Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • 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
Purge Flow Impact on Turbine Stage and Seal Performance at Varying Cavity Purge Rates and Operating Speed
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.ORCID iD: 0000-0003-2784-2534
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.ORCID iD: 0000-0002-1033-9601
(English)In: International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power, ISSN 2504-186XArticle in journal (Refereed) Submitted
Abstract [en]

The impact of the wheelspace cavity purge flow on a high-pressure axial low-reaction turbine stage is investigated. Both the flow's sealing ability and the performance impact associated with its injection are studied. Two operating speeds are tested, namely a high loading case and the peak efficiency, with purge flow rates covering a wide range. As the purge flow is injected upstream of the rotor, the sealing effectiveness is quantified both radially and tangentially close to the rim seal, where the tangential variation is used to identify the seal mixing region. Having passed the rotor blading, the purge flow distribution in the main annulus is quantified, showing an influence of operating speed. The purge flow core is localized to the trace of the vane wake, however somewhat migrated while passing through the blading. The combination of measurements shows that the impact on flow parameters cannot be used to determine the spanwise transport of the purge flow; hence two techniques are necessary to both judge the spanwise transport and impact on flow. With known sealing effectiveness, industry correlations may be adapted to make use of the variation of necessary purge rate to obtain a certain degree of effectiveness at a given operating point, and thereby optimize the efficiency. Also the distribution of the coolant in the main flow path may be used to optimize film cooling in that area.

National Category
Energy Engineering Aerospace Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-218465OAI: oai:DiVA.org:kth-218465DiVA, id: diva2:1160977
Note

QC 20171129

Available from: 2017-11-28 Created: 2017-11-28 Last updated: 2017-11-29Bibliographically 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
Keyword
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

fulltext(1347 kB)18 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1347 kBChecksum SHA-512
1690ddb9dff187ecc4356b31c811d7b581cd48d9a2efda57f22d6987259ed0d3a3c2e21e5aed3e10223d0afeb5dcad382c1e0a40f84fc079a1203e4515a9602e
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Dahlqvist, JohanFridh, Jens
By organisation
Energy Technology
Energy EngineeringAerospace Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 18 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 130 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • 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
v. 2.34-SNAPSHOT
|