Numerical Investigations of Secondary Flows in Low-Pressure Turbines

QC 251120

Abstract

Denna avhandling handlar om sekundära flöden i lågtrycksturbiner, som är en av de viktiga komponenter som finns i gasturbiner och flygplansmotorer. Sekundära flöden syftar på de virvelstrukturer som bildas på grund av effekten av väggen där turbinbladet är fäst. Förlusterna som orsakas av sekundära flöden kan bidra upp till en tredjedel av de totala förlusterna i en turbin. De numeriska verktyg som används för att designa turbiner har fortfarande svårt med att kvantifiera sekundära förluster på ett tillförlitligt sätt, över olika inflödesvillkor. Sekundära flöden och dess förluster är starkt beroende på inflödesvillkor och särskilt på inkommande gränssiktet vid väggen. I denna avhandling använder vi högupplösta numeriska simuleringar av ett turbinblad med väggar för att försöka förstå hur olika inflödesvillkor påverkar förluster i turbinen. Vi betraktar tre olika fall, två fall med ett laminärt gränsskikt, med och utan friströmsturbulens (FST), och ett fall med ett turbulent gränsskikt och FST. Den turbulenta profilen är tagen från experiment och är representativ av ett gränsskikt som skulle hittas i en riktig motor. Alla simuleringar är utförda baserat på ett utlopp-Reynoldstal av 150,000. Vi analyserade först effekten av varierande inflödesvillkor på själva strömningen runt bladet. Borta från väggen ser vi att FST fördröjer separation på sugsidan och dämpar den storskaliga virvelavlösningen som sker på bakkanten. Vi märkte att FST hade ingen effekt på sekundära flöden och den övergripande bilden av förluster vid avloppet. För olika gränsskikt såg vi att förlusterna vid avloppet visade olika antal toppar, två för det laminära, och en för det turbulenta. Bildningen och utvecklingen av sekundära strukturer genom passagen påverkades betydligt mycket av förändringar i gränsskiktet. Vi tillämpade proper orthogonal decomposition (POD) för att försöka identifiera turbulenta strukturer i strömningen och såg att lågordningsmodellering för vå ra fall var inte lämplig. På grund av de kaotiska turbulenta fluktuationer i strömningen såg vi att ett stort antal moder behövdes för att fånga all energi i strömningen. Slutligen kunde vi använda POD för att analysera förluster för enskilda POD moder och tittade på distributionen av förluster över alla POD moder. Vi märkte att förlust produceras inte bara av låga moder, utan är utspridd över alla moder. Inom områ det nära väggen såg vi att passage virveln var ansvarig för huvuddelen av de förlusterna i turbin passagen.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-373044