The thesis comprises a collection of four papers with preceding summary and supplementary appendices. The core investigation solely is of experimental nature although reference and comparisons with numerical models will be addressed. The first admission stage in an industrial steam turbine is referred to as the control stage if partial admission is applied. In order to achieve high part load efficiency and a high control stage output it is routinely applied in industrial steam turbines used in combined heat and power plants which frequently operate at part load. The inlet flow is individually throttled into separate annular arcs leading to the first stator row. Furthermore, partial admission is sometimes used in small-scale turbine stages to avoid short vanes/blades in order to reduce the impact from the tip leakage and endwall losses. There are three main aspects regarding partial admission turbines that need to be addressed. Firstly, there are specific aerodynamic losses: pumping-, emptying- and filling losses attributed to the partial admission stage. Secondly, if it is a multistage turbine, the downstream stages experience non-periodic flow around the periphery and circumferential pressure gradients and flow angle variations that produce additional mixing losses. Thirdly, the aeromechanical condition is different compared to full admission turbines and the forcing on downstream components is also circumferentially non-periodic with transient load changes. Although general explanations for partial admission losses exist in open literature, details and loss mechanisms have not been addressed in the same extent as for other sources of losses in full admission turbines. Generally applicable loss correlations are still lacking. High cycle fatigue due to unforeseen excitation frequencies or due to under estimated force magnitudes, or a combination of both causes control stage breakdowns. The main objectives of this thesis are to experimentally explore and determine performance and losses for a wide range of partial admission configurations. And, to perform a forced response analysis from experimental data for the axial test turbine presented herein in order to establish the forced response environment and identify particularities important for the design of control stages. Performance measurements concerning the efficiency trends and principal circumferential and axial pressure distortions demonstrate the applicability of the partial admission setup employed in the test turbine. Findings reveal that the reaction degree around the circumference varies considerably and large flow angle deviations downstream of the first rotor are present, not only in conjunction to the sector ends but stretching far into the admission sector. Furthermore, it is found that the flow capacity coefficient increases with reduced admission degree and the filling process locally generates large rotor incidence variation associated with high loss. Moreover, the off design conditions and efficiency deficit of downstream stages are evaluated and shown to be important when considering the overall turbine efficiency. By going from one to two arcs at 52.4% admission nearly a 10% reduction in the second stage partial admission loss, at design operating point was deduced from measurements. Ensemble averaged results from rotating unsteady pressure measurements indicate roughly a doubling of the normalized relative dynamic pressure at rotor emptying compared to an undisturbed part of the admission jet for 76.2% admission. Forced response analysis reveals that a large number of low engine order force impulses are added or highly amplified due to partial admission because of the blockage, pumping, loading and unloading processes. For the test turbine investigated herein it is entirely a combination of number of rotor blades and low engine order excitations that cause forced response vibrations. One possible design approach in order to change the force spectrum is to alter the relationship between admitted and non-admitted arc lengths. / Denna sammanläggningsavhandling består av fyra artiklar och föregås av en sammanfattning med kompletterande bilagor. Kärnan av undersökningen är experimentell även om referenser och jämförelser med numeriska modeller förekommer där så bedöms lämpligt. Det första steget i en industriell ångturbin kallas reglersteg om partialpådrag tillämpas. Det används rutinmässigt i kraftvärmeanläggningar som ofta körs vid dellaster för att åstadkomma en hög dellastverkningsgrad och hög stegeffekt. Inloppsflödet delas in separata och individuellt strypreglerade pådragsbågar som leder till det första munstycksgittret. Ibland används partialpådrag i små turbiner för att undvika korta blad och på så sätt minska takläckage och ändväggsförlusternas inflytande på den totala förlusten. Det finns i huvudsak tre aerodynamiska/aeromekaniska egenheter som bör beaktas. Först det första är det speciella aerodynamiska förluster associerade till partialpådrag eller reglersteget: ventilations-, tömnings och fyllningsförluster. För det andra, om det är en flerstegsturbin påverkas också nedströms steg negativt av det asymmetriska flödet runt omkretsen som innefattar stora tryckvariationer och flödesvinkelvariationer. För det tredje är den aeromekaniska situationen speciell jämfört med ett fullpådraget steg. För partialpådrag existerar dynamiska krafter med snabba laständringar vid in och utpassering i pådragsbågen. Även om det existerar generella förklaringar i den öppna litteraturen angående förluster så har inte förlustmekanismerna utretts i samma omfattning jämfört med fullpådrag. Ingen generell förlustkorrelation finns. Utmattning på grund oförutsedda excitationsfrekvenser, underskattade kraftamplituder eller en kombination av båda orsakar reglerstegshaveri för ångturbinintressenter. De huvudsakliga målsättningarna med denna studie är att experimentellt utforska och bestämma prestanda och förluster för ett stort antal partialpådragskonfigurationer. Samt att genomföra en vibrationsanalys (relaterat till aerodynamiska kraftimpulser) utifrån mätdata från provturbinen avhandlad häri. Detta för att kartlägga de aeromekaniska förutsättningarna och om möjligt identifiera egenheter viktiga för konstruktion av reglersteg. Prestandamätningar rörande verkningsgradstrender och generella strömningsvariationer runt omkretsen bekräftar resultat från den öppna litteraturen och därmed demonstrerar dugligheten av den partialpådragskonfiguration som används i luftprovturbinen. Dessutom visar resultaten bland annat att reaktionsgraden varierar kraftigt runt omkretsen med stora variationer i rotorns utloppsvinkel inte enbart i anslutning till sektorändar utan långt in i pådragssektorn. Flödeskapacitetskoefficienten eller turbinkonstanten ökar med minskat pådrag och fyllningsprocessen genererar stora variationer i rotorns inloppsvinkel förknippade med höga förluster. Det är viktigt att beakta dellastförutsättningarna och verkningsgradsminskningen för nedströms steg. Genom att använda två pådragsbågar istället för en för ett givet pådrag av 52,4% minskar partialpådragsförlusterna för nedströmssteget med nästan 10 % vid designpunkten, härlett från mätningar. Samlade medelvärden från roterande instationära mätningar visar på en fördubbling av det relativa dynamiska trycket vid rotortömning jämfört med en opåverkad del av pådragsbågen. Vibrationsanalys (relaterat till aerodynamiska kraftimpulser) av mätdata avslöjar att partialpådrag orsakar en stor mängd kraftimpulser med låga varvtalsmultiplar, främst från ventilationen och påavlastningsprocesserna. För provturbinen så är det helt och hållet kombinationer mellan antalet rotorblad och dessa kraftimpulser som orsakar strömningspåverkade vibrationer. Ett möjligt tillvägagångssätt konstruktionsmässigt för att ändra kraftspektrumet är att ändra längförhållandet mellan pådragen och blockerad del. / QC 20120109

Efficiency improvement is an important aspect to reduce the use of fossil-based fuel in order to achieve a sustainable future. Gas turbines are mainly fossil-fuel based turbomachines, and, therefore, efficiency improvement is still the subject of many on-going research activities in the gas turbine community. This study is incorporated into a research project that investigates design possibilities of efficiency improvement at the high pressure turbine (HPT) stage. In the search for HPT-stage efficiency gains, leading edge (LE) contouring near the endwall is one of the methods found in the published literature that has shown a potential to increase the efficiency by decreasing the amount of secondary losses. The overall objective of the thesis is to contribute to the development of gas turbine efficiency improvements in relation to the HPT stage. Particularly, the influence of the LE fillet on losses and flow structure is investigated concentrating on the secondary flow. The core investigation is of an experimental nature. Detailed investigations of the flow field in an annular sector cascade (ASC) are presented with and without the LE fillet, using a geometric replica of a modern gas turbine nozzle guide vane (NGV) with a contoured tip endwall. Furthermore, a separate investigation is performed on a hub-cooled NGV, which focuses on endwalls, specifically the interaction between the hub film cooling and the mainstream (MS). The experimental investigations indicate that the LE fillet has no significant effect on the flow and energy losses of the investigated NGV. The reason why the LE fillet does not affect the losses might be due to the use of a three-dimensional vane with an existing typical fillet over the full hub and tip profile. Findings also reveal that the complex secondary flow depends heavily on the incoming boundary layer. Oil flow visualisation for the baseline case displays a clear saddle point, with a separation line where the horseshoe (HS) vortex separates into the suction side (SS) and the pressure side (PS), whereas for the filleted case, the saddle point is not noticeable. The investigation of a cooled vane, using a tracer gas carbon dioxide (CO2), reveals that the upstream platform film coolant is concentrated along the SS surfaces and does not reach the PS of the hub surface, leaving it less protected from the hot gas. / För att åstadkomma en uthållig kraftproduktion i framtiden och en minskning i användandet av fossila bränslen är effektivitetsförbättringar av central betydelse. Gasturbiner är i grund och botten fossilbaserade turbomaskiner och därför bedrivs forsknings- och utvecklingsarbete kring verkningsgradsförbättringar. Den här studien ingår i ett forskningsprojekt som undersöker designmodifieringar med målet att höja verkningsgraden för ett högtrycksturbinsteg. Förändringar av bladets eller ledskenans framkantsgeometri nära ändväggarna har i den öppna litteraturen funnits vara en lovande metod för att minska ändväggsförlusterna. Det övergripande målet med denna studie är att bidra till utvecklingen av effektiva högtrycksturbinsteg för gasturbiner. Kärnan i undersökningen är experimentell. Särskilt påverkan från förändring av framkanten på förluster och flödesstruktur undersöks, med fokus på det sekundära flödet. Detaljerade strömningsundersökningar i ett bågformat statorgitter bestående av en geometrisk replika av en stator från en modern gasturbin presenteras, med och utan geometrisk förändring av framkanten. Vidare så genomförs en separat undersökning av en filmkyld ledskena utan framkantsförändring med fokus på interaktionen mellan filmkylningen vid inre ändväggen och huvudflödet. De experimentella undersökningarna visar att den undersökta geometriska förändringen av framkanten inte är av signifikant betydelse för strömningsförlusterna med den studerade ledskenan. Anledningen till att designförändringen inte påverkar förlusterna kan bero på användandet av en tredimensionell ledskena med en existerande typisk kärlradie mellan ledskenan och ändväggarna. Observationerna visar också att den komplexa ändväggsströmningen är starkt beroende av det inkommande gränsskiktets egenskaper. Oljevisualisering för referensledskenan visar en tydlig stagnationspunkt på ändväggen där gränsskiktet delas upp likt en hästskoformation i virvlar på sug- respektive trycksidan av ledskenan. För den modifierade framkanten har ingen tydlig stagnationspunkt på ändväggen observerats. Spårgasundersökningar med den filmkylda ledskenan visar att filmkylningen på den inre plattformen är koncentrerad längs sugsidan och når inte trycksidan på plattformen som därmed är mindre skyddad mot den varma gasströmningen. / QC 20120330