Turbine blade tip leakage loss investigation

Abou Salem, Ayman (2016). Turbine blade tip leakage loss investigation. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Bien que les méthodes actuelles pour évaluer le dégagement des extrémités d’aubes utilisent des corrélations expérimentales pour calculer les pertes et fuites d’aubes de la turbine, ces valeurs ont été jugées incompatibles et donc nécessitent des améliorations. Par exemple, les anneaux d’aubes carénées de la turbine avec des joints droits ont des pertes de dégagement des extrémités améliorées par rapport aux anneaux d’aubes carénés de la turbine avec des joints étagés. L’un des objectifs de cette étude actuel était d’enquêter sur la manière dont la géométrie de l'extrémité des aubes contribue à les pertes et fuites d’aubes dans une turbine en rapprochant les anneaux d’aubes carénés de la turbine qui ont plusieurs configurations, chacune ayant une combinaison du diamètre extérieur (DE) droit, DE étagée, d’ailettes verticales et d’ailettes inclinées. Le deuxième objectif était d’élaborer une corrélation pour les pertes de dégagement des extrémités améliorées, en comparant des corrélations entre les valeurs expérimentales existant avec les résultats du calcul de la mécanique des fluids numérique (MFN), récupéré après l’analyse de simulation. Plus particulièrement, les simulations MFN ont été effectuées sur plusieurs configurations d’une turbine des premiers étages (PT). Ces configurations différait l’un de l’autre en terme de la géométrie des extrémités d’aubes (p.ex., caréné avec une dérive inclinée, caréné avec deux derives verticales) et une paroi d’enveloppe ou diamètre extérieur (p.ex., DE étroite, DE étagée) sur la zone de l’extrémité des aubes et ont été comparées selon ces caractéristiques. L’analyse de MFN était effectuée de tous les modèles et comportait le processus suivant : création de modèles CAD, étude du réseau, préparation des modèles pour maillage, et simulation MFN en exerçant les mêmes conditions limites. Une étude de l’indépendance par rapport à la grille a été effectuée sur une modèle pour vérifier la convergence de la grille. En raison de contraints de temps, des compromises ont été nécessaires et donc une dimension des ailettes d’environ 10 millions noeuds a été choisi. Toutes les configurations ont utilisées les memes paramètres pour la dimension des ailettes pour obtenir le même compte pour toutes les ailettes. Chaque configuration avait trois différents rapports portée-dégagement des extrémités d’aubes. Les résultats de la dynamique numérique des fluides a révélé que les configurations avec DE étagées avaient moins de pertes de dégagement des extrémités comparé aux configurations avec DE étroites. En outre, les ailettes verticales et les ailettes inclinées n’ont pas révélé une différence significative par rapport au flux de mass des extrémités d’aubes. La valeur de constant pour la corrélation expérimentale des pertes d’extrémités d’aubes a été modifié pour les configurations DE étagées et DE étroites en vue d’obtenir des nouvelles corrélations qui correspondaient aux efficacités d’analyse numériques de dynamique des fluides (MFN). Trois corrélations révisées des pertes d’extrémités d’aubes ont été acquises pour les configurations DE étroites, qui correspondaient à un, deux et trois ailette respectivement. D’autre part, pour les configurations DE étagées, une seule corrélation révisée a été obtenu pour n’importe quelle nombre de ailettes. Ces corrélations révisées, ont été implémentées dans l’outil Pre-Detailed Design System (PDDS), qui est une conception des interfaces multi-préliminaire. En outre, ces corrélations améliorées ont été validées pour un design d’une aube de turbine de gaz. Des recherches plus poussées devraient vérifier les corrélations améliorées sur d’autres designs d’aubes.

Titre traduit

Enquête sur les fuites d'extrémités d'aube de turbines

Résumé traduit

Although current tip-clearance calculation methods utilize experimental-based correlations to calculate turbine tip leakage losses, these values have been found to be inconsistent and thus require improvement. For example, shrouded turbine blades with straight seals have better tip clearance loss than shrouded blades with stepped seals. One of the aims of this current study was to investigate the manner in which blade tip geometry contributes to tip leakage loss in a turbine by comparing shrouded blades that had several configurations, each of which has a combination of straight outer diameter (OD), stepped OD, vertical fins, and angled fins. The second aim was to develop an improved tip-clearance-loss correlation for straight seals, by comparing existing experimental-based correlations to Computational Fluid Dynamics (CFD) results retrieved following simulation analysis. More specifically, CFD simulations were performed on several configurations of a one-stage power turbine (PT). These configurations differed from each other in terms of blade tip geometries (e.g., shroud with one-angled fin, shrouded with two-vertical fins, etc.) and casing wall or outer diameter (i.e., straight OD, stepped OD) at the blade tip area and were compared based on these characteristics. CFD analysis of all models consisted of the following process: CAD model creation, grid study, mesh models preparation, and CFD simulation applying same boundary conditions. A grid independence study was performed on one model to check for grid convergence. Due to time constraints, a compromise needed to be reached and therefore, a mesh size of around 10 million nodes was chosen. All configurations used the same grid size parameters to obtain the same approximate grid count. Each configuration had three different tip-clearance-tospan ratios. CFD results from this study revealed that stepped OD configurations had less tip loss when compared to configurations with straight OD. In addition, angled and vertical fins did not reveal a significant difference (for stepped OD and straight OD configurations) in terms of tip mass flow. The constant value used in the tip loss experimental correlation was modified for stepped and straight OD configurations in order to obtain new correlations that matched efficiencies from CFD analysis. Three updated tip loss correlations were acquired for straight OD configurations, which corresponded to one, two, and three fins respectively. On the other hand, for stepped OD configurations, only one updated correlation was obtained for any number of fins. These updated correlations were implemented in the Pre-Detailed Design System (PDDS) tool, which is a multi-preliminary design interface. Furthermore, these improved correlations were validated for one blade design of a power turbine. Further research would need to verify these improved correlations on other blade designs.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in aerospace engineering".
Mots-clés libres:	dégagement des extrémités d’aubes, aubes carénés, DE étroite, DE étagée, ailette vertical et ailette inclinée
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Moustapha, Hany
Codirecteur:	Codirecteur Garnier, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	20 févr. 2019 21:57
Dernière modification:	21 mars 2019 19:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1729

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