Method of characteristics to design converging-diverging supersonic turbine blades

The aim of this thesis is to deeply investigate the usage of the method of characteristics (MoC) to design converging-diverging supersonic turbine blades, operating with non-ideal flows. In the first part, both symmetric and asymmetric nozzle geometries are analyzed, with a particular focus on this latter, since it is the less studied typology up to now. For this reason, the asymmetric concordant type of MoC is implemented, and the reliability of the results is verified through CFD simulations. The second part is dedicated to the description of the methodology developed to construct the turbine blade according to the selected type of MoC. To design the subsonic portion of the profile, a novel method is implemented based on the work of Reichert and Simon. The supersonic part is realized adapting the divergent section of a nozzle designed with the MoC, by means of proper isometric transformations. The profile obtained with the existing types of asymmetric MoC presents a so high thickness reduction upstream of the trailing edge, that concerns about its structural integrity arise when it has to withstand aerodynamics loads. To address this issue, an original type of asymmetric MoC characterized by a lower wall with a double curvature is implemented, and validated by means of CFD simulations. In the final part, several operating conditions are tested by quasi-three dimensional viscous CFD simulations. The aim is to characterize the flow physics, and to assess the performance of the different blades, operating both in nominal and off-design conditions. The symmetric blade is the standard solution, so it represents the reference condition to be improved. The geometry realized with the double curvature MoC can be a possible alternative to the symmetric one for the majority of the tested cases. It is able to provide a relative reduction in the losses up to 4.56%, obtained when operating at the highest Mach numbers, and a relative reduction in the flow angle deviation up to 30%, obtained for the largest values of the outlet metal angle.

Lo scopo della presente tesi è di investigare approfonditamente l’impiego del metodo delle caratteristiche (MoC) per progettare palette per turbine supersoniche di tipo convergente divergente, operanti con gas non ideali. Nella prima parte vengono analizzate le geometrie di ugello di tipo simmetrico e asimmetrico, con particolare focus su quest’ultima poiché è la tipologia meno studiata fino ad ora. Per questa ragione viene implementato un MoC di tipo asimmetrico concorde, e l’affidabilità dei risultati è verificata tramite simulazioni CFD. La seconda parte è dedicata alla descrizione della metodologia sviluppata per costruire la paletta di turbina a seconda del tipo di MoC selezionato. Per la costruzione della porzione subsonica del profilo è implementato un nuovo metodo basato sul lavoro di Reichert e Simon. La parte supersonica è realizzata adattando la sezione divergente di un ugello progettato con il MoC, tramite opportune trasformazioni isometriche. Il profilo ottenuto con le esistenti tipologie asimmetriche di MoC presenta una riduzione di spessore a monte del bordo d’uscita talmente elevata, da far sorgere preoccupazioni in merito alla sua integrità strutturale quando deve sostenere carichi aerodinamici. Per risolvere tale problema, una tipologia inedita di MoC asimmetrico caratterizzato da una parete inferiore con doppia curvatura è implementata, e validata tramite simulazioni CFD. Nella parte finale vengono testate svariate condizioni operative tramite simulazioni CFD viscose e quasi tridimensionali. L’obiettivo è caratterizzare la fisica del flusso e valutare le prestazioni delle diverse palette, operanti sia in condizioni nominali che no. La paletta simmetrica costituisce la soluzione standard, dunque rappresenta la condizione di riferimento da migliorare. La geometria realizzata con il nuovo tipo di MoC rappresenta una possibile alternativa a quella simmetrica per la maggior parte dei casi testati. È in grado di produrre una riduzione relativa nelle perdite fino al 4.56%, quando opera ai più alti valori di numero di Mach, ed una riduzione relativa nella deviazione dell’angolo di flusso all’uscita fino al 30%, ottenuta per i più alti valori dell’angolo di uscita della paletta.