Passive tip-injection in shrouded low pressure turbines

Abstract

Verluste aufgrund des notwendigen Spaltes zwischen den rotierenden und den still stehenden Teilen können zu einem beträchtlichen Teil der Gesamtverluste in einer thermischen Turbomaschine beitragen. Als Beispiel kann der Spalt zwischen den freiendenden Schaufeln und dem Gehäuse erwähnt werden. Zusätzlich zur geminderten Teilnahme der Spaltströmung an der Arbeitsumsetzung werden stromabwärts Mischungsverluste verursacht, die die Anströmung der nächsten Schaufelreihe negativ beeinflussen können. Verwendung von Winglets, Squealern und Schaufeldeckbändern sowie die Einblasung der Kühlluft in den Spaltbereich in gekühlten Turbinenstufen stellen mögliche Abhilfen gegen die Spaltströmung dar. Aus diesem Grund ist der Spaltmassenstrom so gering wie möglich zu halten. Des Weiteren verursacht die Zumischung der Spaltströmung zur Hauptströmung Mischungsverluste sowie von der Hauptströmung abweichende Abströmwinkel im Bereich des Schaufelspaltes. Die Entkoppelung der Niederdruckturbine eines Getriebeturbofans von dem Fan hat höhere Drehzahlen sowie eine bessere Aerodynamik der Niederdruckturbine zu Folge. Zusätzlich zu einer verjüngten Beschaufelung und einem schmalen Spitzenbereich wird zur weiteren Gewichtsreduktion anstelle eines vollen Deckbandes ein sogenanntes rudimentäres Deckband verwendet, um die mechanischen Spannungen aufgrund der Fliehkräfte im Schaufelfuss zu reduzieren. Eine Kombination des Schaufeldeckbandes mit der aerodynamischen Dichtung mittels passiver Spalteinblasung in ungekühlten Niederdruckturbinen ist das Thema dieser Dissertation. Der Begriff passiv bedeutet, dass der Einblasemassenstrom aus dem Stufenmassenstrom entnommen wird. Zunächst wird das Durchflussverhalten der passiven Einblasung anhand analytischer und zweidimensionaler numerischer Rechnungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Einblasung auf den Gesamtspaltmassenstrom stark von der axialen Position der Einblasung über dem Deckband abhängt und eine geführte Einblasung vor der ersten Dichtspitze am Wirksamsten ist. In einem weiteren Schritt werden dreidimensionale numerische Berechnungen an einem linearen Gitter mit einem vollen und zwei rudimentären Deckbändern durchgeführt. Es stellt sich heraus, dass eine geführte Einblasung im Fall eines vollen Deckbandes den Gitterwirkungsgrad am Stärksten verbessern kann. In weiterer Folge wird der Rotor einer realen Niederdruckturbine mit voll abgedeckten Schaufeln mit und ohne Einblasung experimentell sowie numerisch untersucht. Die Simulationen werden für eine kompressible Strömung in einem rotierenden System durchgeführt. Zusätzliche analytische Berechnungen behandeln den Einfluss der passiven Einblasung auf das stromabseitige Strömungsfeld sowie das Teillastverhalten. Die analytischen Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Einblasung auf die spezifische Arbeit von der Neigung der Einblasung gegen die Rotationsrichtung und dem Drall der Zuströmung abhängt und sich unter Umständen negativ auswirken kann. Nichtsdestotrotz weisen die numerischen und experimentellen Ergebnisse eine Verbesserung des abstromseitigen Strömungsfelds des betrachteten Rotors auf.

Tip-leakage losses due to the clearance between the rotational and the stationary parts contribute to a substantial part of the overall losses in turbomachinery. The gap between the blade tip and the casing is addressed as an example. As expected, the flow through the tip clearance, if at all, participates only partially in stage work. The underturned leakage flow further results in mixing losses downstream of the stage affecting the incidence of the following blade row. Structural modifications such as winglets or squealers in case of an unshrouded blade or usage of blade shrouds as well as injection of the cooling air in the tip section acting as a fluidic barrier in cooled stages all aim at reduction of tip-leakage losses. In the modern technology of geared turbofan (GTF) the low pressure turbine (LPT) is decoupled from the fan operating at higher rotational speed resulting in higher aerodynamic performance. The airfoil of such a high-speed LPT rotor is tapered with a thin tip section. Furthermore a partial shroud is used instead of a full shroud in order to reduce the mechanical stress in the blade root due to centrifugal forces. The scope of this thesis is to introduce a method combining the sealing effect of blade shrouds with the aerodynamic sealing by means of passive tip-injection in uncooled turbine stages. The term passive means that in contrast to cooled stages the injection mass flow is extracted from the stage mass flow. This method is first investigated based on analytical approaches and 2D numerical calculations taking into account the discharge behavior of the sealing application. The results show that the impact of passive tip-injection on the overall tip-leakage mass flow rate depends strongly on the axial injection position over the shroud and the guided tip-injection upstream of the first sealing fin has the highest effectiveness. The numerical calculations are then extended to 3D calculations in a linear cascade accounting for 3D effects. Two different partial shroud geometries are also investigated for the same cascade geometry. It turns out that the full shroud provided with guided tip-injection is most effective regarding the cascade efficiency. In a further step the calculations are carried out for compressible flow in a rotational frame of reference in a real application. The impact of passive tip-injection is also studied experimentally in this step. Additionally an analytical approach is derived in order to investigate the effect of passive tip-injection on the downstream flow field as well as under off-design conditions. The analytical results demonstrate that the impact of tip-injection on the specific work depends on the inclination angle of the injection against the rotational direction as well as the inflow swirl. The effect of the injection could possibly turn negative and should be considered with caution. Nevertheless the numerical and experimental results exhibit an improvement of the downstream flow field for the given application.