Experimental and Numerical Evaluation of Losses From Turbine Hub Clearance Flow

Abstract

they are derived from real steam turbine stages designed in DSPW. The computations simulate multistage configuration and real steam is considered as the working fluid. CFD computations were performed in the commercial software ANSYS CFX. Each configuration task was computed in three iterative steps. Each step takes the distribution of the flow parameters on the boundary domains from the previous iteration. The final results from this ‘repeating boundary conditions’ approach better correspond with the real expansion in a multistage configuration. The two data sources are not directly comparable. The experiment is used for validation of the trends. The computations provide the possibility of a multi-parametric study. The multi-parametric study is necessary to obtain a more general loss model which can be used during turbine design. The evaluation of the experimental and numerical parts focuses on a comparison of the overall stage performance. Stage efficiency and reaction are presented in relation to the ratio between leakage and main stream flow.

Dlouhodobě bylo vyvíjeno úsilí k porozumění generování ztrát a jejich snižování v oblasti axiálních turbínových strojů. Tradiční přístup ke ztrátám izolované řady lopatek zohledňuje profil a sekundární ztráty v důsledku viskózního toku. Další druhy ztrát ve stupni jsou spojeny se smykovým napětím v procesu míchání. Tyto ztráty jsou výsledkem smíchání toku hlavního proudu s 1) únikem proudu ze statoru vstřikovaným skrz patní axiální mezeru a 2) únikem proudu nadbandážovou ucpávkou. Tento článek se zaměřuje na první typ směšovacích ztrát. Poměr úniku a hlavního proudu a patní reakce jsou dva klíčové parametry zkoumané v této studii. Primárním zdrojem dat pro tuto studii je experiment. Experimentální jednostupňová vzduchová turbína byla upravena tak, aby nastavovala a přesně měřila únik proudu ze statoru. Byly testovány tři konfigurace jednostupňového zkušebního zařízení s různými úrovněmi reakce. Druhým zdrojem dat pro tuto studii je výpočet CFD. Tyto výpočty se aplikují na různé geometrie a podmínky z experimentu; jsou odvozeny ze skutečných stupňů parních turbín navržených v DSPW. Výpočty simulují vícestupňovou konfiguraci a skutečná pára je považována za pracovní tekutinu. Výpočty CFD byly prováděny v komerčním softwaru ANSYS CFX.