3D CFD flow modelling of turbine stator well cavity for rotor cooling effectiveness analysis

In axial gas turbines hot air ingestion from the main annulus path into disc cavities leads to overheating, reducing the discs life time or leading to serious damage. Often, to overcome this problem, some air is extracted from the compressor to cool the rotor discs, sealing the rim seals and avoiding ingestion from the main annulus. Sealing or cooling air represents a direct loss to cycle efficiency, so a better understanding of the complex interacting flows is necessary to design efficient cooling system. In this context, different European Community founded research programmes have been taken place to achieve the objective of improving efficiency and fuel consumption reduction. This thesis work was born within one of these research programme, MAGPI (Main Annulus Gas Path Interactions). CFD is used to study the stator well cavity flow in a two stage axial turbine rig built at University of Sussex to support the research programmes. A new geometry configuration of the cavity has been tested and the cooling effectiveness results compared with previous works. The Rolls-Royce in-house programs PADRAM and Hydra has been used to mesh the flow field and make the CFD analysis.

Nelle turbine a gas, l'ingestione di gas caldi dal canale palare nelle cavità dei dischi ne riduce la vita operativa e può comportare notevoli danni. Usualmente, per risolvere questo problema, una certa quantità d'aria viene spillata dal compressore per raffreddare i dischi rotorici e per scopi di tenuta, così da evitare l'ingestione di gas dal canale palare. La progettazione di sistemi di raffreddamento efficienti è necessaria per ridurre il quantitativo di aria spillata, in quanto quest'ultima rappresenta una fonte diretta di perdita. Diversi progetti di ricerca finanziati dalla Comunità Europea sono in corso in questo contesto, con lo scopo di incrementare l'efficenza degli attuali sistemi propulsivi, di ridurne il consumo specifico e abbassare il livello di inquinamento. Questo lavoro di tesi nasce nell'ambito del progetto di ricerca MAGPI (Main Annulus Gas Path Interactions). Il lavoro consiste nella modellazione CFD del flusso nella cavità statore-rotore di una turbina assiale bistadio, progettata e costruita all'Università del Sussex per supportare il progetto di ricerca. In particolare è stata testata una nuova configurazione della cavità, confrontando i risultati dell'efficacia di raffreddamento della parete rotorica con i precedenti lavori. Per la creazione della mesh e l'analisi CFD sono stati utilizzati i software Rolls-Royce PADRAM e Hydra.