Flow field and heat transfer in a rotating rib-roughened cooling passage

par Ignacio Mayo Yague

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Laurent Gicquel et de Tony Arts.

Le président du jury était Roque Corral.

Le jury était composé de Eva Dorignac, Luca Casarsa, Bernhard Weigand.

Les rapporteurs étaient Eva Dorignac, Luca Casarsa.

  • Titre traduit

    Champ d'écoulement et transfert de chaleur dans un passage de refroidissement à nervure nervurée rotative


  • Résumé

    Un grand effort a été réalisé ces dernières années dans la compréhension du champ d'écoulement et du transfert de chaleur dans les canaux de refroidissement internes présents dans les pales de turbine. En effet, des systèmes de refroidissement avancés ont non seulement conduit à l'augmentation de l'efficacité de la turbine à gaz en augmentant la température d'entrée de la turbine au-dessus de la température de fusion du matériau, mais également en augmentant la durée de vie de la turbine. Pour permettre de tels progrès, des techniques expérimentales et numériques modernes ont été largement appliquées afin d'interpréter et d'optimiser l'aérodynamique et le transfert de chaleur dans les canaux de refroidissement internes. Cependant, les données disponibles sont limitées dans le cas des canaux de refroidissement internes dans les aubes de rotor de turbine. Les gradients de rotation et de température introduisent des forces de flottabilité de type Coriolis et centripète dans le référentiel rotatif, modifiant de manière significative l'aérothermodynamique par rapport aux passages stationnaires. Dans le cas des pales de rotor de turbine, la plupart des investigations sont soit basées sur des mesures ponctuelles, soit sont contraintes à des régimes de rotation faibles. L'objectif principal de ce travail est d'étudier le débit détaillé et le transfert de chaleur d'un canal de refroidissement interne à des conditions de fonctionnement dimensionnelles sans moteur représentatives. Ce travail introduit une section d'essai en laboratoire qui exploite des canaux à nervures sur un large éventail de nombres de Reynolds, de rotation et de flottabilité. Dans le présent travail, le nombre de Reynolds va de 15,000 à 55,000, le nombre de rotation maximum est égal à 0.77 et le nombre maximal de flottabilité est égal à 0.77. La nouvelle installation expérimentale consiste en une conception polyvalente qui permet l'interchangeabilité de la géométrie testée, de sorte que les canaux de différents rapports d'aspect et les géométries de nervure peut être facilement installé. La particle image velocimetry et la thermographie à cristaux liquides sont effectuées pour fournir des mesures précises de vitesse et de transfert de chaleur dans les mêmes conditions opératoires, ce qui conduit à un ensemble de données expérimentales unique. De plus, des simulations à grands virages sont réalisées pour donner une image de l'ensemble du champ d'écoulement et compléter les observations expérimentales. En outre, l'approche numérique vise à fournir une méthodologie robuste qui est capable de fournir des prédictions haute-fidélité de la performance des canaux de refroidissement internes.


  • Résumé

    A great effort has been carried out over the recent years in the understanding of the flow field and heat transfer in the internal cooling channels present in turbine blades. Indeed, advanced cooling schemes have not only lead to the increase of the gas turbine efficiency by increasing the Turbine Inlet Temperature above the material melting temperature, but also the increase of the turbine lifespan. To allow such progresses, modern experimental and numerical techniques have been widely applied in order to interpret and optimize the aerodynamics and heat transfer in internal cooling channels. However, the available data is limited in the case of internal cooling channels in turbine rotor blades. Rotation and temperature gradients introduce Coriolis and centripetal buoyancy forces in the rotating frame of reference, modifying significantly the aerothermodynamics from that of the stationary passages. In the case of turbine rotor blades, most of the investigations are either based on point-wise measurements or are constraint to low rotational regimes. The main objective of this work is to study the detailed flow and heat transfer of an internal cooling channel at representative engine dimensionless operating conditions. This work introduces a laboratory test section that operates ribbed channels over a wide range of Reynolds, Rotation and Buoyancy numbers. In the present work, the Reynolds number ranges from 15,000 to 55,000, the maximum Rotation number is equal to 0.77, and the maximum Buoyancy number is equal to 0.77. The new experimental facility consists in a versatile design that allows the interchangeability of the tested geometry, so that channels of different aspect ratios and rib geometries can be easily fitted. Particle Image Velocimetry and Liquid Crystal Thermography are performed to provide accurate velocity and heat transfer measurements under the same operating conditions, which lead to a unique experimental data set. Moreover, Large Eddy Simulations are carried out to give a picture of the entire flow field and complement the experimental observations. Additionally, the numerical approach intends to provide a robust methodology that is able to provide high fidelity predictions of the performance of internal cooling channels.


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