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Experimental Investigation of the Interaction between Purge and Main Annulus Flow upstream of a Guide Vane in a Low Pressure Turbine

Schrewe, Sebastian :
Experimental Investigation of the Interaction between Purge and Main Annulus Flow upstream of a Guide Vane in a Low Pressure Turbine.
[Online-Edition]
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimental Investigation of the Interaction between Purge and Main Annulus Flow upstream of a Guide Vane in a Low Pressure Turbine
Language: English
Abstract:

In modern gas turbines or jet engines, the ingestion of hot gas through the hub-side gap between rotor and stator blades has to be prevented successfully in order to shield the turbine discs from high temperatures. For this purpose, compressor air is fed into the rotor-stator wheelspace. There it purges and hence seals the unavoidable gap between the rotor and the stator row which is referred to as the rim seal.

In general, this so-called purge flow has detrimental effects. On the one hand, it does not fully contribute to the thermodynamic cycle of the engine. On the other hand, it spoils the main flow aerodynamics when it re-enters into the turbine. To reduce these detrimental effects and minimise the necessary amount of purge flow, a detailed understanding of the interaction between purge and main annulus flow is necessary. For this purpose, this topic has been investigated by several projects.

Whereas in most of these projects the interaction between purge and main annulus flow has been investigated upstream of a rotor row in a high pressure turbine, in this thesis the purge flow injection upstream of the stator row of a low pressure turbine is examined. This aims to broaden the general understanding of the interaction between purge and main annulus flow. Furthermore, a comparison of the effects upstream of a rotor row and upstream of a stator row is carried out.

For this investigation numerous experiments have been conducted during the EU Project MAGPI using the Large Scale Turbine Rig (LSTR) at Technische Universität Darmstadt. This test rig is equipped with different measurement techniques, including pressure taps, 5-hole probes, PIV and a tracer gas system. In their combination these measurement techniques offer the possibility to study the purge flow induced effects in great detail.

The measurements reveal a significant influence of purge flow on the flow field within the main annulus and the rim seal. With increasing purge flow, a negative incidence develops at the stator row. This increases the crossflow within the passage and amplifies secondary flows. In addition to this amplification of secondary flows, which is generally similar to results observed for purge flow injection upstream of a rotor row, a significant influence of the purge flow delivery is observed. Especially in low pressure turbines, the purge flow is often supplied through discrete holes in the rotor drum. At sufficiently high pressure ratios, the purge flow may leave these holes in the form of discrete jets. These so-called drive arm hole jets are examined to influence the flow field in the rim seal significantly in the current configuration. That is, they form a purge flow filled vortex in the rim seal, which suppresses the typical flow structure. In addition, these jets promote hot gas ingestion.

Overall, the method of the purge flow delivery is assessed to play a significant role on the effects caused by purge flow injection. Furthermore, the flow field measurements yield a detailed insight into the interaction between purge and main annulus flow.

Based on the results examined in this thesis, two different design proposals havebeen elaborated, which aim to reduce losses and hence increased the efficiency of the turbine

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In modernen Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken muss das Eintreten von heißen Gasen durch den nabenseitigen Spalt zwischen Rotorschaufeln und Statorschaufeln vermieden werden. Andernfalls kann es zu einer thermischen Überlastung der hochbelasteten Rotorscheiben kommen. Aus diesem Grund wird am Verdichter entnommene Luft durch diesen unvermeidbaren Spalt geblasen, um ihn gegenüber den heißen Gase abzusperren. Diese sogenannte Sperrluft hat in der Regel nachteilige Effekte. Zum einen nimmt sie nicht vollständig am Kreisprozess teil. Zum anderen verändert sie die Aerodynamik der Turbine und führt in den meisten Fällen zu erhöhten Strömungsverlusten. Um diese Verluste zu reduzieren und den benötigten Sperrluftmassenstrom zu verringern, ist ein umfassendes Verständnis über die Interaktion zwischen Hauptstrom und Sperrluftstrom unvermeidbar. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren zahlreiche Forschungsprojekte zu diesem Thema durchgeführt. Während sich der Großteil dieser Untersuchungen auf die Sperrluftausblasung stromauf der Rotorreihe einer Hochdruckturbine konzentriert, wird in der vorliegenden Arbeit die Sperrluftausblasung stromauf der Statorreihe einer Niederdruckturbine experimentell untersucht. Dies erweitert zum einen das generelle Verständnis über die Sperrluft - Hauptstrom Interaktion. Zum anderen können die Effekte stromauf einer Statorreihe mit denen stromauf einer Rotorreihe verglichen werden. Zu diesem Zweck wurden im Rahmen des EU Projektes MAGPI zahlreiche Versuche am „Large Scale Turbine Rig” (LSTR) der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. Dieser Prüfstand ist mit unterschiedlicher Messtechnik, wie statischen Druckmessstellen, Fünflochsonden, einem PIV System und einem Tracergas Messsystem ausgestattet. Dabei erlaubt besonders die Kombination dieser verschiedenen Messtechniken, die Sperrluft - Hauptstrom Interaktion im Detail zu untersuchen. Die durchgeführten Messungen zeigen einen deutlichen Einfluss der Sperrluft auf die Turbinen- und die Radseitenraumströmung auf. Mit steigendem Sperrluftmassenstrom kommt es zu einer ausgeprägten Fehlanströmung der Statorschaufeln. Hierdurch wird die Querströmung in der Passage und damit die Ausbildung von Sekundärströmungen angefacht. Zusätzlich zu dieser Verstärkung der Sekundärströmungen, welche in ähnlicher Weise auch bei der Sperrluftausblasung stromauf einer Rotorreihe auftritt, wurde ein deutlicher Einfluss durch die spezielle Art der Sperrluftzuführung festgestellt. So wird die Sperrluft in Niederdruckturbinen oft durch einzelne Bohrungen in der Rotortrommel zugeführt. Bei einem genügend hohen Druckverhältnis über diese Bohrungen tritt die Sperrluft in Form von diskreten Strahlen in den Radseitenraum ein. Diese sogenannten „Drive Arm Hole Jet” beeinflussen in der aktuellen Konfiguration die Strömung in der Radseitenraumdichtung. So bildet sich durch die Drive Arm Hole Jets ein diskreter Wirbel aus, der die Sperrluft in Umfangsrichtung durch die Radseitenraumdichtung transportiert und das generelle Strömungsfeld in dieser verändert. Des Weiteren begünstigen die Drive Arm Hole Jets den Heisgaseintritt. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Art und Weise der Sperrlufteinbringung einen deutlichen Einfluss auf die Auswirkung der Sperrluft hat. Zusätzlich bieten die Ergebnisse der Strömungsfeldvermessungen einen detaillierten Einblick in die Sperrluft - Hauptstrom Interaktion. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse wurden schließlich zwei Vorschläge erarbeitet, die das Ziel verfolgen, Verluste durch die Sperrluft zu reduzieren und damit den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Purge Flow, Turbine, Experimental Measurements, PIV, Gas Concentration Measurements, Turbine Aerodynamic, Low Pressure Turbine, Turbine Test Rig, LSTR, Secondary Flows, Losses, Efficiency, Flow Field Measurements, MAGPI, Turbine-cooling, Secodary Air System
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Sperrlufteinblasung, Turbine, Experimentelle Untersuchung, PIV, Gas Konszentrations Messtechnik, Turbinenaerodynamic, Niederdruckturbine, Turbinenprüfstand, LSTR, Sekundärströmungen, Verluste, Wirkungsgrad, Strömungsfeldvermessung, MAGPI, TurbinenkühlungGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
Date Deposited: 16 Mar 2015 13:50
Last Modified: 16 Mar 2015 13:50
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4350
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43504
Referees: Schiffer, Prof. Heinz-Peter and Bauer, Prof. Hans-Jörg
Refereed: 23 April 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4350
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