Αλληλεπίδραση διαταραχών ροής με οριακό στρώμα πτερυγίου στροβίλου χαμηλής πίεσης

Abstract

The research trend in low pressure turbine blade optimization over the past three decades is clearly headed towards taking advantage of the unsteady flow phenomena. The object of this thesis is the experimental and computational investigation of the wake – blade interaction in a two dimensional rotor – stator cascade model in a specially built experimental setup. Fully automated, high density hot - wire measurements were carried out. The data analysis was performed in a steady as well as in an unsteady basis employing the phase averaging technique and the proper orthogonal decomposition method. The aim of this thesis is the examination of the applicability of the previously reported transition phenomena in the case of transition produced by blade wakes instead of wakes produced by simplified bodies, often used for research purposes. Along with the above, a detailed database of measured quantities was created for the purpose of validation of turbulence models. For achieving the above, a stationary, two – dimensional blade wake was examined experimentally as well as computationally and also, velocity measurements were carried out in the wake passage as well as in the suction side boundary layer of a cascade under the influence of moving wakes. The static wake under investigation was found to be highly asymmetric and anisotropic. The convecting wake, inside the wake passage, was found to be more resistant to separation than the one produced by a simple cylinder in similar studies. This observation could be utilized in the optimization of the design of highly loaded turbine blades.

Η εκμετάλλευση μη μόνιμων ροϊκών φαινομένων σε στροβίλους χαμηλής πίεσης για τη βελτίωση των επιδόσεών τους αποτελεί αντικείμενο εντατικής έρευνας τις τελευταίες δεκαετίες. Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση της αλληλεπίδρασης απόρρου – οριακού στρώματος σε μοντέλο δισδιάστατης συστοιχίας στάτορα ρότορα ειδικά κατασκευασμένης πειραματικής διάταξης. Για το σκοπό αυτό διεξήχθησαν μετρήσεις θερμού σύρματος με τρόπο πλήρως ελεγχόμενο από ηλεκτρονικό υπολογιστή και αυτοματοποιημένο. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων έγινε σε χρονικά μόνιμη βάση, και σε μη μόνιμη με τη βοήθεια συγχρονισμού κατά φάσεις και επεξεργασία με τη μέθοδο της κανονικής ορθογώνιας αποσύνθεσης. Σκοπός της διατριβής είναι η αναγνώριση γνωστών φαινομένων μετάβασης στην προσέγγιση δημιουργίας απόρρου πραγματικού πτερυγίου αντί απλοποιημένων σωμάτων που συχνά χρησιμοποιούνται για ερευνητικούς σκοπούς με ταυτόχρονη δημιουργία βάσης δεδομένων μετρημένων μεγεθών για την αξιολόγηση μοντέλων τύρβης. Για την επίτευξη των παραπάνω, εξετάστηκε πειραματικά και υπολογιστικά ένας μεμονωμένος στατικός απόρρους δισδιάστατου μοντέλου πτερυγίου αλλά και διενεργήθηκαν μετρήσεις του πεδίου ταχυτήτων εντός του χώρου μεταξύ δύο κινητών πτερυγίων αλλά και εντός του οριακού στρώματός τους. Ο στατικός απόρρους παρατηρήθηκε ότι είναι έντονα μη συμμετρικός και ανισότροπος. Ο κινούμενος απόρρους εμφανίστηκε ανθεκτικότερος σε αποκόλληση σε σχέση με αυτόν που παρατηρείται στη βιβλιογραφία σε μελέτες απόρρου κυλίνδρων, παρατήρηση που μπορεί να αξιοποιηθεί στο σχεδιασμό πτερυγίων υπέρ-υψηλής άνωσης.