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 1 st, 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