Axial Turbine Rotor Aero-thermal Blade Tip Performance Improvement through Flow Control

179 Pages·2008·32.35 MB·English

ETH Library
Axial Turbine Rotor Aero-
thermal Blade Tip Performance
Improvement through Flow Control
Doctoral Thesis
Author(s):
Mischo, Bob
Publication date:
2008
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-005707946
Rights / license:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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DISS. ETH NO. 17813
Axial Turbine Rotor
Aero-thermal Blade Tip Performance
Improvement through Flow Control
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Bob MISCHO
Dipl.-Ing. TU Kaiserslautern
born 13.7.1977
citizen of Luxembourg
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. R. S. Abhari, examiner
Prof. Phillip M. Ligrani, co-examiner
Prof. Dr. A. Steinfeld, co-examiner
Zu¨rich, 2008
Abstract
In the majority of axial high-pressure turbine designs, often shroudless,
highlyloadedrotorbladesareused. Suchdesignsareveryattractive froman
economical pointof view in aero engines forexample since theengine weight
is reduced compared to heavier shrouded rotors with higher blade counts.
Furthermore, higher turbine inlet temperatures are constantly aimed for to
increase thermal efficiency and power output. However, in un-shrouded ro-
tors,tipleakage, drivenbythebladeloading,occursfrompressuretosuction
side and generates about 1/3 of all the losses in an axial high-pressure tur-
bine stage. In addition, the hot tip leakage imposes lifetime limiting heat
load to the rotor blade tips. This work explores in a computational study
flexible and efficient ways of active and passive flow control to increase aero-
thermal blade tip performance of shroudless, highly loaded axial turbine
rotor airfoils. In a first step highly accurate three-dimensional CFD tools
havebeendevelopedin-housetoperformthecomputationalinvestigation. A
major part of this development focused on efficient, robust and high quality
numerical grid generation for axial turbomachinery application. In a second
step two novel approaches inactive and passivetip flow control weredefined
and the effect on aero-thermal blade tip performance was compared to the
base line flat tip case without flow control. The active flow control config-
uration used coolant fluid injected from the casing to influence tip leakage
aerodynamics of a flatblade tip in view of a tip leakage mass flow reduction.
A set of injection conditions and hole arrangement resulting in an optimum
tip leakage control were found. A flow model summarizing different inter-
action mechanisms between tip leakage and injection fluid was developed.
The passive control focused on profiling of recess cavity walls. Based on
the three-dimensional cavity flow occurring in a nominal recess design with-
out profiling a new recess design with profiled cavity was developed. The
new design reduced tip leakage mass flow and cavity heat transfer. At the
same time the overall power output and thermal efficiency were increased.
The numerical results were extensively validated by measured data gener-
ii
ated inanexperimentalstudyonthesameconfigurationsinvestigated inthe
present work. The good agreement between computational and measured
data shows that the suggested flow control alternatives are practical and
applicable in both currently existing and future turbine designs.
iii
Zusammenfassung
In heutigen Hochdruckturbinen werden mehrheitlich Rotoren ohne Deckand
verwendet. Diese zeichnen sich durch einen hohen Arbeitsumsatz aus. Aus
wirtschaftlicher Hinsicht sind diese Ausfu¨hrungen vorteilhaft, da beispiel-
weise das Gewicht eines Flugzeugtriebwerks mit solchen Rotoren gegenu¨ber
denen mit Deckband an der Schaufelspitze, verringert werden kann. Weiter-
hin wird zwecks Wirkungsgrad- undLeistungssteigerung nach immer h¨oher-
en Turbineneintrittstemperaturen gestrebt. Jedoch bietet der Spalt zwi-
schen Rotorschaufelspitze und Turbinengeh¨ause Raum fu¨r eine Ausgleichs-
str¨omung von der Druck- zur Saugseite. Diese sogenannte Schaufelspitzen-
str¨omung ist in mehreren Hinsichten unerwu¨nscht. Zum einen wird ca. 1/3
aller aerodynamischen Verlusten in einer Hochdruckturbinenstufedurch das
AusmischendesSchaufelspitzenwirbelshervorgerufen,welcher beidemWie-
dereintritt des Lekagestroms in die Schaufelpassage entsteht. Des Weiteren
ist dieser Leakgestrom infolge seiner hohen Temperatur fu¨r eine starke ther-
mische Beanspruchung der Schaufelspitzen verantwortlich, welche bei unzu-
reichender Ku¨hlung unter dieser thermischen Last versagen. Somit beein-
flusstder Spaltstrom auch massgeblich die Lebensdauer der Rotorschaufeln.
Die vorliegende Arbeit untersucht mit Hilfe von numerischen Str¨omungssi-
mulationen (CFD) sowohl aktive als auch passive Massnahmen zur Kon-
trolle der Schaufelspitzenstr¨omung mit dem Ziel den Wirkungsgrad und
die Lebensdauer von Rotorschaufeln ohne Deckband zu erh¨ohen. In einem
ersten Schritt wurden geeignete Str¨omungssimulationsprogramme zur Un-
tersuchung der Schaufelspitzenstr¨omung entwickelt. Dabei stand besonders
die Generierung von numerischen Gittern im Vordergrund, welche robuste
und genaue Str¨omungssimulationen innerhalb einer realistischen Zeit lie-
fern konnten. In einem zweiten Schritt wurden zwei neuartige Konzepte zur
KontrollederSchaufelspitzenstr¨omungerarbeitetundderenEinflussaufden
WirkungsgradsowiedieW¨armeleitunganderSchaufelspitzeuntersucht.Die
sogenannteaktiveKontrollebestandinderEindu¨sungvonKu¨hlluftausdem
Turbinengeh¨ause u¨ber den Rotorschaufeln. Ziel dieser Eindu¨sung war eine
iv
Ver¨anderung der Aerodynamik, welche zu einem verringerten Spaltstrom
fu¨hrenwu¨rde.ZudiesemZweckewurdenverschiedeneEindu¨sungskonfigura-
tionen untersucht. Schliesslich wurde mit Hilfe der optimalen Konfiguration
ein Modell zur Erkl¨arungder relevanten Str¨omungsmechanismen infolge der
Eindu¨sung erstellt. Die passive Methode lieferte eine optimierte Schaufel-
spitzengeometrie. Dabei wurde die Geometrie einer aus der Schaufelspitze
ausgehobenen Tasche mit Hilfe von dreidimensionaler Str¨omungsuntersu-
chung optimiert. Die Untersuchungen zeigten, dass der Rotor mit dieser
Spitzengeometrie, den Spaltstrom und die W¨armeleitung in die Schaufel-
spitze, verringerte. Zudem wurden der Wirkungsgrad und die Leistungsab-
gabe erh¨oht. Die Simulationsergebnisse wurden weitreichend mit Hilfe von
experimentellen Daten validiert. Die experimentell untersuchten Konfigu-
rationen aus denen diese Daten hervorgingen, waren identisch mit den in
dieser Arbeit numerisch untersuchten Konfigurationen. Die gute U¨berein-
stimmung der numerischen Ergebnissen mit den Messdaten, best¨atigt die
Funktionsweise der vorgestellten Konzepte zur Verbesserung der Schaufel-
spitzenstr¨omung und beweist, dass ihre praktische Anwendung in heutigen
und zuku¨nftigen Hochdruckturbinen m¨oglich ist.
v
Acknowledgements
This thesis is a result of my research work at the Laboratory for Energy
Conversion (LEC) at the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich.
I would like to thank Prof. Reza S. Abhari for giving me the opportunity
to do this work at LEC and for his support and guidance throughout the
project. I also would like to thank Prof. Phillip M. Ligrani for accepting to
be co-referent of this work.
I would like to thank my fellow CFD group colleague Dr. Andre Burdet
who accompanied me all along this project and Dr. Thomas Behr who was
my partner in this project and allowed me to use his experimental results
for validation.
I thank Dr. Djamel Lakehal, Dr. Anestis I. Kalfas, Dr. Martin G. Rose
and Prof. Ndaona Chokani for their general support. In this sense I also
would like to thank Prof. Seung Jin Song for the fruitful discussions.
I would like to thank Marlene Hegner for all support in administrative
matters and for substantially helping in creating the nice atmosphere found
at the lab. I thank all my colleagues from LSM and LEC for the great
support, optimistic thoughts and ideas I obtained.
This work was largely dependent on the conscientious work of ETH sys-
tem administrators for the computational resources. I thank all members
of the different groups, especially Dr. Olivier Byrde who always offered
valuable piece of advice beyond the usual.
Finally, Ithankmyparentsandfamilyaswellasfriendsfortheirsupport
and encouragement.
Zurich, 2008.
vi
Contents
1 Introduction 1
2 Literature survey and current work objective 7
2.1 General reviews . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Tip leakage aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Blade tip heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Unsteady three-dimensional Computational Fluid Dynamics . 16
2.5 Flow control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 Objective of current work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Numerical Method 20
3.1 Pre-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.1 Grid generation techniques . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Grid quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.3 Grid generator MESHBOUND . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.4 Data structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 MULTI3 flow solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Reynolds Averaged Navier Stokes Equations. . . . . . 38
3.2.2 Finite volume apporach . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3 Boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.4 Stability analysis and time step . . . . . . . . . . . . . 48
4 Axial Turbine Facility LISA 49
4.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Computational model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Control using Casing Injection 56
5.1 Numerical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Injection modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.1 Injection configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
vii
5.2.2 Feature-based injection model . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3.1 Time-averaged wall surface pressure . . . . . . . . . . 67
5.3.2 Time-averaged tip leakage flow balance . . . . . . . . 70
5.3.3 Time history of tip clearance flow. . . . . . . . . . . . 73
5.3.4 Flow model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6 Control using Recessed Blade Tip 84
6.1 Flat tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2 Recessed tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3 Recess cavity design procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.1 Numerical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.2 Recess geometrical paramters . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.3 Step 1: Length and depth variation . . . . . . . . . . . 90
6.3.4 Step 2: Three-dimensional cavity flow . . . . . . . . . 93
6.3.5 Step 3: Final optimization . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.6 Improved design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.4 Single row results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4.1 Cavity aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4.2 Tip aerodynamic sealing . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.4.3 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.4.4 Validation with experimental results . . . . . . . . . . 105
6.5 Multi row results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.5.1 Numerical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.5.2 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.5.3 Time-averaged blade tip loading . . . . . . . . . . . . 116
6.5.4 Rotor outlet flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.5.5 Tip leakage flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.5.6 Temporal evolution of tip leakage mass flow . . . . . . 121
6.5.7 Unsteady recess flow physics . . . . . . . . . . . . . . 128
6.5.8 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.6 Conceptual experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7 Discussion and Conclusion 146
7.1 Code development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.2 Casing injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.3 Recessed blade tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.4 Common flow control effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
viii
8 Future Work 151
ix