Analisi numerica delle forzanti aerodinamiche indotte dall'interazione tra le schiere in una turbina assiale multistadio

In this Thesis a computational study has been carried out, based on a CFD software, and focused on an axial subsonic turbine. The study, performed assuming perfectly rigid blades, has been devoted to characterize the effects of the aerodynamic interaction between vanes and rotors, in particular to investigate the aerodynamic forcing induced by blade raw interaction. A number of single stage, one and a half stage and double stage configurations has been analyzed. These effects are known in literature, but the difficulties related to their computational and experimental analisys have limited the research in this field; as a result some relevant aspects of aerodynamic forcing in multistage set ups are not reported yet. The purpose of this work is to enrich and enlarge the knowledge on the subject, as a correct understanding of the aerodynamic forcing acting on the blades is a key aspect in turbomachinery design phase and in preserving safety during their operative life cycle. Results have shown that the axial gap between the cascades is a fundamental optimization parameter for the passive control of aerodynamic forcing. In multistage environment, in particular, an optimal axial gap exists, for which the forcing is minimized.

Con il presente lavoro di Tesi si è voluto compiere uno studio numerico, tramite un software CFD, di una di turbina assiale termica subsonica, rigida dal punto di vista strutturale, al fine di caratterizzare gli effetti dell'interazione aerodinamica tra statori e rotori. Sono state analizzate diverse configurazioni a singolo stadio, a stadio e mezzo e a doppio stadio. L'attenzione è rivolta alle forzanti periodiche che nascono dalla presenza simultanea di organi fissi e mobili nel campo di moto, ponendo l'accento sugli effetti derivanti dalla combinazione non lineare di disturbi a diversa frequenza. Tali effetti sono noti in letteratura, ma le difficoltà relative al loro studio, sia numerico che sperimentale, fanno sì che alcuni loro aspetti non siano ancora stati indagati. Le attività svolte per questa Tesi sono quindi volte ad arricchire e approfondire le conoscenze sull'argomento, data l'importanza di una corretta comprensione delle forzanti aerodinamiche che agiscono sulle pale, ai fini della progettazione delle turbomacchine e della sicurezza di utilizzo durante la loro vita operativa. I risultati hanno messo in evidenza che il gap assiale tra le schiere diventa un parametro fondamentale nell'ottimizzazione delle forzanti aerodinamiche. In particolare, in un contesto multistadio, esiste la possibilità di minimizzare la componente fluttuante dei carichi con un'opportuna scelta della distanza tra le schiere.