Efficiency of a high-speed low pressure turbine measured in an intermittent short-duration facility

During the last decades, more stringent legislation and a stronger sensibilization about environmental issues pushed aviation industry to find new strategies to improve efficiency. On this purpose, geared turbofan aeroengines have been designed. The objective of this report is to determine the efficiency, with an accuracy better than 1%, of a High speed low pressure (HSLP) turbine stage. Such a low level of uncertainty requires the accurate evaluation of a large number of quantities simultaneously, as the mass flow rate of the mainstream, as well the one of secondary flows (purge and leakage), the inlet total pressure and temperature, stage exit total pressure, shaft power, mechanical losses and the heat transfer. The aforementioned turbine stage was tested in the VKI-CT3 blow-down wind tunnel under two operating conditions based on the amount of purge mass flow rate injected in the main channel. In this kind of facility, unlike continuously running test rigs, the estimation of the efficiency is quite challenging because of the very short time test duration of about 0.4 s and the non-adiabatic state. Due to the absence of any aero-break, the turbine power, generated by the stage, is converted into rotor acceleration. The accurate measurement of this acceleration, together with the rotor inertia and rotational speed, provide the shaft power. The mainstream mass flow rate is the most challenging parameter to quantify. Since the lab dimensions do not allow to place a standard metering system as a Venturi or an orifice plate, an indirectly method based on a zero-dimensional model of the facility, has been adopted. Also the methodology for the characterization of the secondary flows (purge and leakage) is deeply illustrated. Since in this test campaign any heat transfer measurements were implemented, a procedure for the estimate of this quantity is detailed. An uncertainty analysis on each quantity involved in the performance formulation, has been performed, based on both random and systematic (bias) error. The diabatic indicated efficiency is found equal to 0.9233 and 0.9164, respectively, for the nominal and high purge flow conditions. In particular, a reduction of 0.7% of the efficiency is experienced for an increase of the purge flow of 100%. The repeatability of the measurement ranges between 0.7% and 1.1% with a random error of 0.64% and a systematic uncertainty of 1.10%.

Negli ultimi decenni, l’emanazione di legislazioni sempre più rigorose e una maggiore sensibilizzazione riguardo alle problematiche ambientali, hanno spinto l’industria dell’aviazione a cercare nuove strategie per migliorare l’efficienza. A tal proposito, motori aeronautici turbofan di nuova generazione, con riduttore ad ingranaggi, sono stati progettati. L’obiettivo di questa tesi è di determinare l’efficienza, con un’incertezza finale migliore dell’1%, di un singolo stadio di turbina ad alta velocità e bassa pressione (HSLP). Un tale livello di accuratezza richiede una stima precisa e contemporanea di numerose grandezze, come la portata del flusso principale e dei flussi secondari (spurgo e perdite), la pressione totale e la temperatura in ingresso, la pressione totale in uscita dallo stadio, la potenza dell’albero, le perdite meccaniche e le perdite di calore. Lo stadio di turbina sopracitato è stato testato nella galleria del vento CT3 al VKI in due condizioni operative secondo la quantità di portata di spurgo introdotta nel flusso principale. In questo tipo di impianto, a differenza di uno a funzionamento continuo, la stima dell’efficienza è piuttosto impegnativa a causa della breve durata del test di circa 0.4 secondi e delle condizioni operative non-adiabatiche (diabatiche). A causa dell’assenza di un freno aerodinamico, la potenza della turbina generata dallo stadio viene convertita in accelerazione del rotore. La misurazione accurata di questa accelerazione, insieme all’inerzia del rotore e alla velocità di rotazione, fornisce la potenza dell’albero. La portata del flusso principale nel canale è il parametro più complesso da quantificare. Poiché le dimensioni del laboratorio non consentono di posizionare un sistema di misurazione standard come un Venturi o un foro calibrato, è stato adottato un metodo "indiretto" basato su un modello zero-dimensionale dell’impianto. Anche il metodo per la caratterizzazione dei flussi secondari (spurgo e perdite) viene illustrata. Poiché in questa campagna test non sono state implementate misurazioni di trasferimento del calore, viene qui riportata in dettaglio una procedura per stimare questa grandezza. Alla fine, su ciascun parametro coinvolto nella formulazione dell’efficienza, è stata effettuata un’analisi dell’incertezza basata sia su errori casuali che sistematici. L’efficienza indicata di tipo diabatico risulta essere 0.9233 e 0.9164, rispettivamente, per le condizioni di flusso nominale e di flusso di spurgo elevato. In particolare, si osserva una riduzione dello 0.7% delle performance per un aumento del flusso di spurgo del 100%. La ripetibilità della misurazione varia tra lo 0.7% e l’1.1% con un errore casuale dello 0.64% e un’incertezza sistematica dell’1.10%.