Measurements of the unsteady aerodynamics of a transonic turbine stage in a short duration blow-down turbine rig

Modern gas turbines operate under increasingly severe aerodynamic and thermal conditions in the pursuit of higher efficiency and improved performance. Their operation is strongly affected by complex unsteady phenomena generated by the interaction between consecutive blade rows, particularly in transonic turbine stages where shock waves, secondary vortices, wake transport, and periodic pressure fluctuations coexist. Such mechanisms influence not only the aerodynamic efficiency of the stage, but also the structural integrity of turbine components through unsteady loading and fatigue, making their accurate characterization essential for the design and optimization of modern turbomachinery. This thesis investigates the unsteady aerodynamics of a transonic turbine stage tested in the CT-3 facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics. The work is centered on the development, calibration, and application of advanced aerodynamic and thermal measurement techniques capable of resolving both steady and time-resolved flow features under the stringent temporal and thermal constraints characteristic of short-duration facilities. Following an introduction to the theoretical background of turbomachinery measurement methods and stator–rotor interaction mechanisms, the experimental setup and instrumentation employed during the test campaign are presented, including total-temperature rakes, aerodynamic probes, and fast-response pressure rakes installed downstream of the rotor. The primary contribution of the work lies in the development of dedicated in-situ calibration procedures and advanced data processing methodologies. Particular attention is devoted to the compensation of thermal transient effects affecting piezoresistive sensors, the dynamic characterization of line-cavity systems, and the reconstruction of reliable time-resolved measurements through appropriate signal correction techniques. The developed methodologies are subsequently applied to the characterization of the turbine outlet flow field. Both time-averaged and time-resolved measurements are analyzed. The results demonstrate the effectiveness of the proposed calibration and data reduction framework for aerothermal measurements in short-duration facilities.

Le turbine a gas moderne operano in condizioni aerodinamiche e termiche sempre più severe, nella continua ricerca di maggiore efficienza e migliori prestazioni. Il loro funzionamento è fortemente influenzato da complessi fenomeni instazionari generati dall’interazione tra file di pale consecutive, in particolare negli stadi di turbina transonici dove onde d’urto, vortici secondari, trasporto di scie e fluttuazioni di pressione periodiche coesistono. Tali meccanismi influenzano non solo l’efficienza aerodinamica dello stadio, ma anche l’integrità strutturale dei componenti della turbina attraverso carichi instazionari e fenomeni di fatica, rendendo la loro caratterizzazione accurata indispensabile per la progettazione e l’ottimizzazione delle turbomacchine moderne. Questa tesi analizza l’aerodinamica instazionaria di uno stadio di turbina transonico testato nell’impianto CT-3 presso il von Karman Institute for Fluid Dynamics. Il lavoro è incentrato sullo sviluppo, la calibrazione e l’applicazione di tecniche avanzate di misura aerodinamica e termica, capaci di risolvere sia le caratteristiche del flusso in regime stazionario che quelle tempo-risolte, nel rispetto dei severi vincoli temporali e termici tipici delle installazioni a breve durata. Dopo un’introduzione al background teorico dei metodi di misura in turbomacchine e dei meccanismi di interazione statore–rotore, vengono presentati il setup sperimentale e la strumentazione impiegata durante la campagna di prova, comprendente rastrelli di temperatura totale, sonde aerodinamiche e rastrelli di pressione a risposta rapida installati a valle del rotore. Il contributo principale del lavoro risiede nello sviluppo di procedure di calibrazione insitu dedicate e di metodologie avanzate di elaborazione dei dati. Particolare attenzione è dedicata alla compensazione degli effetti transitori termici che interessano i sensori piezoresistivi, alla caratterizzazione dinamica dei sistemi linea-cavità e alla ricostruzione di misure risolte nel tempo affidabili attraverso appropriate tecniche di correzione del segnale. Le metodologie sviluppate vengono successivamente applicate alla caratterizzazione del campo di flusso all’uscita della turbina. Vengono analizzate sia le misure mediate nel tempo che quelle tempo-risolte. I risultati dimostrano l’efficacia del framework proposto per la calibrazione e la riduzione dei dati applicato a misure aerotermiche in impianti a breve durata.