzate per la caratterizzazione delle turbomacchine. Vengono poi evidenziate le linee guida per condurre indagini simili. L'analisi CFD condotta per supportare i risultati sperimentali da UniFi predice anche le emissioni acustiche. L'ampio set di dati generato consentirà la convalida di codici CFD, anche di simulazioni ad alta fedeltà, che potrebbero essere utilizzate per simulare fenomeni più complessi. Inoltre, vengono sviluppati modelli semplificati per caratterizzare completamente il campo di flusso aerodinamico all'uscita dello statore nella sua distribuzione in direzione radiale, nonché il trasporto a valle e la forma della perturbazione termica. Per il rotore, viene sviluppata una semplice correlazione che collega i coefficienti adimensionali con il decadimento della perturbazione termica e il trasporto radiale attraverso la pala. Lo sviluppo dei modelli semplificati presentati in questa ricerca può fornire utili conoscenze ai progettisti di turbine durante la fase di progettazione preliminare, consentendo loro di prevedere l'impatto delle non uniformità della camera di combustione sul primo stadio della turbina. Questi modelli, e in generale il vasto set di dati, possono aiutare a identificare le condizioni di iniezione che possono causare un aumento delle perturbazioni aerodinamiche e termiche, consentendo ai progettisti di ottimizzare il sistema camera di combustione-turbina per migliorare le prestazioni della turbina e ridurre le emissioni. La tesi è divisa in quattro sezioni principali. La prima sezione (capitoli 2 e 3) descrive i metodi sperimentali e numerici utilizzati, nonché la definizione delle condizioni testate, evidenziando le nuove procedure di elaborazione sperimentale. Nella seconda sezione (capitolo 4), viene analizzato il campo di flusso generato dal simulatore del combustore. Questa caratterizzazione è supportata anche da un'indagine dettagliata in una galleria del vento in cui vengono effettuate misurazioni di turbolenza e vengono condotte simulazioni CFD. Questa analisi ha rivelato il principale trasporto e decadimento delle perturbazioni rilasciate dal simulatore del combustore. Le misure fatte forniscono tutte le informazioni di input necessarie per future simulazioni CFD ad alta fedeltà. Nella terza sezione (capitoli 5 e 6), viene analizzato il campo di flusso aero-termico dello statore e vengono discusse le principali caratteristiche introdotte dalle perturbazioni. Viene riscontrato un cambiamento nelle prestazioni dello statore, che dipende principalmente dalla posizione di iniezione. Tuttavia, non si osservano differenze significative nel campo di flusso aerodinamico per i diversi casi di iniezione. Il campo termico dipende sia dalla posizione di iniezione che dal caso di iniezione. Vengono sviluppati modelli semplificati per prevedere l'impatto delle perturbazioni iniettate sul campo aerodinamico dello statore. Infine, la quarta sezione (capitolo 7) esamina il campo aero-termico in uscita dal rotore attraverso un'analisi instazionaria. Sono osservate caratteristiche interessanti per la condizione operativa che mostra il carico di pala più elevato. Tuttavia, non si osservano differenze significative per le altre condizioni operative, indicando che l'aerodinamica del rotore è ancora dominata dai flussi secondari. La perturbazione iniettata ha un leggero impatto sul campo di flusso del rotore, indipendentemente dal caso di iniezione e dalla posizione. Lo sviluppo di modelli semplificati per il rotore è limitato a causa dei forti flussi secondari, ma viene stabilita una semplice correlazione per il trasporto e il decadimento della perturbazione termica.