Complex Flow Field Structure in A Mid-section of a Last Stage Blade Equipped with a Part Span Connector

Abstract

This thesis is concerned with the complex problematic of the transonic flow field in the interblade channel with a part span connector called tie-boss. The investigated cascade is comprised of mid-section of a 1220 mm long last stage blade of a large output steam turbine. Two versions of the part span connector were investigated, one with oval cross section and round trailing edge and other with part of the trailing edge being a flat face with sharp edges. Only nominal operating conditions were considered. The thesis contains results of experimental investigation and numerical simulations. Insight into the flow field phenomena provided by mentioned means is based on detailed theoretical background. The investigation of the flow field was concerned with three main topics, which were vortices, shock waves and flow field parameters. The flow field parameters were evaluated using the method of data reduction and showed the influence of the presence of the tie-boss on loss of kinetic energy and on flow turning. Shock wave configuration was evaluated, and influence of the tie-boss was assessed, namely the deformation of inner branch of the exit shock wave and introduction of new shock waves into the flow field. Vortical structures and their interactions with shock waves were investigated, and their effect on loss of kinetic energy and possibly flow turning discussed. Influence of the tie-boss geometry on origination of the investigated phenomena was examined and conclusions were drawn regarding future possible optimization of part span connector shape and position. Overall emphasis was placed on the possibility of aerodynamic optimization of device designed to fulfil a critical structural role.

Ústředním tématem této práce je komplexní vyšetřování proudového pole v lopatkové mříži, která se skládá z profilů středního řezu 1220 mm dlouhé oběžné lopatky posledního stupně parní turbíny velkého výkonu, která je vybavena vazební opěrkou. Při zkoumání byly použity modely dvou typů opěrky, kdy jeden typ byl opatřen zakulacenou odtokovou hranou a část odtokové hrany druhého typu byla tvořena plochým čelem s ostrými hranami. Byl uvažován pouze návrhový režim lopatkové mříže. Práce obsahuje výsledky experimentálního výzkumu provedeného v aerodynamickém tunelu v laboratořích v Novém Kníně a numerické simulace proudění za pomoci komerčního softwaru. V práci je také uveden teoretický podklad pro vyšetřování jevů proudového pole, zejména pro vznik a chování rázových vln, pro vznik a interakce vírů a pro vyhodnocování integrálních parametrů proudového pole. Integrální parametry proudového pole jsou vyhodnocovány za pomoci metody redukce dat, je vyhodnocena zejména ztráta kinetické energie a výstupní úhel mříže. Dále byl vyhodnocen vliv přítomnosti opěrky na podobu rázových vln v proudovém poli. Bylo zjištěno, že tvar rázových vln je deformován a v proudovém poli vznikly vinou opěrek zcela nové rázové vlny. Dále bylo zjištěno, že jsou v proudovém poli přítomny významné vírové struktury a tyto interagují s úplavy, mezními vrstvami a rázovými vlnami. Dále je diskutován vliv vírů na parametry proudového pole. Výsledkem práce je vyšetření vlivu geometrie opěrek na proudové pole. Byly představeny možné oblasti optimalizace tvaru opěrek pro snížení jejich vlivu na proudění v mezilopatkovém kanále.