The effect of endwall contouring on the unsteady flow through a turbine rotor
Date
2014-12
Authors
Dunn, Dwain Iain
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: With increasing environmental concerns and the drive for a greener economy comes an
increased desire to improve turbine engine fuel efficiency and reduce emissions. Unfortunately
weight reduction techniques used increase the blade loading, which in turn increases
the losses. Non-axisymmetric endwall contouring is one of several techniques being investigated
to reduce loss in a turbine. An investigation at Durham University produced a
non-axisymmetric endwall design for a linear cascade. An adaption of the most promising
endwall was investigated in an annular rotating test rig at the CSIR using steady state
instrumentation. The current investigation extends those investigations into the unsteady
time domain.
Previous investigations found that a generic rotor endwall contour improved efficiency
by controlling the endwall secondary flow vortex system in both a linear cascade and an
annular 1½ stage rotating test turbine. The current research was aimed at determining if
there were any unsteady effects introduced by the contoured endwall. The approach was
unique in that it investigated the unsteady effects of an endwall contour originally designed
for a linear cascade both experimentally and numerically at three incidence angles (positive,
zero and negative to represent increased load, design load and decreased load respectively),
the results of which are openly available.
Unsteady experimental hotfilm results showed that the endwall contour made the velocity
profile more radially uniform by reducing the strength of the endwall secondary flow
vortex system. The fluctuations in the velocity were also reduced producing a more temporally
uniform velocity profile. The FFT magnitude of the velocity at the blade passing
frequency below midspan was also reduced. It was found that the reduction in the endwall
secondary flow vortex system due to the contour increased with increasing loading.
Numerical results showed that the oscillations in the flow were small and did not penetrate
the boundary layer. The contoured rotor was forward and aft loaded when compared
to the annular rotor, resulting in a weaker cross passage pressure gradient which allowed
the endwall secondary flow vortex system to be less tightly wrapped. Numerical results did not show a significant difference in the oscillations observed in the annular and contoured
rotor.
A new objective function for use in the endwall optimisation process was proposed that
acts as a proxy for efficiency, but is less prone to uncertainty in the results. When used on
the current results it shows the same trend as efficiency. It remains to be used to design
an endwall for full validation.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Met ’n toenemende omgewingsbesorgdheid en die strewe na ’n groener ekonomie kom ’n toenemende behoefte om turbine enjin brandstofdoeltreffendheid te verbeter en vrystellings te verlaag. Ongelukkig het gewigsbesparingstegnieke wat gebruik is die lemlading verhoog, wat op sy beurt die verliese verhoog. Nie-assimmetriese endwandprofilering is een van verskeie tegnieke wat ondersoek word om verliese in ’n turbine te verminder. ’n Ondersoek by die Universiteit van Durham het ’n nie-assimmetriese endwandontwerp vir ’n lineêre kaskade gelewer. ’n Aanpassing van die mees belowende endwand is in ’n annulêre roterende toetsopstelling by die WNNR getoets, deur gebruik te maak van bestendige toestand instrumentasie. Die huidige ondersoek brei daardie ondersoeke uit na die nie-bestendige verwysingsraamwerk . Vorige ondersoeke het bevind dat die generiese rotor endwandprofiel doeltreffendheid verbeter as gevolg van die beheer van die endwand sekondêre vloei draaikolkstelsel in beide ’n lineêre kaskade sowel as ’n annulêre 1½ stadium roterende toetsturbine. Die huidige navorsing was daarop gemik om vas te stel of die endwandprofiel enige onbestendige effekte tot gevolg gehad het. Die benadering was uniek in die sin dat dit die onbestendige effekte ondersoek het van ’n endwandprofiel wat oorspronklik ontwerp is vir ’n lineêre kaskade beide eksperimenteel en numeries op drie invalsshoeke (positief, nul en negatief om onderskeidelik verhoogde lading, ontwerplading en verlaagde lading te verteenwoordig), waarvan die resultate algemeen beskikbaar is. Onbestendige eksperimentele warmfilm resultate het getoon dat die endwandprofiel die snelheidsprofiel meer radiaal uniform gemaak het deur die vermindering van die sterkte van die endwand sekondêre vloei werwelstelsel. Die skommelinge in die snelheid is ook verminder wat ’n meer tyduniforme snelheidsprofiel gelewer het. Die FFT (Fast Fourier Transform) grootte van die snelheid van die lem verbygaan frekwensie onder lem midbestek het ook verminder. Daar was bevind dat die vermindering in die endwand sekondêre vloei draaikolkstelsel as gevolg van die endwandprofiel toeneem met toenemende lading. Numeriese resultate het getoon dat die ossilasie in die vloei klein was en nie die grenslaag binnegedring het nie. Die rotor met gevormde wand het ’n voor- en agterlading gehad in vergelyking met die rotor met annulêre wand, wat tot ’n laer drukgradient dwarsop die vloeirigting gelei het, die endwand sekondêre vloei draaikolkstelsel minder beperk het. Numeriese resultate het nie ’n beduidende verskil in die ossilasies tussen die annulêre en gevormde rotorwand getoon nie. ’n Nuwe doelwitfunksie vir gebruik in die endwand optimersproses is voorgestel wat dien as ’n plaasvervanger vir doeltreffendheid, maar minder geneig is tot onsekerheid in die resultate. Wanneer dit gebruik word op die huidige resultate toon dit dieselfde tendens as doeltreffendheid. Dit moet nog gebruik word in die ontwerp van ’n endwand vir volledige bevestiging.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Met ’n toenemende omgewingsbesorgdheid en die strewe na ’n groener ekonomie kom ’n toenemende behoefte om turbine enjin brandstofdoeltreffendheid te verbeter en vrystellings te verlaag. Ongelukkig het gewigsbesparingstegnieke wat gebruik is die lemlading verhoog, wat op sy beurt die verliese verhoog. Nie-assimmetriese endwandprofilering is een van verskeie tegnieke wat ondersoek word om verliese in ’n turbine te verminder. ’n Ondersoek by die Universiteit van Durham het ’n nie-assimmetriese endwandontwerp vir ’n lineêre kaskade gelewer. ’n Aanpassing van die mees belowende endwand is in ’n annulêre roterende toetsopstelling by die WNNR getoets, deur gebruik te maak van bestendige toestand instrumentasie. Die huidige ondersoek brei daardie ondersoeke uit na die nie-bestendige verwysingsraamwerk . Vorige ondersoeke het bevind dat die generiese rotor endwandprofiel doeltreffendheid verbeter as gevolg van die beheer van die endwand sekondêre vloei draaikolkstelsel in beide ’n lineêre kaskade sowel as ’n annulêre 1½ stadium roterende toetsturbine. Die huidige navorsing was daarop gemik om vas te stel of die endwandprofiel enige onbestendige effekte tot gevolg gehad het. Die benadering was uniek in die sin dat dit die onbestendige effekte ondersoek het van ’n endwandprofiel wat oorspronklik ontwerp is vir ’n lineêre kaskade beide eksperimenteel en numeries op drie invalsshoeke (positief, nul en negatief om onderskeidelik verhoogde lading, ontwerplading en verlaagde lading te verteenwoordig), waarvan die resultate algemeen beskikbaar is. Onbestendige eksperimentele warmfilm resultate het getoon dat die endwandprofiel die snelheidsprofiel meer radiaal uniform gemaak het deur die vermindering van die sterkte van die endwand sekondêre vloei werwelstelsel. Die skommelinge in die snelheid is ook verminder wat ’n meer tyduniforme snelheidsprofiel gelewer het. Die FFT (Fast Fourier Transform) grootte van die snelheid van die lem verbygaan frekwensie onder lem midbestek het ook verminder. Daar was bevind dat die vermindering in die endwand sekondêre vloei draaikolkstelsel as gevolg van die endwandprofiel toeneem met toenemende lading. Numeriese resultate het getoon dat die ossilasie in die vloei klein was en nie die grenslaag binnegedring het nie. Die rotor met gevormde wand het ’n voor- en agterlading gehad in vergelyking met die rotor met annulêre wand, wat tot ’n laer drukgradient dwarsop die vloeirigting gelei het, die endwand sekondêre vloei draaikolkstelsel minder beperk het. Numeriese resultate het nie ’n beduidende verskil in die ossilasies tussen die annulêre en gevormde rotorwand getoon nie. ’n Nuwe doelwitfunksie vir gebruik in die endwand optimersproses is voorgestel wat dien as ’n plaasvervanger vir doeltreffendheid, maar minder geneig is tot onsekerheid in die resultate. Wanneer dit gebruik word op die huidige resultate toon dit dieselfde tendens as doeltreffendheid. Dit moet nog gebruik word in die ontwerp van ’n endwand vir volledige bevestiging.
Description
Thesis (PhD) -- Stellenbosch University, 2014.
Keywords
Unsteady flow (Aerodynamics), Turbines -- Energy consumption, Endwall contouring, Greenhouse gas mitigation, Rotors -- Dynamics, Turbines -- Aerodynamics, Theses -- Mechanical engineering, Dissertations -- Mechanical engineering, UCTD