Contribution Numérique à l’étude de refroidissement interne des aubes de turbines à gaz

Abstract

Cette étude tente d’apporter quelques éclaircissements sur l’un des problèmes les plus fondamentaux et les plus complexes des phénomènes dynamiques et thermiques dans les circuits de refroidissement interne par convection forcée des aubes de turbines à gaz. Cette étude a deux objectifs, l’un est l’investigation de l’effet de l’orientation des nervures sur l’écoulement et le transfert thermique dans un canal à quatre passages en mode non-orthogonal de rotation dans des conditions typiques de fonctionnement d’un turboréacteur Re=25,000 et R_0=0.24. Deux configurations sont examinées – dans l’une, les nervures sont orientées de -45° par rapport à la direction de l’écoulement principal dans le premier et le troisième passage et de +45° dans le second; dans l’autre, elles sont inclinées de +45° dans les trois passages – afin de voir laquelle de ces configurations améliore mieux le transfert thermique avec une perte de charge acceptable et un écart thermique réduit entre les parois avant et arrière du canal, et par conséquent d’éviter l’utilisation des nervures de géométrie complexe de coût élevé. L’autre objectif est d’étudier les effets de la force de Coriolis et la force centrifuge dans un canal à deux passage en mode non orthogonal de rotation dans les conditions extrêmes de conception des systèmes de refroidissement d’aubes de turbine (haut nombre de rotation (R_0=1.00) et haut rapport de masse volumique (∆ρ⁄ρ=0.5)), dont les mécanismes physiques ne sont pas, encore, étudiés expérimentalement et numériquement. Les simulations numériques ont été effectuées en utilisant le modèle de turbulence de second ordre basé sur l’équation de la fréquence caractéristique de la turbulence. Les résultats obtenus sont expliqués via la compréhension de l’interaction des écoulements secondaires induits par la force de Coriolis, la force de flottabilité centrifuge et les nervures inclinées. Ceux relatifs à bas nombre de rotation et bas rapport de masse volumique sont en accord avec les données expérimentales disponibles. Pour un écoulement en avant de l’air de refroidissement, l’étude comparative des effets des deux orientations des nervures (∓45° ) a montré que les nervures décalées et inclinées de +45° sont préférables dans les passages à écoulement principal centrifuge. L’étude des effets du haut nombre de rotation et haut rapport de masse volumique a montré que le taux de transfert thermique est dégradé d’une manière significative dans le second passage à écoulement principal centripète par rapport au cas statique. Par conséquent l’utilisation d’un circuit de refroidissement à multi-passages est sujette à questions, en l’absence de données expérimentales qui valident ces résultats.