Aerodynamic design and analysis of turbine with mid frame

Abstract

Bu tezin amacı, eksenel bir türbinde türbin orta gövde taşıyıcı çerçevesi (turbine mid frame) konseptinin aerodinamik karakteristiklerini ortaya koymaktır. Bu kapsamda, NASA/GE E3 yüksek basınç türbini olarak bilinen iki kademeli eksenel bir türbin referans alınarak bir karşılaştırma çalışması gerçekleştirilmiştir. Türbin geometrisi literatürde yer alan veriler doğrultusunda yeniden oluşturulmuş ve kök, orta ve uç kesitlerde kanattan kanata (blade-to-blade) hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak doğrulanmıştır. Bunu takiben model, tasarım noktası ve seçilmiş tasarım dışı çalışma koşullarında, düzeltilmiş kütlesel debi ile türbinin soğutmalı toplamdan-toplama verimi (diğer bir ifadeyle termodinamik verimi) karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Tasarım noktasındaki termodinamik verim, deneysel test verilerine kıyasla 0,68 yüzde puanlık bir farkla hesaplanmıştır. Doğrulama çalışmasının tamamlanmasının ardından, ikinci kademe türbin statoru iki farklı orta çerçeve konfigürasyonu olacak şekilde yeniden tasarlanmıştır: tek ana kanatçıklı MF1 konfigürasyonu ve ana kanatçık ile ayırıcı kanat içeren MF2S konfigürasyonu. Bu konfigürasyonların geometrik özellikleri boyutsuzlaştırılmış ve açı dağılımlarının kontrolü için Bezier noktası tabanlı kontrol fonksiyonları, kalınlık dağılımı için ise asimetrik üstel fonksiyonlar kullanılarak parametreleştirilmiştir. Aerodinamik karakteristikler, deney tasarımı (Design of Experiments, DoE) çalışması kapsamında, farklı giriş koşulları ve farklı profil geometrileri altında orta kesitte gerçekleştirilen kanattan kanata HAD hesaplamaları ile incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, profil kaybı davranışına ilişkin genel eğilimlerin Kacker–Okapuu türbin kayıp modelindeki profil kayıpları ile uyumlu olduğunu ve kayıpların özellikle akış çıkış açısı, kanatlar arası adımın eksenel kanat uzunluğuna oranı ile giriş ve çıkış Mach sayıları oranına güçlü biçimde bağlı olduğunu göstermiştir. Ayrıca, ayırıcı kanadın giriş metal açısı ile ana kanadın karşılık gelen konumdaki metal açısı arasındaki farkın kayıplar üzerindeki etkisi, indirgenmiş bir yaklaşım modeli kullanılarak incelenmiştir. Son olarak, seçilen MF1 ve MF2S adayları aerodinamik karakteristiklerinin karşılaştırılması amacıyla referans (benchmark) modele entegre edilmiştir. Her iki tasarım da, daha büyük hücum kenarı yarıçapı ve ön yüzey eğriliğinin azaltılması sayesinde referans tasarıma kıyasla daha iyi bir giriş açısı kaçıklığı toleransı sergilemiştir; ancak boğaz bölgesi yakınında şok kaynaklı kayıplar gözlemlenmiştir. Genel olarak, her iki tasarım da orta kesitte gerçekleştirilen kanattan kanata HAD hesaplamalarında umut vadeden aerodinamik performans göstermiştir. Türbin orta gövde taşıyıcı çerçevesi konsepti, arka çerçevenin bir türbin sabit kanat sırası ile değiştirilmesi yoluyla ana motorun eksenel uzunluğunu azaltabilmesi nedeniyle avantajlı bir yaklaşım olarak değerlendirilmektedir.This thesis investigates the aerodynamic characteristics of a turbine mid-frame concept in axial turbines. A reference two-stage axial turbine, specifically the NASA/GE E3 high-pressure turbine, is utilized as a benchmark for this study. The turbine model is reconstructed and validated through blade-to-blade (B2B) computational fluid dynamics (CFD) calculations at the hub, mean, and tip sections, in alignment with available literature data. Subsequently, the model is validated at the design point and selected off-design conditions by comparing the corrected mass flow rates and the turbine's cooled total-to-total efficiency, which, in other words, represents the thermodynamic efficiency. The calculated thermodynamic efficiency at the design point differs by 0.68 percentage points when compared to the experimental data. Following the validation process, the stator of the second-stage turbine is redesigned using two distinct mid-frame configurations: a single-frame configuration (MF1) and a splitter-equipped frame configuration (MF2S). The geometric properties of these configurations are non-dimensionalized and parameterized for control via preconditioned functions, including Bezier point control functions for beta distributions and an asymmetric power law for thickness distributions. The aerodynamic characteristics of these configurations are examined using B2B CFD calculations at the mean section under varying inflow conditions and profile variations as part of a Design of Experiments (DoE) study. The results indicate that the profile loss behavior aligns with the Kacker-Okapuu turbine loss model, exhibiting strong sensitivity to factors such as exit flow angle, pitch-to-axial chord ratio, and the inlet-to-exit Mach number ratio. Additionally, the impact of splitter angle differences, relative to the corresponding main frame angle, on losses is analyzed using a reduced surrogate model. Finally, the selected MF1 and MF2S configurations are integrated into the benchmark turbine model to compare their aerodynamic performance. Both configurations demonstrate favorable incidence tolerance relative to the baseline model due to their larger leading-edge radius and reduced front-side curvature, although they experience shock losses near the throat. In conclusion, both designs exhibit promising aerodynamic characteristics in the mean section, as indicated by the B2B CFD calculations. The turbine mid-frame concept is identified as a promising approach for shortening the axial length of main engines by replacing the aft frame with a turbine stator row.