Misure di scambio termico in un impianto di turbina ad alta pressione

The main objectives concerning the design of turbomachines deal with an overall improvement in efficiency and the continuous search for larger performance development. Thus, a substantial effort has been made to understand the aerothermal loss mechanisms and their origins in the highly unsteady environment of turbomachines. The experimental investigation on the performance of modern gas turbines is of fundamental importance for the quantification of the efficiency and the life span of the components. Significant research efforts are presently devoted to the understanding of the unsteady flow structures generated in the high-pressure turbine (HPT) stage in order to quantify their contribution among the efficiency loss sources and to design innovative solutions for their containment. In the frame of a large project investigating the aerodynamics and heat transfer of high-pressure turbines, this work is an experimental investigation of the steady and unsteady heat transfer on the stator blade of a transonic turbine stage. The main goals of the project will be to set up, acquire and process measurements of heat transfer carried out by means of double-layered thin film gauges that guarantee a better signal to noise ratio and a better resolution of the unsteady phenomena with respect to the single layer one. These transducers are suitable for the detection of the unsteady component since they have a bandwidth high enough to detect what expected. The measurements were performed in the compression tube turbine test rig CT3 at the Von Karman Institute around the stator blade at 50% and 90% span covering 26 locations for each section.

Questa tesi presenta uno studio sul trasferimento di calore sullo statore di una turbina ad alta pressione che ha avuto luogo attraverso test eseguiti in un impianto del von Karman Institute, in condizioni rappresentative dei motori aeronautici. Nella prima parte del report viene fornita la descrizione della struttura della facility e dei sensori utilizzati nella campagna test. Le misurazioni eseguite attraverso film sottili ad alta risposta dinamica, hanno fornito il flusso di calore risolto e mediato nel tempo. Le termocoppie sono state invece impiegate per l’analisi delle condizioni di flusso in ingresso e in uscita dallo stadio di turbina. A questa parte segue la sezione dedicata alla descrizione dei processi di calibrazione che hanno permesso di ottenere le relazioni che legano il segnale acquisito alla temperatura. L'analisi prevede che la calibrazione debba essere eseguita in un bagno d'olio per ottenere un risultato migliore del 25%. La calibrazione interna del digitalizzatore porta ad un'incertezza di ±0,2°C rispetto ai ±0.15°C ottenuti con la calibrazione a bagno d'olio. Successivamente, è stata effettuata l'analisi del trasferimento di calore stazionario e instabile. Il nuovo metodo di calcolo sviluppato da Oldfield ha permesso di ottenere il flusso di calore partendo dall'andamento della tensione. L'andamento del coefficiente di scambio termico ottenuto dalla precedente analisi a midspan, ha mostrato un aumento non solo nel LE ma anche nella parte posteriore del lato di aspirazione (88% dell'ascissa curvilinea) dovuto all'effetto destabilizzante del rotore e alla riduzione dell’accelerazione del flusso che ha determinato il passaggio da laminare a turbolento. È stata valutata la ripetibilità test to test. La distribuzione della pressione delle pale dello statore è stata calcolata e confrontata con i risultati CFD mostrando un buon accordo. Lo studio delle condizioni aerodinamiche ha permesso di interpretare l'andamento del coefficiente di scambio termico verificandone l'influenza su quest'ultimo. Le misure effettuate al 90% della campata hanno invece mostrato un picco molto più avanzato verso il LE (35% dell'ascissa curvilinea) probabilmente per effetto dei flussi secondari in prossimità dell'involucro che hanno indotto una transizione prematura. La distribuzione del numero di Nusselt, in funzione del numero Re e della turbolenza, trovando una buona corrispondenza con le correlazioni di Lowery e Vachon utilizzate per prevedere il numero di Nusselt sul punto di stagnazione. L'analisi instabile è stata effettuata utilizzando la funzione pWelch su Matlab evidenziando l'influenza del rotore soprattutto nella parte posteriore del lato aspirazione dove il contenuto in frequenza è maggiore e sono chiaramente distinguibili la frequenza di passaggio della pala (4,7 kHz) e le armoniche associate, anche prima dell'inizio della prova. In accordo con l'analisi instabile, l'andamento del RMS ha, inoltre, mostrato fluttuazioni più pronunciate nella parte posteriore del lato di aspirazione. L'analisi del periodo antecedente l'inizio della prova ha permesso di individuare picchi di frequenza spuri non riconducibili ad un comportamento reale e fisico del fluido, confermando inoltre che le discrepanze da prova a prova nell'andamento RMS erano dovute alla presenza di rumore. La transizione da laminare a turbolenta è stata analizzata attraverso l’intermittency factor e lo skewness. Poiché il lato aspirazione è responsabile di gran parte delle perdite complessive, nelle future indagini e campagne sperimentali dovrebbe essere utilizzato un numero maggiore di sensori per essere maggiormente indagati al fine di poter conoscere opportunamente l'andamento dell’intermittency factor e dello skewness che nella presente valutazione, per la mancanza di sufficienti punti di misurazione nell'area della discussione, non ha fornito risultati coerenti con le aspettative.