Vortex tracking in a high-speed turbine cascade

In modern turbofan aeroengines the most challenging engineering goal is maximizing the efficiency. One of the best solutions is the geared turbofan GTF architecture. The adoption of the gearbox implies the chance of decoupling the rotational speeds of fan and turbine, allowing in this way the low-pressure stage to run at higher velocity [1]. Higher rotational speed implies greater work extracted, resulting in a lower number of stages with weight savings. However, this forces the LPT to operate under critical circumstances, primarily characterized by high Ma and low Re numbers. Under the European project SPLEEN, relevant experiments at VKI were conducted on a linear cascade, representative of a LPT at such operating conditions. Furthermore, secondary losses are one of the most important in turbines, contributing so to the efficiency reduction. In LPT, it has been evidenced how they can be very intense, depending also on the type of loading. These losses are strictly linked to the onset of secondary flows inside the blade channel. Understanding their formation mechanism and topology would permit to minimize the associated losses. During the work done at VKI, Paty has evidenced that, among all the tracking techniques available in literature, there is a lack of a robust and universal method [5]. With this ambition, he developed a code for vortex tracking, reproposing the triple decomposition of motion TDM introduced by Kolar [7]. The present work is dedicated before to perform a reliable RANS simulation about the linear cascade tested at VKI, and then to use and test the code based on the promising TDM method for tracking the secondary flows characterizing the flow field. It is compared with the two most popular λ2 and Q techniques, available in the CFD software used. The differences in the results are reported and the possible advantages and disadvantages are evidenced. Only the nominal operating point of the cascade, in terms of Ma and Re, is considered. First, the numerical simulation is assessed with the available experimental data and the general flow field at the outlet is well discussed, trying to give a first idea of the vortical structures expected in the flow. The discussion of the vortices found by the three tracking techniques follows. Finally, the possible modifications caused by a change of the inlet turbulence profiles have been studied, through a different simulation. The secondary flows are again analyzed with the same methods and discussed. Finally, the two simulations are compared in detail and the reasons behind the modifications are investigated.

Nei moderni turbofan aeronautici l'obiettivo ingegneristico più impegnativo è la massimizzazione dell'efficienza. Una delle migliori soluzioni è l'architettura “geared turbofan” GTF. L'adozione della scatola del cambio implica la possibilità di disaccoppiare le velocità di rotazione del fan e della turbina, permettendo allo stadio di bassa pressione di lavorare ad alta velocità [1]. Ciò comporta un maggiore lavoro estratto, con conseguente riduzione del numero di stadi e pertanto risparmio di peso. Tuttavia, questo costringe la turbina di bassa pressione (LPT) ad operare in circostanze critiche, principalmente ad elevati numeri di Ma e bassi numeri di Re. Nell'ambito del progetto europeo SPLEEN, al VKI sono stati condotti esperimenti rilevanti riguardo una schiera lineare, rappresentativa di una LPT e in tali condizioni di funzionamento. Inoltre, le perdite secondarie sono tra le più importanti nelle turbine, contribuendo così alla riduzione dell'efficienza. Nelle turbine di bassa pressione è stato dimostrato come possano essere intense, anche a seconda del tipo di carico. Queste perdite sono strettamente legate ai flussi secondari che si sviluppano all'interno del canale palare. Comprendere il loro meccanismo di formazione e topologia può contribuire a minimizzare le perdite associate. Durante il lavoro svolto al VKI, Paty evidenziò che, tra tutte le tecniche di tracciamento in letteratura, manca un metodo robusto e universale [5]. Con questa ambizione, sviluppò un codice per il tracciamento dei vortici, riproponendo la tripla decomposizione del moto (TDM) introdotta da Kolar [7]. La presente tesi inizia con l’esecuzione di un’affidabile simulazione RANS della schiera lineare testata al VKI, per poi utilizzare e testare il codice basato sulla promettente TDM per il tracciamento dei flussi secondari. Questo viene confrontato con le due tecniche più comuni, λ2 e Q, disponibili nel software CFD usato. Le differenze nei risultati sono evidenziate e i possibili vantaggi e svantaggi discussi. Solo il punto operativo nominale della schiera, in termini di Ma e Re, è stato considerato. In primo luogo, la simulazione viene confrontata con i dati sperimentali disponibili e il flusso all’uscita analizzato, cercando di fornire una prima idea dei vortici attesi nel flusso. Successivamente, segue l’analisi dettagliata dei vortici trovati grazie alle tre tecniche di tracciamento. Infine, le possibili modifiche causate da un cambiamento dei profili di turbolenza in ingresso vengono analizzate. Le medesime tecniche sono state applicate alla nuova simulazione. Infine, le due simulazioni sono confrontate nel dettaglio, cercando di chiarire le ragioni alla base tali modifiche.