Aerothermal Optimization of Partially Shrouded - ETH E

Diss. ETH No. 17138
Aerothermal Optimization of Partially Shrouded
Axial Turbines
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
For the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
Presented by
Luca Porreca
Master of Science – Mechanical Engineering
Università “Roma Tre”, Italy
Born Jan 1st, 1977
Citizen of Italy
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Reza S. Abhari
Dr. Anestis I. Kalfas
Prof. Dr. Franz Heitmeir
2007
Abstract
This work presents the results of an aerodynamic and thermal study of
three different shrouded axial turbine configurations. The blade geometry of
the turbine stages and the tip clearances of the test cases under investigation
are identical although the shroud design is different. The first test case (RRD)
is representative of a full shroud geometry while the second (CPS) and third
(EPS) test cases adopt different partial shroud arrangements. In the EPS case,
a shroud platform is added to cover the blade throat.
Partial shrouds are sometimes used in industrial application in order to
benefit from the aerodynamic advantage of shrouded configuration as well as
reducing thermal load and mechanical stress on the blade root. However, the
optimal compromise between mechanical issues and aerodynamic
performances is still an open issue due to the resulting highly 3-dimensional
unsteady flow field, difficulty of achieve an optimal cooling and severe heat
load on the shroud sealing fins.
An experimental investigation is carried out in order to quantify the
effect of the shroud geometry on the aerodynamic performances and to study
the resultant flow field in all test cases. The analysis has been conducted in an
experimental low-speed axial turbine facility at the Turbomachinery
Laboratory at ETH Zurich. Steady and fast response aerodynamic probe
technology (FRAP) has been used to characterize the flow field. Moreover, a
stereoscopic PIV technique has been design and applied in this experimental
facility for the first time.
The flow field analysis shows that the effect of the shroud geometry is
significant from 60% blade height span to the tip. Tip leakage vortex in the
first rotor is originated in the partial shroud test cases while the full shroud
case present only a weak indigenous tip passage vortex. Secondary flows
development in the following second stator resulted to be greatly affected by
the leakage/main flow interaction of the first rotor. The measurements show
that a highly three-dimensional interaction occurs in the partial shroud cases
between the passage vortex and a vortex caused by the recessed shroud
platform design. This results in an aerodynamic penalty of the partial
shrouded test case (CPS) to 1% with respect to the full shroud test case
(RRD). However in the modified partial shroud case (EPS) with a shroud
platform that covers the blade throat, the aerodynamic performance has
improved of about 0.6% due to the enhanced flow control and lower
interaction between main-stream and tip leakage. Measurements and
computations clearly show that this modification is effective and the flow
v
field is significantly modified towards the design intent of an axisymmetric
full shroud. Moreover, the modified shroud geometry keeps almost
unchanged the overall weight of this component compared with the CPS
case.
The influence of the shroud geometry on the heat load and mechanical
stresses has been then evaluated by means of a computational analysis. The
turbine flow field has been numerically simulated in a engine representative
conditions (high inlet temperature). To evaluate the heat load and the
temperature distribution on the blades, a conjugate heat transfer analysis has
been performed taking into account an internal cooling strategy and a shroud
external cooling arrangement.
The combination of aerodynamic and centrifugal load together with the
thermal load has been applied on the blade solid model in order to assess the
effect of the shroud geometry on the mechanical stresses by means of a finite
element analysis (FEM). A life prediction has been performed based on the
Low-Cycle Fatigue and creep analysis. The FEM analysis shows that the full
shroud test case has a higher stresses on the blade root but less stress
concentrations on the blade/shroud components. On the other hand, the CPS
case has the lowest blade root stresses but the highest stress concentration in
the shroud/blade junction due to a low stiffness that causes a reduction of one
order of magnitude in the maximum acceptable number of cycles and hours
of service compared to the RRD case. The EPS case resulted to have
improved performances in terms of number of cycles and hours due to better
stress distribution over the blade shroud compared to the other two cases.
A cost/benefit analysis has been also done with the aim to quantify the
impact of the three shroud geometries on the level of annual cost of energy
taking into account a small, medium-size and large gas turbine power plant.
The outcome of this analysis is that the optimized partial shroud is beneficial
for small and medium size power plant (with a capital cost of 700-1000
$/kW) where a maximum benefit of 0.72% of the annual cost of energy per
kWh can be gained. For larger power plant with a lower capital cost per kW,
the effect of the partial shroud is less significant up to a value of about 350
$/kW where the full shroud design resulted to be more efficient.
This study presents a unique and unprecedented experimental and
numerical study of industrially relevant turbine shroud configurations. The
effect of the shroud configuration in terms of the aerodynamic performance,
heat load and mechanical stresses has been quantified and discussed in
details. The combination of aerodynamic measurements and computational
analysis shows that an optimum between aerodynamic performance and
vi
blade life is achieved by applying a small modification on the partial shroud
geometry.
vii
Riassunto
Questo lavoro presenta i risultati di uno studio aero-termodinamico
riguardante tre differenti configurazioni di turbine assiali nastrate (shrouded)
per applicazioni industriali. La geometria e il profilo delle pale nelle tre
configurazioni è identica cosi’ come il gioco delle tenute tra le pale e la cassa
presenta lo stesso valore mentre la geometria utilizzata nello shroud è
diversa. Il primo test case (RRD) è rappresentativo di una configurazione con
shroud assial-simmetrico e continuo lungo tutto il pitch della pala, mentre il
secondo (CPS) e il terzo test case (EPS) sono caratterizzati da una geometria
non assial-simmetrica. Il test case EPS adotta una estensione della parte
posteriore dello shroud in modo da garantire la copertura della sezione di
gola della palettatura rotorica.
Questi tipi di shroud non assial-symmetrici sono a volte usati nelle
turbine industriali a causa delle loro buone prestazioni aerodinamiche e, nel
contempo, per la maggiore resistenza a carichi termici e strutturali. Tuttavia,
il miglior compromesso tra l’efficienza aerodinamica le caratteristiche termostrutturale è tuttora un problema non completamente risolto in fase di
progettazione a causa della alta non stazionarietà del flusso risultante e delle
difficoltà di raffreddare adeguatamente la regione dello shroud e le tenute.
Per tale motivo, questo lavoro riporta uno studio sperimentale e
numerico svolto per quantificare l’effetto della geometria dello shroud sul
rendimento aerodinamico e analizzare il campo di moto risultante nei tre test
case. L’analisi sperimentale è stata condotta nella galleria di prova del
Politecnico Federale di Zurigo (ETH Zurich) dove sono state applicate
misure aerodinamiche stazionarie e instazionarie mediante la tecnologia
FRAP. Inoltre sono state implementate per la prima volta nella galleria di
prova misure ottiche mediante la tecnica PIV (Particle Image Velocimetry).
L’analisi del campo di moto rivela che l’effetto dello shroud sulle
caratteristiche aerodinamiche è presente dal 60% della altezza pala fino alla
cassa rotorica. Le misure evidenziano che il vortice di tip leakage si forma
nei test case CPS e EPS con uno shroud non assial-simmetrico invece nel
test case RRD è presente solo il passage vortex. Lo sviluppo di flussi
secondary a valle della seconda schiera statorica è profondamente modificato
dall’effetto dell’interazione tra flusso primario e leakage flow. Le misure non
stazionarie dimostrano un elevato grado di interazione tra il passage vortex e
il vortice che si forma dalla espansione del flusso principale nella cavità delle
tenute nel test case CPS a causa della geometria dello shroud. Questo
fenomeno ha come risultato una diminuzione del rendimento aerodinamico di
ix
circa 1% rispetto al test case RRD. Tuttavia nel test case EPS, a causa della
estensione dello shroud verso il bordo di uscita della pala, questo effetto è
meno significativo, Il controllo del carico palare è migliore e l’interazione tra
flusso primario e leakage flow diminuisce. Per tal motivo, il risultante
rendimento aerodinamico aumenta di circa 0.6% rispetto al test case CPS.
Nella seconda parte di questo lavoro è stata valutata l’influenza della
geometria dello shroud sul carico termico e strutturale utilizzando l’analisi
numerica. Il campo di moto della turbina è stato valutato in condizioni di
utilizzo vicine alle reali condizioni di impianto (alta temperatura e alta
pressione). Per simulare correttamente il carico termico e la ditribuzione di
temperature all’interno del materiale della pala, è stato utilizzato un calcolo
combinato di scambio termico (conjugate heat transfer) tenendo conto di
raffreddamento interno della pala e esterno sulla superficie dello shroud.
La combinazione del carico centrifugo, termico e aerodinamico è stata
applicata al modello solido della pala rotorica per valutare l’effetto della
geometria dello shroud sulle sollecitazioni strutturali e sul tempo di esercizio
della pala mediante l’uso della analisi agli elementi finiti (FEM) e di
fenomeni di fatica e creep. Questa analisi dimostra che il test case RRD
presenta le maggiori sollecitazioni alla radice della pala ma ha una minore
concentrazione degli sforzi nella regione tra shroud e tip della pala. D’altro
canto il test case CPS presenta la minore sollecitazione alla radice ma ha un
sostanziale incremento della concentrazione degli sforzi nella regione di
contatto tra shroud e pala a causa della minor rigidità dello shroud. Questo
causa una riduzione di un ordine di grandezza nel massimo numero di cicli
tollerabile e nel numero di ore di funzionamento continuativo. Il test case
EPS ha dimostrato di avere le prestazioni migliori in termini di numero di
cicli e ore di funzionamento a causa di una migliore distribuzione degli sforzi
nel materiale.
L’ultimo capitolo presenta una analisi economica dei costi/benefici con
lo scopo di quantificare l’influenza della geometria dello shroud sul costo
annuale di energia elettrica nel caso di piccoli, medi e grandi impianti. Il
risultato di tale studio evidenzia che il test case EPS permette una riduzione
del costo annuale di energia fino al 0.72% se applicato in piccoli e medi
impianti, mentre il test case RRD risulta essere piu’ conveniente in impianti
di grandi dimensioni con un costo del capitale di circa 350 $/MW.
Questo lavoro presenta una ricerca unica nel suo genere basata
sull’analisi sperimentale e numerica dell’effetto dello shroud sulla
aerodinamica e sul carico termo-strutturale delle pale di turbine a gas.
L’analisi dimostra che la configurazione che rappresenta l’ottimo tra
x
rendimento aerodinamico e tempo massimo di esercizio è raggiunto nella
configurazione EPS.
xi