Analyse instationnaire aérothermique d'un étage de turbine avec transport de points chauds

application à la maîtrise des performances des aubages

• Auteur / Autrice : Fabien Wlassow
• Direction : Ghislaine Ngo-Boum, Nicolas Gourdain, Francis Leboeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 07/05/2012
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique / LMFA
• Jury : Président / Présidente : Pascal Ferrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Piquet, Gilles Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tony Arts, Remy Denos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbines à gaz

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Entropie

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulation numérique

Turbine haute-pression

Chimère

Couplage thermique fluide-solide

Entropie

CFD

High-pressure turbine

Chimera

Fluid-solid thermal coupling

Entropy

Résumé

Afin d’augmenter le rendement et la puissance spécifique des turbines à gaz, la température en entrée de la turbine haute pression a été continuellement augmentée, au point d’atteindre une valeur de l’ordre de la température de fusion des matériaux. La capacité à prédire l’écoulement (température en particulier) dans la turbine est donc un élément essentiel pour la conception des turbines à gaz, particulièrement pour celle qui ne sont pas refroidies. Toutefois, cette tâche est rendue difficile par l’extrême complexité de l’environnement dans lequel la turbine évolue (interaction avec la chambre de combustion, effets technologiques, couplage thermique fluide / solide, etc.).L’objectif de ce travail de thèse est de proposer, d’une part une stratégie de simulation numérique afin de prédire au mieux les champs aérothermiques dans une turbine haute-pression, d’autre part une méthode d’analyse permettant de quantifier l’impact des différents éléments de l’environnement sur les performances. Pour répondre à ces objectifs, des simulations instationnaires d’un étage de turbine ont été réalisées avec le code elsA, prenant en compte les effets technologiques (baignoire, refroidissement externe grâce aux évents du distributeur et aux cavités moyeu et carter du rotor qui sont alimentés par le système d’air secondaire, congés de raccordement) et les transferts thermiques conjugués. Une analyse de la production locale d’entropie a aussi été menée afin de comparer les performances aérodynamiques pour plusieurs niveaux d’approximations dans la définition de la turbine (prise en compte ou non de tel ou tel effet technologique) et de localiser l’origine de ces différences. L’analyse des résultats a montré que la hauteur de jeu et le système de refroidissement externe ont l’impact le plus significatif sur les performances aérodynamiques de la turbine. La température de paroi de la pale de rotor est de son côté fortement influencée par l’écoulement issu de la chambre de combustion, le refroidissement externe et le couplage thermique fluide / solide. Ce travail est un premier pas vers la réalisation de simulations totalement intégrées qui doivent permettre d’améliorer la précision des conceptions.

In order to increase the thermodynamic efficiency of gas turbine engines, the high-pressure turbine inlet temperature has been continually increased up to reach levels of the order of magnitude of the vanes and blades melting temperatures. The ability of predicting the flow through the turbine(especially the temperature) is a key point for the design of gas turbines, especially for the uncooled ones. However, this is challenging because of the complex environment that interacts with the turbine(hot-streak migration, technological details, fluid/solid thermal coupling . . .).The aim of this work is to develop a strategy based on CFD in order to predict aerothermal fields in a high-pressure turbine as well as an analysis allowing to quantify the impact of the environment on the turbine performances. To achieve these goals, the elsA code has been used to perform unsteady simulation of a turbine stage, taking into account technological details (squealer tip, external cooling thanks to vane trailing edge cooling and rotor hub and shroud cooling cavities, fillets) and conjugate heat transfers. An analysis of the local entropy production rate was also used to compare the performances resulting from different modeling of the turbine (taking into account or not one particular technological detail) and to localize the origin of these discrepancies. The results show that the tip height and the external cooling have the greatest impact on the turbine performances. The rotor blade temperature is mainly affected by the flow coming from the combustion chamber, the external cooling and the fluid / solid thermal coupling. This work is the first step towards the realization of integrated simulations allowing to improve the accuracy of design.