Les turbomachines sont largement utilisées pour la production d’électricité et pour la propulsion aérienne. Une augmentation, même minime, du rendement de ces
machines peut avoir un effet important sur la consommation et les émissions polluantes à l’échelle mondiale. Concernant la propulsion aérienne, les architectures à fort taux de dilution ont permis d’augmenter le rendement propulsif (la conversion des gaz éjectés en sortie de la turbomachine en poussée pour l’avion par principe d’action/réaction). Le rendement thermique a également été amélioré en augmentant le taux de compression entre l’entrée de la turbomachine et la chambre de combustion. L’augmentation du rendement thermique étant devenu de plus en plus difficile à obtenir, un intérêt croissant est porté aux prélèvements d’air dans une turbomachine. Ces prélèvements alimentent le système d’air secondaire pour la pressurisation cabine, les étanchéités des paliers des arbres haute et basse pression, etc. Une partie de cet air sert également à refroidir les composants en aval de la chambre de combustion fonctionnant dans un environnement de plus en plus chaud. Cet air sert à alimenter les cavités en pied de turbine sous la plateforme pour refroidir les disques rotor. Cependant, une partie de cet air s’échappe dans la veine principale ce qui occasionne des pertes supplémentaires pour la turbine par des phénomènes de mélange. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre ces phénomènes d’interaction entre l’air de cavité et de veine principale afin d’en réduire les pertes associées. Cette problématique est étudiée par l’intermédiaire de simulations numériques sur deux configurations expérimentalement et l’utilisation d’une approche basée sur des bilans d’énergie connue sous le nom d’exergie. Différentes modélisations de l’écoulement et de la turbulence ont été employées au cours de cette thèse avec des simulations RANS, LES et LES-LBM basées sur les différents codes disponibles au cours de cette thèse : elsA, AVBP et Pro-LB. Les simulations numériques ont d’abord été menées sur une cascade d’aubes linéaire basse vitesse en amont de laquelle se trouvait une cavité avec entrefer. Cela a permit d’étudier le phénomène d’interaction entre l’air de veine et de cavité pour différentes géométries d’entrefer et débits de cavité. L’étude de cette configuration a permis de montrer l’influence de l’écoulement de cavité sur les écoulements secondaires se développant dans l’espace inter-aube et la couche de mélange à l’interface cavité/veine principale sur les instationnarités observées dans la veine principale. La seconde configuration d’étude est une turbine bi-étage avec cavités et différents débits de cavité en pied, plus proche d’une configuration industrielle. L’effet de rotation du disque par rapport à la configuration en grille d’aube linéaire a permis de montrer que l’injection de l’air de cavité dans la veine principale est réalisée selon un mécanisme complexe avec l’influence des sillages amont, de l’effet potentiel aval et de l’entrainement dans la cavité avec un processus d’alimentation des structures secondaires (structures normales à la direction de l’écoulement) de façon similaire à la cascade d’aubes linéaire. |
Turbomachinery is widely used for electrical power generation and aviation industries. Any efficiency improvement can have a significant impact on overall fuel consumption and global emission. The continuous effort to improve efficiency by higher pressure ratio, temperature and aerodynamic improvement in the main annulus passage of the gas turbine made possible to reach a high degree of efficiency. Since the current benefit for increased pressure, temperature and main annulus aerodynamic improvement have become more and more difficult to achieve, a further insight has been given to flow mixing and cooling areas. These are topics inherent in gas turbines due to hot gas flows in the main annulus downstream of the combustion chamber. Some relatively cold air is collected at the compressor to achieve various tasks through the secondary air system as bearing pressurization or turbine disk cooling in order to ensure a safe operation. However, the cooling comes as a cost since it is compressed at an appropriate pressure but does not contribute to the cycle output. In addition, the cooling that blows in the cavities of the turbine reduce the output power due to losses associated with the main annulus mixing processes. This thesis aims at understanding the loss generation processes that occur in the main annulus due to the additional purge flow blowing. This phenomenon is tackled using numerical simulation of two configurations with experimental data available and the use of a method to track loss generation based on an exergy formulation (energy balance in the purpose to generate work). This formulation enables local and directional evaluation of loss. RANS, LES and LES-LBM simulation have been performed with the different codes available along this thesis elsA, AVBP and Pro-LB. First, the simulations were led on a low speed linear five nozzle guide vane cascade with upstream cavity to primarily study the interaction process between the cavity and the mainstream flow over different rim seal geometries and purge flow rates. This configuration made possible to highlight the influence of the purge flow on secondary flows developing in the passage as well as the influence of the mixing layer at the rim-seal interface on pressure fluctuations and passage vortex unsteadiness.
The second configuration is a two-stage low-speed low pressure turbine more realistic compared to an industrial configurations. Different purge flow rates could be supplied in the cavity. The additional rotating effect induced by the rotor disk as well as rotor/stator interaction showed a complex blowing of the cavity flow in the mainstream while the feeding process of secondary structures by the cavity flow remained the main process for additional losses. |