Modeling of an Ackeret-type Wind tunnel for high-speed turbomachinery testing

The lack of detailed aerodynamic measurements for next-generation high-speed Low-Pressure Turbines operating at almost transonic Mach numbers has created a significant knowledge gap. This gap concerns above all the impact of the secondary flows on the turbine losses, and on the interaction of the secondary-air flow and leakage flow with the mainstream in a low-pressure environment. To address this issue, an existing turbine linear cascade in the S-1/C (Continuous High-Speed Cascade Wind Tunnel S-1), a closed-circuit wind tunnel specifically designed to test turbomachinery components, at Von Karman Institute for Fluid Dynamics is used for various experiments conducted under engine-representative conditions. A 1D model of the S-1/C rig in the Matlab environment has been implemented to evaluate the compatibility of various operating conditions in the test section with the wind tunnel size and compressor capabilities. The computational approach employed in this study extends and adapts incompressible pressure loss predictions to a transonic wind tunnel through a compressibility correction to compute the rig's circuit losses and power requirements. A bypass model, with valve loss estimation, and a heat exchanger are also included. Finally, an important outcome of this computational method is the operating map of the S-1/C rig, which correlates the number of Mach and Reynolds in the test section. This map delineates the operating range within which the turbine linear cascade can be tested while ensuring compliance with the structural limitations of the wind tunnel, the constraints imposed by the compressor, and the maximum available power.

La mancanza di misure aerodinamiche dettagliate per le turbine a bassa pressione ad alta velocità di prossima generazione, che operano a numeri di Mach quasi transonici, ha creato una significativa lacuna di conoscenze. Questa lacuna riguarda soprattutto l'impatto dei flussi secondari sulle perdite della turbina e l'interazione del flusso d'aria secondario e del leakage flow con la corrente principale in un ambiente a bassa pressione. Per affrontare questo problema, è stata utilizzata una schiera lineare di palette di turbina esistente nella S-1/C (Continuous High-Speed Cascade Wind Tunnel S-1), una galleria del vento a circuito chiuso progettata specificamente per testare i componenti delle turbomacchine, presso il Von Karman Institute for Fluid Dynamics, per i vari esperimenti condotti in condizioni rappresentative del motore. È stato implementato un modello 1D della galleria del vento S-1/C in ambiente Matlab per valutare la compatibilità delle varie condizioni operative nella sezione di prova con le dimensioni della galleria del vento e le capacità del compressore. L'approccio computazionale utilizzato in questo studio estende e adatta le previsioni delle perdite di pressione incomprimibili a una galleria del vento transonica, attraverso un fattore correttivo per la comprimibilità, al fine di calcolare le perdite del circuito e i requisiti di potenza dell'impianto. Sono stati inclusi anche un modello di bypass, con stima delle perdite della valvola, e uno scambiatore di calore. Infine, un importante risultato di questo metodo di calcolo è la mappa operativa dell'impianto S-1/C, che correla il numero di Mach e Reynolds nella sezione di prova. Questa mappa delinea l'intervallo operativo entro il quale è possibile testare la schiera lineare di palette di turbina, garantendo al contempo il rispetto dei limiti strutturali della galleria del vento, dei vincoli imposti dal compressore e della massima potenza disponibile.