Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Experimental Investigation of Turbine Stage Flow Field and Performance at Varying Cavity Purge Rates and Operating Speeds
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology.ORCID iD: 0000-0003-2784-2534
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology.ORCID iD: 0000-0002-1033-9601
2018 (English)In: Journal of turbomachinery, ISSN 0889-504X, E-ISSN 1528-8900, Vol. 140, no 3, article id 031001Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The aspect of hub cavity purge has been investigated in a high-pressure axial lowreaction turbine stage. The cavity purge is an important part of the secondary air system, used to isolate the cavities below the hub level from the hot main annulus flow. A fullscale cold-flow experimental rig featuring a rotating stage was used in the investigation, quantifying main annulus flow field impact with respect to purge flow rate as it was injected upstream of the rotor. Five operating speeds were investigated of which three with respect to purge flow, namely, a high loading design case, and two high-speed points encompassing the peak efficiency. At each of these operating speeds, the amount of purge flow was varied from 0% to 2%. Observing the effect of the purge rate on measurement plane averaged parameters, a minor flow angle decrease and Mach number increase is seen for the low speed case, while maintaining near constant values for the higher operating speeds. The prominent effect due to purge is seen in the efficiency, showing a linear sensitivity to purge of 1.3%-points for every 1% of added purge flow for the investigated speeds. While spatial average values of flow angle and Mach number are essentially unaffected by purge injection, important spanwise variations are observed and highlighted. The secondary flow structure is strengthened in the hub region, leading to a generally increased over-turning and lowered flow velocity. Meanwhile, the added volume flow through the rotor leads to higher outlet flow velocities visible at higher span, with associated decreased turning. A radial efficiency distribution is utilized, showing negative impact through span heights from 15% to 70%. Pitchwise variation of investigated flow parameters is significantly influenced by purge flow, making this a parameter to include for instance when evaluating benefits of stator clocking positions.

Place, publisher, year, edition, pages
ASME Press, 2018. Vol. 140, no 3, article id 031001
National Category
Aerospace Engineering Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-218464DOI: 10.1115/1.4038468ISI: 000424289100001Scopus ID: 2-s2.0-85039768466OAI: oai:DiVA.org:kth-218464DiVA, id: diva2:1160972
Funder
Swedish Energy Agency, P30419-2
Note

QC 20171206

Available from: 2017-11-28 Created: 2017-11-28 Last updated: 2018-02-22Bibliographically approved
In thesis
1. Cavity Purge Flows in High Pressure Turbines
Open this publication in new window or tab >>Cavity Purge Flows in High Pressure Turbines
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Turbomachinery forms the principal prime mover in the energy and aviation industries. Due to its size, improvements to this fleet of machines have the potential of significant impact on global emissions. Due to high gas temperatures in stationary gas turbines and jet engines, areas of flow mixing and cooling are identified to benefit from continued research. Here, sensitive areas are cooled through cold air injection, but with the cost of power to compress the coolant to appropriate pressure. Further, the injection itself reduces output due to mixing losses.A turbine testing facility is center to the study, allowing measurement of cooling impact on a rotating low degree of reaction high pressure axial turbine. General performance, flow details, and cooling performance is quantified by output torque, pneumatic probes, and gas concentration measurement respectively. The methodology of simultaneously investigating the beneficial cooling and the detrimental mixing is aimed at the cavity purge flow, used to purge the wheelspace upstream of the rotor from hot main flow gas.Results show the tradeoff between turbine efficiency and cooling performance, with an efficiency penalty of 1.2 %-points for each percentage point of massflow ratio of purge. The simultaneous cooling effectiveness increase is about 40 %-points, and local impact on flow parameters downstream of the rotor is of the order of 2° altered turning and a Mach number delta of 0.01. It has also been showed that flow bypassing the rotor blading may be beneficial for cooling downstream.The results may be used to design turbines with less cooling. Detrimental effects of the remaining cooling may be minimized with the flow field knowledge. Stage performance is then optimized aerodynamically, mixing losses are reduced, and the cycle output is maximized due to the reduced compression work. The combination may be used to provide a significant benefit to the turbomachinery industry and reduced associated emissions.

Abstract [sv]

Strömningsmaskinen i dess olika variationer bildar den främsta drivmotorn inom kraftproduktion och flygindustrin. En förbättring av denna väldiga maskinpark har potentialen till betydande inverkan på globala utsläpp. Områden som identifierats kunna dra nytta av vidare forskning är ombandningsprocesser och kylning. Dessa områden är inneboende i stationära gasturbiner och jetmotorer på grund av de heta gaser som används. Kylning uppnås genom injektion av kall luft i kritiska områden och försäkrar därmed säker drift. Kylningen kommer dock till en kostnad. På cykelnivå krävs arbete för att komprimera flödet till korrekt tryck. Dessutom medför injektionen i sig förluster som kan härledas till omblandningsprocessen.

Syftet med detta arbete är att samtidigt undersöka de fördelaktiga kylegenskaperna som nackdelarna med inblandning för att på så sätt bestämma den uppoffring som måste göras för en viss kylning. Alla förbättringar tros dock inte behöva föregås av en uppoffring. Om påverkan av kylningen på huvudflödet är välförstådd kan designen justeras för att ta hänsyn till denna förändring och minimera inverkan. Denna metodologi riktar sig mot ett särskilt kylflöde, kavitetsrensningsflödet, som har till uppgift att avlägsna het luft från den kavitet som uppkommer uppströms rotorskivan i ett högtrycksturbinsteg.

Studien kretsar kring en turbinprovanläggning som möjliggör detaljerade strömningsmätningar i ett roterande turbinsteg under inverkan av kavitetsrensningsflödet. Högtrycksturbinsteget som används för undersökningen är av låg reaktionsgrad. Här kvantifieras generell prestanda genom mätning av vridmomentet på utgående axel. Flödesfältet kvantifieras med pneumatiska sonder, och kylningsprestandan predikteras genom gaskoncentrationsmätningar.

Resultaten visar avvägningen och sambandet mellan turbinverkningsgrad och kylning i kavitet samt huvudkanal. Flödet mäts i detalj, och de effekter som kan förväntas uppkomma då ett turbinsteg utsätts för en viss mängd av kylflödet kvantifieras. De kvantitativa resultaten för det undersökta steget visar på en förlust i verkningsgrad på 1.2 procentenheter för varje procentenhet av kavitetsrensningsflödet i termer om massflödesförhållande. Samtidigt ses kyleffektiviteten öka med 40 procentenheter. Den lokala inverkan på flödesfältet nedströms rotorn för det undersökta steget är 2° i flödesvinken och en ändring på 0.01 i Machnummer för varje procentenhet av kylflödet. Dessa ändringar ses i form av ökad omlänkning och reducerad hastighet nära hubben, och vice versa omkring halva spännvidden. Inverkan av aktuell driftpunkt understryks genom arbetet. Det har också visats att ett läckage som kringgår rotorbladen i vissa kan fall ge fördelaktig kylning i områden nedströms.

Denna kombinerade kunskap kan användas för design av turbiner med så låg mängd kylning som möjligt samtidigt som säker drift bibehålls. Den negativa inverkan av den återstående kylningen kan minimeras genom kunskapen om hur flödesfältet påverkas. Genom detta optimeras stegverkningsgraden aerodynamiskt, omblandningsförluster minimeras, och cykeleffekten maximeras genom det minskade kompressionsarbetet till följd av de reducerade kylmängderna. Kombinationen kan ge en betydande förbättring för turbinindustrin och minskade utsläpp.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. p. 62
Series
TRITA-KRV ; Report 17/07
Keywords
turbomachinery; axial turbine; cavity purge; purge flow; wheelspace; rim seal; spanwise transport; radial transport; effectiveness; cooling; efficiency, strömningsmaskiner; axialturbin; kavitetsrensningsflöde; kavitetsflöde; tätkant; spännviddsvis transport; radiell transport; effektivitet; kylning; verkningsgrad
National Category
Aerospace Engineering Energy Engineering Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Energy Technology
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-218468 (URN)978-91-7729-626-3 (ISBN)
Public defence
2018-02-15, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency, P30419-2
Note

QC 20171129

Available from: 2017-11-29 Created: 2017-11-28 Last updated: 2018-02-21Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Dahlqvist, JohanFridh, Jens
By organisation
Heat and Power Technology
In the same journal
Journal of turbomachinery
Aerospace EngineeringEnergy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 40 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf