This thesis investigates the impact of tip gap size on the performance of high-load unshrouded gas turbine rotors, specifically focusing on three different configurations: nominal (1.35%𝑆, % of blade span), small (0.98%𝑆), and large (1.92%𝑆) tip gaps. The objective is to determine the quantitative performance parameters of the turbine stage at the design point and across varying rotational speeds. Experimental measurements were conducted using the test turbine facility at the unit of Heat and Power Department, KTH Royal Institute of Technology by simulating actual flow conditions to assess leakage flow and its effects on turbine performance. Computational models were developed to visualise flow behaviour and validated with the experimental data. The study found that increasing the tip gap size significantly impacts turbine efficiency, with larger gaps resulting in greater tip leakage flows and stronger leakage vortices. The tip leakage effects drastically alter flow dynamics from the tip region down to 50% of the blade span and lead to a notable decrease in turbine stage efficiency. Conversely, reducing the tip gap size improves efficiency by minimising leakage flow. The results from both experimental and computational analyses show a high level of agreement, validating the numerical models in predicting the effects of tip leakage flow. Overall, this research provides valuable insights into the aerodynamic losses associated with tip leakage in highly loaded high-pressure turbines and offers guidelines for optimising tip gap sizes to enhance turbine performance. The results pointed out the importance of precise tip gap management in turbine rotor blade design.

Denna avhandling undersöker storleken av rotorbladets toppspel och dess effekt på prestandan hos högbelastade rotorblad, med särskilt fokus på tre olika konfigurationer: nominell (1, 35%𝑆, procent av bladspann), liten (0, 98%𝑆) och stor (1, 92%𝑆). Målet är att fastställa de kvantitativa prestandaparametrarna för turbinsteget vid designpunkten och över varierande varvtal. Experimentella mätningar utfördes vid testturbinanläggningen på enheten för värme- och kraftavdelningen vid Kungliga Tekniska Högskolan, där faktiska flödesförhållanden simulerades för att bedöma toppläckage och dess effekter på turbinens prestanda. Numeriska beräkningsmodeller utvecklades för att visualisera flödesbeteende och validerades med experimentella data. Studien fann att en ökning av toppspelets storlek avsevärt påverkar turbinens effektivitet, där större toppspel resulterar i större läckageflöden och starkare sekundärvirvlar. De förändrade effekterna i flödesdynamiken sträcker sig ner till 50% av bladets höjd, vilket leder till en anmärkningsvärd minskning av turbinstegets verkningsgrad. Motsatsvis förbättrar en reducering av bladtoppspelet verkningsgraden genom att minimera läckageflödet. Resultaten från både experimentella och beräkningsanalyser visar en hög nivå av överensstämmelse, vilket validerar de numeriska modellerna för att förutsäga effekterna av toppspelsvariationer. Sammantaget ger denna forskning värdefulla insikter om de aerodynamiska förlusterna i samband med toppläckaget i högt belastade rotorblad i högtrycksturbiner och ger riktlinjer för att optimera bladgeometrin nära bladtoppen för att förbättra turbinens prestanda. Resultaten pekade på vikten av noggrann beaktande av toppläckaget vid design av turbinrotorblad.