Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, STI - Section de génie mécanique STI-SGM (Laboratoire de thermique appliquée et de turbomachines LTT)

Experimental study on a heavy film cooled nozzle guide vane with contoured platforms

Vogel, Gregory ; Bölcs, Albin (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2602.

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    Summary
    Nowadays, efficiency improvement of the modern gas turbines is usually achieved by increasing the pressure ratio which leads to an increase of the gas temperature in the combustion chamber. As a consequence, the temperature conditions imposed on the first stages of the turbine are well beyond the maximum allowable material of the engine. Therefore, it is necessary to effectively cool on these parts. Some of the highest thermal loading is applied to the nozzle guide vane located just behind the combustion chamber. Its function is to efficiently direct the hot and highpressure gas on the rotor blades of the turbine in order to extract maximum work. From the aerodynamic side, the loss level generated during the hot gas deviation defines the nozzle guide vane efficiency. From the thermodynamic side, an efficient nozzle guide vane is characterized by its cooling protection against the hot gas coming out of the combustion chamber. For this reason, the vane is internally cooled by coolant fluid circulating in channels; but it is also externally cooled by injection of coolant fluid on the surface. This process is usually called "film-cooling". If it is well designed, the film efficiently protects the vane airfoil and platforms of the engine; but if badly designed (unfavorable holes injections positions or inadequate blowing ratios), then the overall performance of the engine is reduced. Recently, studies have shown a decrease in the aerodynamic losses for nozzle guide vanes with contoured platforms. Moreover, it has also been noticed that temperature profiles at the exit of the combustion chamber are more and more flattened and consequently require a better cooling of the platforms. The problem is to efficiently film-cool a nozzle guide vane airfoil and its contoured platforms. A numerical approach of this problem is yet not possible as the numerical codes are not accurate enough to take into account all the physics governing such situations. Therefore, an experimental approach is required. So far, many film cooling studies have been performed but on relatively simple geometries (flat plates, cylinders etc.). The innovative part of this present work was to study film cooling on a complex nozzle guide vane geometry equipped with contoured platforms. For this, as well the aerodynamic side and the thermodynamic side related to film cooling were considered. The experiments were divided into two parts. The first part was dedicated to the study of the vane airfoil. The second part was dedicated to the film-cooling study on the contoured platforms. In both cases, heat transfer coefficients and film-cooling effectiveness were determined by transient measurement techniques using liquid crystals. For the vane airfoil, a preconditioning system followed by a rapid insertion was used. This installation was already used during previous projects, but in the frame of this research work, the liquid crystal technique was improved. For this, a new signal analysis and image processing system was developed. For the measurements on the platforms, a new measurement technique based on the use of a thin electrical heater-foil was developed. The innovation of this technique comes from the fact that it can be applied on complex geometries for which inhomogeneous heat fluxes are produced (curved surfaces, introduction of cooling holes). This novel measurement technique was first tested and validated on a simple geometry consisting of a film-cooled flat plate. The same technique was then applied to the film-cooled contoured platform and allowed obtaining interesting results of heat transfer coefficient and film-cooling effectiveness distributions. The latter result was also compared to values obtained from another innovative measurement technique based on Pressure Sensitive Paint with Nitrogen injection. The results obtained in the frame of this experimental work dedicated to film cooling applied on a complex geometry were obtained thanks to the development of novel measurement techniques. These measurement techniques provide the opportunity to perform systematic tests in order to gain further insight into the physics of the film cooling process on complex geometries such as contoured platforms.
    Résumé
    De nos jours, l'amélioration du rendement des turbomachines modernes, notamment des turbines à gaz, s'obtient principalement en augmentant leur niveau de températures dans la chambre de combustion. Les conditions ainsi imposées aux premiers étages de la turbine sont bien au-dessus des températures maximums admissibles par les matériaux de la machine, d'où la nécessité d'appliquer un refroidissement efficace sur les parties fortement sollicitées en températures. Une des parties les plus sollicitée est certainement l'aubage directeur juste en sortie de la chambre de combustion. Son rôle est d'amener les gaz chauds et à haute pression sur les aubes du rotor de la turbine de manière efficace afin d'en extraire le maximum de travail. L'efficacité de l'aubage directeur, au niveau aérodynamique est essentiellement définit par le niveau de perte de charge généré lors du passage des gaz chauds. Au niveau thermique, une bonne aube directrice est caractérisée par un refroidissement efficace la protégeant des gaz extrêmement chauds sortant de la chambre de combustion. Pour cette raison, l'aube est refroidie de manière interne par un fluide de refroidissement circulant dans des canaux, mais aussi de manière externe, par l'injection d'un fluide de refroidissement à la surface et communément appelé « refroidissement par film ». Si ce dernier est bien conçu, le film protège de manière très efficace les aubes et les parois de la machine. Par contre si il est mal conçu, telle que : mauvaise position géométrique des trous d'injection, taux d'injection inadéquats, il se produit alors une baisse des performances de la machine. Récemment, des études ont montré une baisse des pertes aérodynamiques des aubages directeurs possédant des parois formées. De plus, il a aussi été remarqué que les profils de températures en sortie des chambres de combustions sont de plus en plus homogènes, nécessitant par conséquent un meilleur refroidissement des parois. Se pose alors le problème d'effectuer correctement un important refroidissement par film sur l'aubage directeur et sur ses parois formées. Une approche numérique de ce problème n'est pour l'instant pas possible, les codes de calculs n'étant pas encore assez performants pour tenir compte des phénomènes physique présent dans une telle situation. Par conséquent une approche expérimentale s'impose. Jusqu'à présent, de nombreuses études ont été effectuées sur le refroidissement par film mais sur des géométries relativement simples telles que plaque plane, cylindres etc. L'originalité du présent travail fut d'étudier une configuration d'injection sophistiquée sur une géométrie d'aubage directeur muni de parois formées. Pour cela, aussi bien l'aspect aérodynamique que thermique associé au refroidissement par film fut considéré. Les essais furent partagés en deux parties, la première fut dédiée à l'étude de l'aubage directeur même, la deuxième à l'étude du refroidissement par film sur les parois formées. Dans les deux cas, les mesures de transfert de chaleur et d'efficacité de refroidissement par film furent effectuées à l'aide d'une technique de mesure transitoire utilisant des cristaux liquides. Pour l'aubage directeur, un système de préconditionnement suivi d'une insertion rapide fut utilisé. Ce dernier fut déjà appliqué lors d'autres projets, mais dans le cadre de ce travail de recherche, la technique des cristaux liquides fut améliorée. Pour cela, un nouveau système de traitement d'image et d'analyse du signal furent conçus. Pour les mesures sur les parois, une nouvelle technique de mesure transitoire basée sur l'utilisation d'une fine feuille électrique chauffante fut développée. L'originalité de cette nouvelle technique réside dans son application à des géométries complexes pour lesquelles un flux de chaleur non homogène est produit (parois courbes, présence de trous de refroidissement). Cette nouvelle technique de mesure fut tout d'abord testée et validée sur une géométrie simple, consistant en une plaque plane refroidie par film. Cette même technique fut ensuite appliquée aux parois formées et refroidies par film et permit d'obtenir des résultats très intéressants de coefficient de transfert de chaleur (h) et d'efficacité de refroidissement par film (η). Ce dernier résultat fut aussi comparé à des valeurs obtenues à l'aide d'une technique de mesure tout aussi innovante basée sur une peinture PSP avec injection d'azote. Les résultats de ce travail expérimental sur le refroidissement par film et appliqué sur une géométrie complexe, ont été obtenus grâce au développement de nouvelles techniques de mesures. Ces dernières permettent maintenant d'effectuer des essais systématiques afin de mieux comprendre l'aspect physique du procédé de refroidissement par film sur des configurations complexes telles que des parois formées.