Investigation and Validation of Cooling Loss Models for Axial Gas Turbines

Sammanfattning: Detta arbete behandlar undersökningen och valideringen av kylförlustmodellen i det nyligen framtagna programmet för endimensionell turbindesign, Mean Line Tool (MLT), skapat av Siemens Industrial Turbomachinery AB (SIT). Huvudsyftet är att undersöka med vilken noggrannhet MLT kan prediktera de extra aerodynamiska förluster som uppstår vid injektion av kylluft i en turbinpassage. För att validera kylförlustmodellen i MLT, har tidigare resultat från en testrigg på KTH används, där de extra förlusterna på grund av kylinjektion har mätts för ett flertal kylpositioner på en turbinledskena. Lokala flödes- och geometriska parametrar från testriggen ansattes i MLT för att möjliggöra en korrekt jämförelse. Ytterligare validering utfördes mot en testbaserad Siemens-korrelation, som är en sammanställning av ett flertal test från olika turbinkomponenter av SIT. I denna korrelation undersöktes kylning på en ledskenas bladprofil och plattform, samt på skovelns bladprofil, där en ökning av kylmassflöde relaterades till en förändring i stegverkningsgrad. Resultaten, från jämförelsen mellan data från testriggen på KTH samt beräkningar i MLT, visade att MLT predikterar extraförlusterna på grund av kylning på bladprofilen av en ledskena med bra noggrannhet. Däremot visar jämförelsen att MLT beräknar en lägre förlust för bakkantskylning. Således har en modifierad förlustkorrelation för bakkantskylning presenterats, som ger mer överensstämmande resultat mot testriggen. Jämförelsen mellan MLT beräkningar och den testbaserade Siemens-korrelationen visar att MLT inte predikterar förändringen i stegverkningsgrad, på grund av extra kylmassflöde, med bra noggrannhet. På grund av ett flertal osäkerheter har denna jämförelse endast användas för att kvalitativt belysa brister i kylförlustmodellen av MLT. Med detta i åtanke har det fastställts att plattformskylning vid främre delen av en turbinpassage skulle kunna vara mycket överpredikterad av MLT. Den övergripande slutsatsen är att MLT predikterar förändringen i gitterverkningsgrad på grund av kylning på en ledskenas bladprofil med bra noggrannhet, förutom bakkantskylning. Ytterligare jämförelser visar att MLT inte kan prediktera förändringen i stegverkningsgrad, på grund av extra kylmassflöde, med bra noggrannhet för olika kylda komponenter från gasturbinsportfolion av SIT. Således behövs vidare validering av MLT innan programmet kan implementeras i turbindesignsystemet av SIT.