Evoluzione del flusso in uno stadio e mezzo di turbina assiale a vapore

The main focus of the present work is the investigation of the inter-stage flow field in an axial steam turbine. The entire experimental campaign has been carried out using the LS Closed Loop Test Rig at Politecnico di Milano. The setup consists of a one and a half turbine stage, designed by General Electric, with an inlet guide vane located upstream. The idea is to replicate the condition of a stage for different operating points and the IGV are therefore applied to simulate the presence of an upstream rotor, while the second stator provides the downstream potential field at the stage exit. Two kind of experimental approaches have been followed: the first, based on flange to flange measurements, has been carried out by GE Oil&Gas Florence and has allowed to obtain an evaluation of the performances of the stage; the second, based on inter-stage measurements with steady probes and time resolved high response pressure probes, has been performed by Politecnico di Milano and has allowed to investigate the evolution of the flow field between the rows of blades and vanes, obtaining detailed aerodynamic measurements, useful to support the validation of the stage’s design. In particular, this second approach has been carried on using traversing probe’s measurements in three different planes: the first measurement plane is located at the first stator exit and, in this position, it is analyzed the effect of the inlet swirl angle generated by the IGV; in the plane at the rotor exit it is then presented the effect of different load conditions on the rotor performance; the measurements obtained at the second stator exit are afterwards compared with the one obtained in the first plane in order to evidence the influence of an unsteady and uneven inlet flow field in the stator behaviour.

Il principale obiettivo del presente lavoro è l’indagine del campo di moto inter-stadio in una turbina assiale. L’intera campagna sperimentale è stata condotta nel Laboratorio di Fluidodinamica delle Macchine del Politecnico di Milano sfruttando l’LS Closed Loop Test Rig. Il setup di prova consiste in uno stadio e mezzo di turbina assiale, progettato da General Electric e costituito da uno statore, un rotore e un ulteriore statore, con una schiera aggiuntiva di inlet guide vanes (IGV) posizionata a monte. L’idea è di replicare le condizioni operative di uno stadio per diversi punti di funzionamento, e le IGV sono quindi installate per simulare la presenza del rotore a monte, mentre il secondo statore fornisce il campo potenziale a valle, allo scarico dello stadio. Con lo scopo di caratterizzare il comportamento fluidodinamico della macchina, sono stati seguiti due approcci sperimentali: il primo, basato su misure flangia - flangia, è stato condotto da GE Oil&Gas Firenze e ha permesso di valutare le performance dello stadio; il secondo, basato su misure inter-stadio effettuate con sonde stazionarie e ad alta risposta in frequenza (traversing), è stato eseguito dal Politecnico di Milano e ha consentito di indagare l’evoluzione del campo di moto tra le schiere rotoriche e statoriche, ottenendo dettagliate misure aerodinamiche utili per la validazione del design dello stadio. In particolare, la campagna di indagine mediante traversing è stata condotta su tre differenti traverse di misura: la prima è posizionata a valle del primo statore e permette di analizzare l’effetto dell’angolo di swirl generato dalle IGV sulla schiera statorica; la seconda traversa è invece effettuata allo scarico del rotore e consente di valutare l’effetto sulle performance delle diverse condizioni operative dello stadio; infine, la terza traversa di indagine è posizionata a valle del secondo statore e permette di evidenziare l’effetto di un flusso disuniforme e instazionario in ingresso sul comportamento dello statore.