CFD analysis of the application of film and convective cooling to a PGC gas turbine first stage stator blade

The application of the rotating detonation engine (RDE) to gas turbines theoretically has the potential to increase the technological efficiency limit, aiding in the creation of machines capable of reducing fuel consumption. Additionally, this combustion technology is well-suited to work with hydrogen, a key fuel in the energy transition, if produced from low or neutral-impact energy sources. However, the practical implementation of such technology presents numerous challenges. Among these, there is the development of an expander section capable of fully exploiting the advantages of an RDE system, while simultaneously withstanding the higher temperatures of the combustion products, which are also characterized by supersonic speeds and unsteadiness. This thesis is a continuation of a previous work, where an initial design of a closed circuit convective cooling system was proposed for the fully supersonic stator of the first stage of a turbine intended for use with an RDE. The main challenges encountered were in cooling the leading and trailing edges of the blade, which, due to the fully supersonic regime, have a thin profile. The technology used to address these cooling challenges involved implementing two once-through systems. For the leading edge, a film cooling technique is proposed, while for the trailing edge, a row of convective cooling channels is utilized. These cooling methods were analyzed using the commercial CFD software Ansys Fluent. The combination of film cooling and convective cooling channels was validated with the same tool by simulating all the applied cooling solutions in a single analyses. Finally, with the process data obtained, a preliminary design of the auxiliary compressor of the cooling system was developed, concluding with the selection of the machines.

L’applicazione del motore a detonazione rotante (RDE) alle turbine a gas ha, in teoria, il potenziale di aumentare il limite tecnologico di efficienza, contribuendo alla creazione di macchine in grado di consumare meno combustibile. Inoltre, questa tecnologia di combustione è particolarmente adatta a funzionare con l’idrogeno, un combustibile chiave nella transizione energetica, nel caso in cui sia prodotto con fonti energetiche a basso o nullo impatto ambientale. Tuttavia, l’implementazione pratica di una tale tecnologia presenta numerose sfide. Tra queste, vi è lo sviluppo di turbine capaci di sfruttare appieno i vantaggi di un sistema RDE, in grado allo stesso tempo di resitere alle temperature più elevate dei prodotti della combustione, che sono anche caratterizzati da velocità supersoniche e instazionarietà. Questa tesi è una continuazione di un lavoro precedente, in cui è stato proposto un primo progetto di un sistema di raffreddamento convettivo a circuito chiuso per lo statore completamente supersonico del primo stadio di una turbina per applicazioni con RDE. Le principali sfide incontrate riguardavano il raffreddamento del bordo d’attacco e del bordo d’uscita della pala, che, a causa del regime completamente supersonico, presentano un profilo sottile. La tecnologia utilizzata per affrontare queste sfide di raffreddamento ha coinvolto l’implementazione di due sistemi “once-through”. Per il bordo d’attacco, viene proposta una tecnica di raffreddamento a film, mentre per il bordo d’uscita viene utilizzata una schiera di canali di raffreddamento convettivi. L’applicazione di questi metodi di raffreddamento è stata analizzata utilizzando il software commerciale di CFD Ansys Fluent. La combinazione di raffreddamento a film e canali convettivi è stata validata con lo stesso strumento, simulando contemporaneamente tutte le soluzioni di raffreddamento adottate in un unica analisi. Infine, con i dati di processo ottenuti, è stato sviluppato un progetto preliminare del compressore ausiliario del sistema di raffreddamento, concludendo con la selezione delle macchine.