Study of topology and vortex structure in turbine cascades with tip clearance under different incidence angles

• Autorzy: Yan P. G. , Qiang X. Q. , Teng J. F. , Han W. J.

Warianty tytułu

PL

Badania topologii i struktury wirów palisady turbiny z luzem wierzchołkowym przy różnych kątach natarcia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Three sets of conventional straight, positive curved and negative curved turbine cascades with tip clearance were tested with experimental measurement. The impact of incidence angles and blade bending on the tip leakage was studied under larger clearance (0.036 of span). An ink trace visualization of the wall flow and topology theory was adopted and thus the topological structures of the blade surface, the upper and lower end wall were analyzed in this paper. It was found that, compared with the same cascade under the zero incidence angle, the saddle points all move to the upstream, the scope of the separation expands along the flow and span direction, and the separation line of the upper and lower passage vortex climb to the middle span of the blade when the flow incidence angle increased from zero to 20º. Under the condition of zero and 20º incidence angle, the positive curved blade will eliminate the upper passage vortex. The numbers of singular points are reduced and the interaction loss between the passage vortex and the leakage vortex is greatly reduced too. On the other hand, it also strengthens the blocking effect of the end wall cross flow on the leakage flow, thereby reduces the relative leakage flow rate.

PL

W pracy zaprezentowano wyniki pomiarów eksperymentalnych trzech zestawów konwencjonalnych palisad turbin o prostym, dodatnio i ujemnie zakrzywionym profilu. Zbadano wpływ kąta natarcia oraz efekt zginania łopatek na straty wskutek upływu przy luzie wierzchołkowym sięgającym 3.6% rozpiętości łopatek. Do analizy zastosowano wizualizację śladów pozostawianych barwnikiem oraz teorię topologii, tj. struktur topologicznych reprezentujących powierzchnię łopatki oraz górnej i dolnej ściany krańcowej. Zaobserwowano, że w porównaniu do analogicznej palisady o zerowym kącie natarcia wszystkie punkty siodłowe przesuwają się w gorę przepływu, a obszar oderwania strugi rozszerza się wzdłuż promienia łopatki. Jednocześnie granica oderwania górnego i dolnego wiru przemieszcza się ku środkowi łopatki, gdy kąt natarcia narasta od zera do 20◦. Przy tych granicznych wartościach kąta natarcia łopatki o dodatniej krzywiźnie profilu eliminują górny wir podczas przejścia. Ponadto okazało się, że liczba punktów osobliwych zmniejszyła się podobnie, jak osłabiła się interakcja pomiędzy wirami przejścia i wirami upływu. Stwierdzono, że wzmacnia to efekt blokowania upływu poprzecznym przepływem na krańcowej ścianie łopatki, co ostatecznie redukuje straty indukowane upływem.

Słowa kluczowe

EN

turbine cascade; tip clearance; topological rules; experimental study

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 51 nr 2
• Strony: 363--373
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Yan P. G.

• Harbin Institute of Technology, School of Energy Science and Engineering, Harbin, China

autor

Qiang X. Q.

• Shanghai Jiao Tong University, School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai, China

autor

Teng J. F.

• Shanghai Jiao Tong University, School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai, China

autor

Han W. J.

• Harbin Institute of Technology, School of Energy Science and Engineering, Harbin, China

Bibliografia

• 1. Bringhenti C., Barbosa J.R., 2008, Effects of turbine tip clearance on gas turbine performance, Proceedings of ASME GT2008, GT2008-50196
• 2. Dellery J., 1991, Physique des Ecoulements Tourbillonnaires, AGARD CP-494
• 3. Huang H., 1997, Effect of Blade Curving on Flow and Vortex Structure in Cascades with Tip Clearance and a Simple Model for Predicting Losses in Curved Blade Cascades, Doctoral dissertation of Harbin Institute of Technology
• 4. Kang S., 1990, An application of topological analysis to study the three-dimensional flow in cascades: part I-topological rules for skin-friction lines and streamlines,Applied Math. And Mechanics, 11, 5, 489-495
• 5. Lighthill M.J., 1963, Attachment and Separation in Three-Dimension Flow, Oxford University Press
• 6. Liu M., 1987, Application of critical point theory, topology and bifurcation theory to separation and vortex flows, Lecture Notes given at University of Tennessee Space Institute and New York Polytechnic University
• 7. Liu T., Woodiga S.A., 2010, Experimental examination of skin friction topology in separatek flows, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA-2010-0045
• 8. Song Y., 1997, An Experimental Investigation into the Influence of the Blade Curving on the Flow Field Structure and Performance in an Annular Turbine Cascade, Doctoral dissertation of Harbin Institute of Technology
• 9. Su J., Wang Z., 1992, Profiling of simultaneously vaulted and twisted blades-theory, experiment, design and application, Power Engineering, 12, 6, 1-6
• 10. Tobak M., Peake D. J., 1982, Topology of three-dimensional separation flows, Annual Review of Fluid Mechanics, 14, 1, 61-85
• 11. Williams R., Gregory S.D., He L., 2008, Experiments and computations on large tip clearance effects in a linear cascade, Proceedings of ASME GT2008, GT2008-50557
• 12. Yang Q., 2006, Experimental Investigation of the Effect of Tip Clearance Size and Incidence on Turbine Cascade Flow Filed Structure, Doctoral dissertation of Harbin Institute of Technology
• 13. Zhang H., 2007, Investigation on Application of Dihedral/Swept Blade and Boundary Layer Suction to Control Vortex Configurations in Compressor Cascades, Doctoral dissertation of Harbin Institute of Technology