Modélisation et simulation numérique de l'aérothermie des cavités sous distributeur de turbine et exploration de concepts de refroidissement avancés

Aerothermal modeling and numerical simulation of turbine stator well and exploration of advanced cooling concepts

• Auteur / Autrice : Jean-Hugues Beaux
• Direction : Sofiane Khelladi, Michaël Deligant, Christelle Périlhon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 11/12/2024
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Fluides et des Systèmes Énergétiques (Paris) - Laboratoire d'Ingénierie des Fluides et des Systèmes Énergétiques (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Tony Arts
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sofiane Khelladi, Michaël Deligant, Christelle Périlhon, Tony Arts, Nicolas Binder, Stéphane Aubert, Julien Marty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Binder, Stéphane Aubert
• DOI : 10.70675/b6dc6a70z630fz4ab7z8858z3be725b06965

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Simulation

Transfert de chaleur

Thèses et écrits académiques

Turbines

Mots clés libres

Aérothermique

Cavités sous distributeurs

Cfd

Aérodynamique

Transfert thermique conjugué

Pertes de purge

Aerothermal

Turbine stator well

Cfd

Aerodynamic

Conjugate Heat Transfer

Purge losses

Résumé

Ces travaux de thèse sont consacrés aux problématiques de durée de vie et de performances apportées par les cavités sous distributeur de turbine, qui sont accentuées dans le cadre du développement des turbines rapides. Dans un premier temps, une méthodologie basée sur des simulations CFD stationnaires et avec couplage fluide / solide au sein du solveur ANSYS Fluent a été mise en place, pour répondre au besoin de prédiction des températures des pièces qui composent les cavités. Par confrontation aux données expérimentales du banc d'essais MAGPI, cette méthodologie s'est montrée précise pour la prédiction des températures solides du pied du stator dans la cavité, et robuste aux différentes conditions de fonctionnement subites durant une mission moteur. Des écarts avec les mesures ont été constatés en tête de disque rotor, et démontrent les limitations de la méthodologie dans ces zones, soumises à des phénomènes instationnaires. Dans un second temps, les travaux ont été dédiés à la réduction des pertes de performances induites par les cavités, en s'intéressant aux pertes aérodynamiques générées par un débit de purge. Un concept de déflecteurs a été identifié puis optimisé, pour améliorer les pertes de mélange entre les écoulements de fuite transitant dans la cavité. Cette solution technologique s'est avérée efficace pour améliorer les performances de la turbine, notamment par un effet bénéfique sur le rendement de la grille rotor située en aval de la cavité. L'évaluation de ce concept a été rendu possible par l'utilisation de simulations destinées à quantifier les effets aérothermiques et aérodynamiques présents dans les cavités.

This thesis work is dedicated to the issues of lifespan and performance related to the cavities beneath the turbine nozzle guide vane, which become more pronounced in the context of high-speed low pressure turbines development. First, a methodology based on steady-state CFD simulations, with fluid-solid coupling within the ANSYS Fluent solver, was developed to predict the temperatures of components within the cavities. Comparisons between calculations and the MAGPI experimental data demonstrated the method's accuracy in predicting solid temperatures on the stator foot, as well as its robustness under the various operating conditions encountered during an engine mission. However, discrepancies were observed at the rotor hub endwalls, highlighting the limitations of the methodology in regions influenced by unsteady phenomena. In the second phase of the thesis, the focus shifted to reducing performance losses caused by the cavities, with particular emphasis on aerodynamic losses induced by purge flow. A deflector concept was identified and subsequently optimized to reduce mixing losses between the leakage flows passing through the cavity. This technological solution significantly enhanced turbine performance, particularly by improving the efficiency of the rotor stage downstream of the cavity. This concept was evaluated using simulations designed to quantify both the aerothermal and aerodynamic effects present within these cavities.