The Aero-Thermal Impact of Rim Seal Purge Flow in Axial Turbines

Ostrowski, Tom (2023)
The Aero-Thermal Impact of Rim Seal Purge Flow in Axial Turbines.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024483
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24483

Kurzbeschreibung (Abstract)

The area between the stationary and rotating hub side endwall segments in axial turbines is featured with a specifically shaped annular clearance, termed as the rim seal. For the safe and reliable operation of a gas turbine, this seal depicts a pivotal component. The main design intent is to avoid the ingress of hot main flow to the vulnerable wheel-spaces in the inside of the turbine. To guarantee sealing, the internal cavities are permanently supplied with pressurized air. Termed as rim seal purge flow, a specific fraction is continuously passing the seal, before it is mixed with the main flow. It is known, that rotating large scale instabilities in the rim seal region can effect or even dominate the spatio-temporal character of the flow field in the adjacent blade rows. Being superimposed by the unsteady stator-rotor interaction, appropriate test environments need to account for this multi-dimensional interdependency. In a large scale, rotating turbine test facility, the model of a high pressure axial turbine stage is experimentally investigated. The flow characteristic in the seal region is altered by adjusting the purge flow mass fraction. In the scope of this work, experimentally determined flow quantities in the stator-rotor interface, the seal and the rotating blade row are combined with unsteady, three-dimensional computational fluid dynamics targeting the deviation of the spatio-temporal characteristic of the rim seal purge flow. The numerical setup represents a sixty degree sector of the stage including the seal and sub-cavity. The calculations are initiated with experimentally determined flow data at the boundaries. For validation, results are spot checked with selected unsteady experimental flow data. To globally rate the effect of the purge flow, a framework of one-dimensional performance parameters is presented, in which a thermodynamically sound definition of the ideal reference process accounts for the unavoidable entropy of mixing. By increasing the dimensions considered, the spatio-temporal description of the stage is first introduced at mid-span. Visualizing the three-dimensional distribution of vortical structures, the spatio-temporal character of the interaction of main and purge flow is finally introduced.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Ostrowski, Tom

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

The Aero-Thermal Impact of Rim Seal Purge Flow in Axial Turbines

Sprache:

Englisch

Referenten:

Schiffer, Prof. Dr. Heinz-Peter ; Paniagua, Ph.D. Guillermo

Publikationsjahr:

20 September 2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

vi, 123 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

31 Mai 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024483

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24483

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Um in Axialturbinen das Eindringen der heißen Hauptströmung in die Radseitenräume zu verhindern, werden an den nabenseitigen Übergängen zwischen stehenden und rotierenden Bauteilen Spaltgeometrien mit Dichtwirkung eingesetzt. Die inneren Kavitäten werden dabei so mit Sekundärluft beaufschlagt, dass die Dichtung kontinuierlich durchströmt wird. Die als nabenseitige Sperrluft bezeichnete Strömung mischt sich dann mit der Strömung im Heißgaskanal. In den Ringspalten der Dichtung kann es zu großskaligen, umlaufenden Instabilitäten kommen, die sich auf das raumzeitliche Ausströmverhalten der Sperrluft auswirken. Über die veränderte Charakteristik der Mischung kann das nabennahe Strömungsfeld der stromab liegenden Rotorpassage stark beeinflusst werden. Das Strömungsfeld im Hauptkanal ist weiterhin durch die Interaktion der stationären und rotierenden Schaufelreihen geprägt. Um die zugrundeliegenden Mechanismen außerhalb der realen Maschine experimentell untersuchen zu können, muss die Testapparatur die genannten Randbedingungen erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein hochskaliertes Modell einer Axialturbinenstufe zunächst experimentell untersucht. Die Bedingungen im Bereich der Sperrluftausblasung werden dabei durch die Variation der Ausblaserate variiert und detailliert vermessen. Die Messergebnisse werden durch zeitaufgelöste Strömungssimulationen ergänzt, in denen ein 60 Grad Segment der Stufen-Sperrluft-Kombination abgebildet ist. Die Rechnungen werden an den Ein- und Austritten mit auf den zugehörigen Messdaten basierenden Randbedingungen initialisiert und anhand ausgewählter Messergebnisse in ihrer raumzeitlichen Vorhersagegenauigkeit validiert. Um den übergeordneten Effekt der Sperrluft zu bewerten, wird zunächst eine auf eindimensionalen Mittelgrößen basierende Methode zur Wirkungsgradbestimmung vorgestellt, in der die unvermeidbare Mischungsentropie in den Bilanzgleichungen beachtet wird. Durch das schrittweise hinzuziehen weiterer Dimensionen wird dann gezeigt, wie die Turbinenstufe in ihrem raumzeitlichen Verhalten beschrieben werden kann, was zunächst am Mittenschnitt vorgestellt wird. Der raumzeitliche Einfluss der Sperrluft wird schließlich anhand der Verteilung dreidimensionaler Wirbelgrößen aufgezeigt.

Deutsch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-244833

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe (GLR)

TU-Projekte:

Alstom|03ET7071O|Cooreflex-turbo3.1.2

Hinterlegungsdatum: