Experimental modelling of gas turbine rim seals

Abstract

The gas turbine engine has been used in a variety of applications ranging from electric power generation to aerospace and marine propulsion. The strict environmental regulations and increasing fuel prices have encouraged the engine manufacturers to design sophisticated engines with high efficiencies. Increasing the turbine entrance temperature (TET) is a common practice to reduce the specific fuel consumption of a gas turbine and therefore temperatures above the melting point of materials may be reached. Bleeding air directly from the compressor stage can be used to protect the components from overheating and fouling, however, over purging will reduce significantly the efficiency and performance of the engine.One important problem that gas turbine designers face is the ingestion of hot gases into the cavities formed between the stationary and rotating discs. Rim seals are fitted at the periphery of the discs to reduce the required amount of purge. Ingress is principally caused by the swirled mainstream flow and its interaction with the rotating blades and egress. This thesis aims to study ingress from the simplest possible configuration and gradually increase the complexity to reach engine scaled conditions. Additionally, this research remarks the importance of the external annulus swirl to the ingestion problem which has not been properly acknowledged yet in the literature.Experimental measurements of ingress in the wheel-spaces upstream and downstream of a rotor disc is presented using an axial 1.5-stage turbine rig. Theoretical and computational results accompany some of the experimental findings in order to explain the physics of ingress. A series of generic, however, engine representative seals is tested to assess their performance and reduction of required purge. Gas concentration measurements of CO2 were used to quantify the amount of ingress in the cavity and derive sealing effectiveness. The flow structure in the cavity was revealed by measuring the time average pressure and swirl ratio. Monitoring the unsteady pressure in the rim seal cavity allowed to study the rotating large-scale structures. The flow field in the annulus was interrogated by a five hole-probe and the annulus swirl ratio was derived.Ingress under rotationally induced conditions was studied for a range of seals using a rotor disc without blades and a stator platform without vanes. The distribution of effectiveness and pressurein the cavity was collected experimentally for many conditions and was validated with CFD data which demonstrated excellent agreement and revealed rotating regions of ingress and egress; furthermore, a predictive cavity model was capable to capture the pressure distribution. The importance of the annulus swirl ratio to ingestion was demonstrated under off-design conditions. Ingress was measured in the downstream cavity using three rotors, one without blades and two with blades but with different degrees of reaction; that way the flow coefficient was decoupled from the annulus swirl ratio. The variation of effectiveness was plotted for the first time against the swirl ratio and demonstrated similar levels of ingress regardless of the blade profile. A theoretical model based on turbulent transport was successfully used to fit a curve to the experimental data capturing the characteristics.The influence of flow coefficient on ingress was studied in the upstream and downstream cavities using a rotor with and without blades, and a stator platform with and without vanes respectively. The interaction of the mainstream flow with the blades changed the swirl ratio in the annulus leading to increased ingress; this was especially noticeable over a narrow range of flow coefficients corresponding to the leading edge of the blade. Similarly, the downstream vanes alter the swirl in annulus and increased ingress with the effect to be reflected in the swirl ratio of the rotating core. Measurements of the unsteady pressure in the upstream cavity revealed rotating large-scale structures which were linked to ingress. The structures were present for both rotors, but their effect was intensified by the rotor blades.

Ο κινητήρας αεριοστροβίλου χρησιμοποιείται σε πλήθος εφαρμογών, από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έως την αεροδιαστημική και τη ναυτική πρόωση. Οι όλο και αυστηρότεροι περιβαλλοντικοί κανονισμοί, σε συνδυασμό με την άνοδο των τιμών καυσίμου, έχουν οδηγήσει τους κατασκευαστές στον σχεδιασμό όλο και πιο εξελιγμένων κινητήρων υψηλής απόδοσης. Συνήθης πρακτική για τη μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου είναι η αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου στον στρόβιλο (TET), η οποία όμως μπορεί να οδηγήσει σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν το σημείο τήξης των υλικών. Για την προστασία των εξαρτημάτων από την υπερθέρμανση και τη ρύπανση, απάγεται αέρας απευθείας από τον συμπιεστή· η υπερβολική όμως χρήση αυτού του αέρα καθαρισμού (purge) υποβαθμίζει σημαντικά την απόδοση και τη συνολική ενεργειακή αποδοτικότητα του κινητήρα. Ένα από τα βασικά προβλήματα που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι σχεδιαστές αεριοστροβίλων είναι η εισροή θερμών αερίων στις κοιλότητες που σχηματίζονται ανάμεσα σε σταθερούς και περιστρεφόμενους δίσκους. Για τον περιορισμό της, τοποθετούνται στην περιφέρεια των δίσκων εμπόδια (rim seals), τα οποία μειώνουν την ποσότητα του απαιτούμενου αέρα καθαρισμού. Η εισροή οφείλεται κυρίως στη στροβιλισμένη κύρια ροή και στην αλληλεπίδρασή της με τα περιστρεφόμενα πτερύγια και την εκροή. Η παρούσα διατριβή προσεγγίζει το φαινόμενο ξεκινώντας από την απλούστερη δυνατή διάταξη και αυξάνοντας σταδιακά την πολυπλοκότητα, έως ότου προσομοιωθούν συνθήκες αντίστοιχες πραγματικού κινητήρα. Παράλληλα, αναδεικνύεται η σημασία του στροβιλισμού του εξωτερικού δακτυλίου (annulus) στο πρόβλημα της εισροής, μια παράμετρος που δεν έχει μελετηθεί επαρκώς στη μέχρι σήμερα βιβλιογραφία.Στο πλαίσιο της έρευνας, παρουσιάζονται πειραματικές μετρήσεις εισροής στους θαλάμους ανάντη και κατάντη ενός περιστρεφόμενου δίσκου, με χρήση αξονικής διαβάθμισης στροβίλου 1,5 σταδίων, ενώ θεωρητικά και υπολογιστικά αποτελέσματα συνοδεύουν μέρος των πειραματικών ευρημάτων για την ερμηνεία της φυσικής του φαινομένου. Εξετάστηκε μια σειρά γενικών αλλά αντιπροσωπευτικών στεγανοποιητικών διατάξεων, με στόχο την αξιολόγηση της απόδοσής τους και τη μείωση του απαιτούμενου αέρα καθαρισμού. Η ποσότητα της εισροής στην κοιλότητα προσδιορίστηκε μέσω μετρήσεων συγκέντρωσης CO2, από τις οποίες εξήχθη η αποτελεσματικότητα στεγανοποίησης, ενώ η δομή της ροής αποτυπώθηκε μέσω μέτρησης της μέσης χρονικά πίεσης και του λόγου στροβιλισμού. Η καταγραφή της μη μόνιμης πίεσης στην κοιλότητα του στεγανοποιητικού χείλους επέτρεψε τη μελέτη των περιστρεφόμενων δομών μεγάλης κλίμακας, ενώ το πεδίο ροής στον δακτύλιο διερευνήθηκε με ανιχνευτή πέντε οπών, από τον οποίο προέκυψε ο αντίστοιχος λόγος στροβιλισμού. Η εισροή υπό συνθήκες που προκαλούνται αποκλειστικά από την περιστροφή μελετήθηκε για σειρά στεγανοποιητικών διατάξεων, με χρήση περιστρεφόμενου δίσκου χωρίς πτερύγια και πλατφόρμας στάτορα χωρίς πτερύγια οδηγού. Η κατανομή της αποτελεσματικότητας και της πίεσης στην κοιλότητα καταγράφηκε πειραματικά για ευρύ φάσμα συνθηκών και επικυρώθηκε με δεδομένα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), τα οποία παρουσίασαν εξαιρετική συμφωνία και αποκάλυψαν περιστρεφόμενες περιοχές εισροής και εκροής. Επιπλέον, αναπτύχθηκε προγνωστικό μοντέλο κοιλότητας ικανό να αποτυπώσει την κατανομή της πίεσης. Η σημασία του λόγου στροβιλισμού (swirl ratio) του δακτυλίου για την εισροή αναδείχθηκε και υπό συνθήκες εκτός σχεδιασμού. Η εισροή στην κατάντη κοιλότητα μετρήθηκε με χρήση τριών ρότορων έναν χωρίς πτερύγια και δύο με πτερύγια διαφορετικού βαθμού αντίδρασης ώστε ο συντελεστής ροής να αποσυνδεθεί από τον λόγο στροβιλισμού του δακτυλίου. Η μεταβολή της αποτελεσματικότητας απεικονίστηκε για πρώτη φορά συναρτήσει του λόγου στροβιλισμού και ανέδειξε παρόμοια επίπεδα εισροής ανεξαρτήτως προφίλ πτερυγίου, εύρημα που περιγράφηκε επιτυχώς μέσω θεωρητικού μοντέλου βασισμένου στην τυρβώδη μεταφορά. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση του συντελεστή ροής στην εισροή, τόσο στην ανάντη όσο και στην κατάντη κοιλότητα, με χρήση ρότορα με και χωρίς πτερύγια, καθώς και πλατφόρμας στάτη με και χωρίς πτερύγια οδηγού αντίστοιχα. Η αλληλεπίδραση της κύριας ροής με τα πτερύγια μετέβαλε τον στροβιλισμό στον δακτύλιο και οδήγησε σε αυξημένη εισροή, με το φαινόμενο να είναι ιδιαίτερα έντονο σε στενό εύρος συντελεστών ροής γύρω από το χείλος προσβολής του πτερυγίου. Αντίστοιχα, τα κατάντη πτερύγια οδηγού μετέβαλαν τον στροβιλισμό στον δακτύλιο, αυξάνοντας την εισροή με τρόπο που αντικατοπτρίστηκε στον λόγο στροβιλισμού του περιστρεφόμενου πυρήνα. Μετρήσεις της μη μόνιμης πίεσης στην ανάντη κοιλότητα αποκάλυψαν περιστρεφόμενες δομές μεγάλης κλίμακας συνδεδεμένες με την εισροή· οι δομές αυτές εμφανίστηκαν και στους δύο ρότορες, με την επίδρασή τους όμως να εντείνεται παρουσία πτερυγίων.