Influence des écoulements de cavité inter-disque sur l'aérodynamique d'une turbine

Influence of cavity flow on turbine aerodynamics

• Auteur / Autrice : Maxime Fiore
• Direction : Nicolas Gourdain, Jean-François Boussuge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 07/05/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département aérodynamique, énergétique et propulsion
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Trebinjac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Gourdain, Jean-François Boussuge, Isabelle Trebinjac, Vittorio Michelassi, Paul G. Tucker, Eric Lippinois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vittorio Michelassi, Paul G. Tucker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbines

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Aérodynamique turbine

Écoulements de purge en pied d’aube

Espace inter-Disque

Entrefer

Processus de mélange

Pertes

Simulations numériques

Axial turbine aerodynamic

Cavity purge flow

Wheel-Space

Rim seal

Mixing processes

Loss accounting

Exergy analysis

Numerical simulation

Résumé

Afin de faire face aux fortes températures rencontrées par les composantsen aval de la chambre de combustion, des prélèvements d’air plus frais sont réalisésau niveau du compresseur. Cet air alimente les cavités en pied de turbine et refroidiles disques rotor permettant d’assurer le bon fonctionnement de la turbine.Ce manuscrit présente une étude numérique de l’effet de ces écoulements de cavitéau pied de la turbine sur ses performances aérodynamiques. Les phénomènesd’interaction entre l’air de cavité en pied de turbine et l’air de veine principal est unphénomène encore difficilement compris. L’étude de ces phénomènes est réalisée autravers de différentes approches numériques (RANS, LES et LES-LBM) appliquéesà deux configurations pour lesquelles des résultats expérimentaux s ont disponibles.Une première configuration en grille d’aube linéaire en amont de laquelle différentesgéométries d’entrefer (interface entre plateforme rotor et stator) et débits de cavitépouvaient être variés. Une seconde configuration annulaire composée de deux étagesde turbine comprenant les cavités en pied et plus proche d’une configuration industrielle.Les pertes additionnelles associées à l’écoulement de cavité sont mesurées etétudiées à l’aide d’une méthode basée sur l’exergie (bilans d’énergie dans l’objectifde générer du travail).

In order to deal with high temperatures faced by the components downstreamof the combustion chamber, some relatively cold air is bled at the compressor.This air feeds the cavities under the turbine main annulus and cool down the rotordisks ensuring a proper and safe operation of the turbine. This thesis manuscriptintroduces a numerical study of the effect of the cavity flow close to the turbine hubon its aerodynamic performance. The interaction phenomena between the cav-ity andmain annulus flow are not currently fully understood. The study of these phenomenais performed based on different numerical approaches (RANS, LES and LES-LBM)applied to two configurations for which experimental results are avail-able. A linearcascade configuration with an upstream cavity and various rim seal geometries(interface between rotor and stator platform) and cavity flow rate avail-able. Arotating configuration that is a two stage turbine including cavities close to realisticindustrial configurations. Additional losses incurred by the cavity flow are measuredand studied using a method based on exergy (energy balance in the purpose togenerate work).