Control of rotor tip leakage and secondary flow by casing air injection in unshrouded axial turbines

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1 Research Collection Doctoral Thesis Control of rotor tip leakage and secondary flow by casing air injection in unshrouded axial turbines Author(s): Behr, Thomas Publication Date: 2007 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH No Control of Rotor Tip Leakage and Secondary Flow by Casing Air Injection in Unshrouded Axial Turbines A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH (ETH Zürich) for the degree of Doctor of Sciences presented by THOMAS BEHR Dipl.-Ing., Dresden University of Technology, Germany born January 14, 1978 citizen of the Federal Republic of Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. Reza S. Abhari, examiner Dr. Erik Janke, co-examiner Dr. Anestis I. Kalfas, co-examiner Zurich 2007

3 V Abstract The objective of this work is to study control mechanisms for rotor tip leakage and secondary flows in unshrouded high-pressure axial turbines to improve turbine aerodynamic efficiency. This thesis presents the results of a detailed experimental study on a one-and-1/2-stage, unshrouded, axial turbine test rig. The turbine was especially designed for this investigation to model a highly loaded, high pressure, multi-stage turbine environment. The design of the blade rows, the mechanical turbine design, as well as instrumentation and commissioning of the turbine represent a substantial part of this work. For the evaluation of the time-resolved turbine flow, the unsteady flow fields at inlet and exit of all blade rows are measured with a high spatial resolution with a 2- sensor fast-response aerodynamic probe technique. Due to the low aspect ratio and the high loading of the turbine profiles secondary flow structures dominate up to 50% of the blade span at the exit of the first stage. The unsteady interaction of secondary flow vortices of the stator with the secondary flow and the tip leakage flow of the rotor is one major source of losses in the first turbine stage. At the exit of the first rotor the interaction region of stator and rotor secondary flows appears periodically with the rotor blade passing frequency at a fixed location in the stationary frame of reference. By changing the circumferential position of the first stator row relative to the second one, the location of this interaction region can be adjusted relative to the leading edge of the second stator. The high threedimensionality of the flow induced by secondary vortex interaction causes local changes of total pressure loss in the second stator with clocking, whereas the overall change is found to be only marginal. Stator clocking in high pressure turbine is therefore seen as a tool to control the radial distribution of massflow and loss in a downstream stator. The potential of loss reduction is judged to be limited. This finding also implies that the wake model commonly used to describe the effect of clocking on performance is not applicable in high-pressure turbines due to the dominance of secondary flow structures. In this work a novel method is investigated that aims to reduce the rotor tip leakage flow and hence the losses associated to the interaction of the tip leakage vortex with the main passage flow. Cooling air is injected through an array of holes in the rotor casing that are inclined in circumferential direction, such that the injected fluid counteracts the motion of the tip leakage flow. Injection massflows representing 0.7% and 1.0% of the turbine massflow were tested at the axial injection locations at 30% and 50% rotor axial chord. The

4 VI interaction of the injected fluid with the main passage flow is explained with a theoretical flow model that differentiates two interaction regions. In region one the injection opposes the flow through the rotor tip gap and causes a reduction and deflection of the tip leakage flow towards a more downstream position. In the second region the flow is injected into the rotor passage and interacts with the cross-passage flow of the rotor. It has been experimentally observed that the casing air injection reduces the turbulence intensity of the rotor tip leakage and tip passage vortex. It further reduces the size of both vortices, such that they are located more within the casing-suction side corner of the rotor blade. The overall turbulent kinetic energy (TKE) of the rotor exit flow field reduces linearly with the injection rate. With an injection of 1% of the turbine massflow the TKE reduces by 25% in the rotor exit plane with respect to the non-injection case. The evaluation of isentropic efficiencies of the injection cases has shown that the aerodynamic performance of the rotor can be improved with the casing injection. The injection causes an attenuation of the losses due to rotor tip leakage and secondary flows. However, the negative momentum of the injected fluid reduces also the work output of the rotor. In the current study, the optimum between the two competing effects was found at an injection of 0.7% of the turbine massflow at 30% axial chord, which improved the isentropic efficiency of the turbine stage by 0.55 percent points.

5 VII Kurzfassung Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Kontrollmechanismen für Spitzenspalt- und Sekundärströmungen in Laufrädern von deckbandlosen Hochdruckturbinenstufen, um deren aerodynamischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Diese Doktorarbeit präsentiert die Ergebnisse einer ausführlichen experimentellen Untersuchung an einer 1.5-stufigen, deckbandlosen axialen Versuchsturbine. Die Turbine wurde speziell für diese Untersuchung entworfen, und stellt ein Modell einer hochaufgeladenen Hochdruckturbinenstufe in einem Verband von mehreren Stufen dar. Die Auslegung der Beschaufelung, das mechanischen Turbinendesign, sowohl die Instrumentierung und Inbetriebnahme der Turbine stellen einen wichtigen Teil dieser Arbeit dar. Um die zeitaufgelösten Strömungsfelder analysieren zu können, wurde die Strömung am Eintritt und Austritt aus jeder Schaufelreihe mit einer hohen räumlichen Auflösung mit schnellen aerodynamischen 2- Sensor-Sonden vermessen. Aufgrund des niedrigen Schaufelhöhenverhältnisses und der hohen Aufladung der Schaufelprofile dominieren Sekundärströmungsstrukturen bis zu 50% der Höhe des Strömungskanals am Austritt der ersten Stufe. Die instationäre Interaktion von Sekundärströmungswirbeln des ersten Leitrads mit der Sekundärströmung und Spitzenleckageströmung des Laufrads ist ein Hauptursache von Verlusten in der ersten Turbinestufe. Am Austritt des Laufrads der ersten Stufe erscheint die Interaktionsregion der Leitrad- und Laufradsekundärströmungen periodisch mit der Frequenz der Laufradschaufeln an einer festen Position im stationären Bezugssystem. Indem man die relative Umfangsposition von erster und zweiter Leitradreihe ändert, kann die Position dieser Interaktionsregion gegenüber der Vorderkante des zweiten Leitrads eingestellt werden. Der hochgradig drei-dimensionale Charakter des Strömungsfelds liegt begründet in der Interaktion von Sekundärströmungswirbeln. Diese verursacht lokale Veränderung des Totaldruckverlusts im zweiten Stator durch Clocking, wobei der globale Effekt minimal bleibt. Aus dieser Feststellung wird geschlussfolgert, dass das Einstellen der relativen Umfangsposition zweier Leitradreihen in Hochdruckturbinen als Hilfsmittel gesehen werden kann, um die radiale Verteilung von Massenstrom und Verlusten im stromab gelegenen Leitrad einzustellen. Die Potential den Gesamtverlust zu dadurch zu verringen wird als gering eingeschätzt. Das allgemein gebräuchliche Nachlaufdellenmodell zur Erklärung der Wirkungsgradänderung durch Clocking wird für

6 VIII Hochdruckturbinen als nicht anwendbar angesehen, aufgrund der Dominanz von Sekundärströmungen. In dieser Arbeit wird eine neuartige Methode untersucht, welche die Spitzenspaltleckageströmung reduzieren soll und somit auch die Verluste, die durch die Interaktion von Leckage und Hauptströmung verursacht werden. Kühlluft wird dafür durch eine Reihe von Löchern in der äusseren Gehäusewand in die Spitzenregion der Laufradschaufeln eingedüst. Die Löcher sind in Umfangsrichtung ausgerichtet, dass der eingedüste Massenstrom der Bewegung des Spaltleckageströmung des Laufrads entgegenwirkt. Es wurden Konfigurationen mit Injektionsmassenströmen getestet, die 0.7% und 1.0% des Turbinenmassenstroms repräsentieren. Kühlluft wurde dabei bei 30% und 50% der axialen Sehnenlänge des Laufradprofils eingedüst. Die Interaktion zwischen dem eingedüsten Fluid und der Rotorströmung wird anhand eines theoretischen Strömungsmodell erklärt, welches zwei unterschiedliche Regionen unterscheidet. In der einen Region wirkt die Eindüsung dem Leckagemassenstrom entgegen und verursacht eine stromabwärts gerichtete Verdrängung der Leckageströmung. In der zweiten Region wird die Kühlluft in die Laufradpassage eingedüst und interagiert mit der Grenzschichtströmung an der Gehäusewand, die von der Druckseite zur Saugseite der Laufradprofile gerichtet ist. Es konnte experimentell festgestellt werden, dass die Eindüsung den Turbulenzgrad des Spitzenleckagewirbels und des Laufradpassagenwirbels verringert. Weiterhin bewirkt diese eine Verringerung der Grösse der beiden Wirbel. Das Gesamtniveau der turbulenten kinetischen Energie der Laufradaustrittsströmung verringert sich linear mit dem Kühlluftmassenstrom. Eine Eindüsung von 1% des Gesamtmassenstrom verringert die turbulente kinetische Energie in dieser Messebene um 25% im Vergleich zum einem Fall ohne Eindüsung. Die Analyse des isentropen Wirkungsgrads hat gezeigt, dass die aerodynamische Leistung des Laufrads mit der Kühllufteindüsung verbessert werden kann. Die Eindüsung von Kühlluft führt dabei zu einer Verringerung der Verluste durch die Spaltleckageströmung und der Sekundärströmungen. Allerdings prägt sie gleichzeitig dem Laufrad ein negatives Moment auf, welches die Arbeit des Laufrads verringert. In der hier durchgeführten Untersuchung konnte ein Optimum zwischen diesen beiden gegensätzlichen Effekten gefunden werden. Bei einer Eindüsung von 0.7% des Turbinenmassenstromes bei 30% axialer Sehnenlänge des Laufradprofils verbesserte sich der isentrope Wirkungsgrad um 0.55 Prozentpunkte.