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

Turbomachinery is widely used for electrical power generation mechanical drive andaviation industries. Any efficiency improvement can have a significant impact onoverall fuel consumption and global emission. The continuous effort to improve efficiencyby higher pressure ratio, temperature and aerodynamic improvement in themain annulus passage of the gas turbine made possible to reach a high degree ofefficiency. Since the current benefit for increased pressure, temperature and mainannulus aerodynamic improvement have become more and more difficult to achieve,a further insight has been given to the flow in mixing and cooling areas. These topicsare inherent in gas turbines due to hot gas flows in the main annulus downstreamof the combustion chamber. Some relatively cold air is collected at the compressorto achieve various tasks through the secondary air system as bearing pressurizationor turbine disc cooling in order to ensure a safe operation. However, the coolingcomes as a cost since it is compressed at an appropriate pressure but does not contributeto the cycle output and the net contribution is negative. In addition, thecooling that blows in the cavities of the turbine reduces the output power due tolosses associated with the main annulus mixing processes. This thesis aims at understandingthe loss generation processes that occur in the main annulus due tothe additional purge flow blowing. This phenomenon is tackled using numericalsimulation of two configurations with experimental data available and the use of amethod to track loss generation based on an exergy formulation (energy balance inthe purpose to generate work). This formulation enables a local and directional evaluationof losses. RANS, LES and LES-LBM simulation have been performed withthe different solvers available during this thesis: elsA, AVBP and Pro-LB. First, thesimulations were led on a low speed linear five nozzle guide vane cascade with anupstream cavity to primarily study the interaction process between the cavity andthe mainstream flow over different rim seal geometries and purge flow rates. Thisconfiguration made possible to highlight the influence of the purge flow on secondaryflows developing in the passage as well as the influence of the mixing layer at therim-seal interface on pressure fluctuations and passage vortex unsteadiness. The secondconfiguration is a two-stage low-speed low pressure turbine more realistic andcloser to an industrial configuration. Different purge flow rates could be suppliedin the cavity. The additional rotating effect induced by the rotor disc as well asrotor/stator interaction provided additional phenomena compared to the linear cascadeconfiguration: a complex blowing of the cavity flow in the mainstream due tothe cavity entrainment effect, wakes and potential effect, an interaction of upstreamwakes and secondary vortices on downstream rows while the feeding process of secondarystructures by the cavity flow showed similar behavior than the linear cascade.Les turbomachines sont largement utilisées pour la production d’électricité et pourla propulsion aérienne. Une augmentation, même minime, du rendement de cesmachines peut avoir un effet important sur la consommation et les émissions polluantesà l’échelle mondiale. Concernant la propulsion aérienne, les architecturesà fort taux de dilution ont permis d’augmenter le rendement propulsif (la conversiondes gaz éjectés en sortie de la turbomachine en poussée pour l’avion parprincipe d’action/réaction). Le rendement thermique a également été amélioré enaugmentant le taux de compression entre l’entrée de la turbomachine et la chambrede combustion. L’augmentation du rendement thermique étant devenu de plus enplus difficile à obtenir, un intérêt croissant est porté aux prélèvements d’air dansune turbomachine. Ces prélèvements alimentent le système d’air secondaire pourla 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 avalde la chambre de combustion fonctionnant dans un environnement de plus en pluschaud. Cet air sert à alimenter les cavités en pied de turbine sous la plateformepour refroidir les disques rotor. Cependant, une partie de cet air s’échappe dans laveine principale ce qui occasionne des pertes supplémentaires pour la turbine pardes phénomènes de mélange. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre cesphénomènes d’interaction entre l’air de cavité et de veine principale afin d’en réduireles pertes associées. Cette problématique est étudiée par l’intermédiaire de simulationsnumériques sur deux configurations testées expérimentalement et l’utilisationd’une approche basée sur des bilans d’énergie connue sous le nom d’exergie. Différentesmodélisations de l’écoulement et de la turbulence ont été employées au coursde cette thèse avec des simulations RANS, LES et LES-LBM basées sur différentscodes CFD: elsA, AVBP et Pro-LB. Les simulations numériques ont d’abord étémenées sur une cascade d’aubes linéaire basse vitesse en amont de laquelle se trouvaitune cavité avec entrefer. Cela a permit d’étudier le phénomène d’interactionentre 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’écoulementde cavité sur les écoulements secondaires se développant dans l’espace inter-aubeet la couche de mélange à l’interface cavité/veine principale sur les instationnaritésobservées dans la veine principale. La seconde configuration d’étude est une turbinebi-étage avec cavités et différents débits de cavité en pied, plus proche d’une configurationindustrielle. L’effet de rotation du disque par rapport à la configurationen grille d’aube linéaire a permis de montrer que l’injection de l’air de cavité dansla veine principale est réalisée selon un mécanisme complexe avec l’influence dessillages amont, de l’effet potentiel aval et de l’entrainement dans la cavité avec unprocessus d’alimentation des structures secondaires (structures normales à la directionde l’écoulement) de façon similaire à la cascade d’aubes linéaire