| Étude de l’écoulement dans les cavités en sommet de roue mobile de turbine basse pression (Influence of tip shroud cavities on main flow path in low-pressure turbine) Perini, Maxime 2021-12-03 Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace | ||
| Directeur(s) de thèse: Binder, Nicolas; Bousquet, Yannick Laboratoire : Département Aérodynamique, Energétique et Propulsion -DAEP (depuis 2007) Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés -MEGeP Classification : Sciences de l'ingénieur | ||
Mots-clés : Aérodynamique, Turbine basse pression, Pale talonnée, Instabilité Résumé : Dans un contexte de changement climatique, le secteur de l’aéronautique doit réduire ses émissions de CO2. Le gain technologique est l’un des leviers sur lequel peut jouer le secteur pour maitriser ses émissions. Les motoristes ont fortement été impactés par ces contraintes et doivent faire face à des défis importants. Pour remplir ces objectifs, une des pistes potentielles d’amélioration se situe en sommet de roue mobile de la turbine basse pression des turbofans double corps/doubles flux actuels. En effet, il est possible d’ajouter une pièce mécanique en tête de pale de rotor, appelée talon, afin de supprimer l’écoulement de jeu, générateur de pertes, qui prend naissance dans le jeu radial d’une configuration classique de pale. Cela a des conséquences bénéfiques sur le rendement des étages de turbines basse pression, mais ces aménagements entraînent l’apparition de nouveaux phénomènes physiques, eux aussi générateurs de pertes, dont il faut améliorer la compréhension. On retrouve dans la littérature deux principaux phénomènes générateurs de pertes associés à ces géométries. Le premier entraine des pertes de charge lorsque le fluide traverse le talon. Cette physique se déroule en dehors de la veine et n’est donc pas au cœur de l’étude menée au cours de cette thèse. Le second est l’interaction entre le débit dans la veine et celui sortant du talon. Les deux fluides ont des propriétés de vitesse différentes et cela engendre des pertes de mélange. Ce mécanisme est important car il modifie également les conditions d’alimentation des aubages en aval. On retrouve aussi, en marge mais bien présent, des interactions entre le fluide présent dans la veine et celui dans les cavités de la géométrie de talon.Ces conclusions sont principalement issues d’une analyse stationnaire du problème à l’aide de bancs d’essais ou de simulations numériques. Aussi, on ne retrouve que des études pour des points de fonctionnement adaptés. Cette thèse a pour objectifs d’apporter une analyse instationnaire de ces écoulements et d’observer le comportement de ces géométries à des conditions hors-adaptation qui sont susceptibles de modifier les différents mécanismes. Pour cela, deux configurations de turbine basse pression avec pales talonnées, de complexité différentes, ont été utilisées. Des calculs stationnaires et instationnaires ont été réalisés afin de comparer ces deux méthodes. De plus, les géométries réelles ont été comparées à des cas idéaux où le jeu en tête de pale de rotor est considéré comme nul. Cela permet d’isoler l’influence de l’effet technologique sur l’écoulement principal. Ces simulations numériques ont été réalisées à l’aide du code de calcul elsA développé par l’ONERA.Les résultats de ces simulations ont permis de retrouver certaines conclusions de la littérature comme le fait que pour une configuration mono-étage les prédictions de performance faite par un calcul stationnaire sont très proches de celles faites par un calcul instationnaire. Ce n’est plus forcément le cas pour une configuration multi-étage ou bien à des conditions de fonctionnement hors-adaptation comme observé au cours de ces travaux. D’autres résultats sont nouveaux pour la littérature associée à cette problématique. Notamment la mise en évidence d’instabilité dans les cavités du talon. Ces dernières étaient plus ou moins attendues car les géométries rencontrées sont semblables à celles des configurations de cavités de purge dans lesquelles des instabilités peuvent prendre naissance. Résumé (anglais) : In the context of climate change, air transport CO2 emissions have to be reduced. Especially, engines manufacturers play a key role to achieve this goal. To do so, each component of current turbofan architecture has to be optimized. After decades of research on main flow path and airfoils aerodynamics a better understanding on technological effects, source of losses, is required.Regarding the literature, tip shroud cavities in low pressure turbines are responsible for pressure losses, when the by-pass mass flow goes through the labyrinth seal and mixing losses, when by-pass mass flow is reintroduced, which have to be controlled. Moreover, the flow inside the cavities can interact with the main flow path and generate additional losses. These conclusions are essentially based on shrouded turbines steady state analysis thanks to numerical and experimental configurations, at nominal operating point. The work that has been done during this thesis gives an unsteady analysis of such flow configurations at design and off-design conditions, which are likely to influence loss mechanisms, previously identified. Two configurations of shrouded turbine are under investigation. Use of ideal configurations of these turbines, with radial tip gap equal to zero, allowed us to isolate shroud contribution to loss increase. Also, steady state simulations have been performed to compare performance and flow physics prediction of both numerical methods.Results confirm some conclusion found in the literature as the good performance prediction of steady state simulations of a single stage configuration. However, the study shows that it is no longer true for multi stage or off-design configurations. Other results are new regarding the literature. For example, instabilities inside shrouded cavities have been identified. This observation was expected due to similarity between shroud and purge cavities, where such instabilities can take place. Langue : Français | ||
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