La prise en compte des transferts thermiques est indispensable pour déterminer les caractéristiques mécaniques des divers éléments fixes et mobiles (compresseurs, turbines, disques, carters) et par conséquent leur durée de vie.
Deux domaines particuliers d'application de l'aérothermique sont spécifiques aux turbomachines. Tout d'abord, il s'agit de l'écoulement dit interne qui concerne les cavités interdisques, ainsi que les canaux de refroidissement à l'intérieur des aubages de turbines fixes et mobiles. Les géométries réelles sont complexes, avec des discontinuités afin d'améliorer les échanges convectifs. Enfin, le calcul de l'écoulement dit externe autour des aubages doit prendre en compte la présence des débits de refroidissement qui sortent de l'aubage soit par des fentes, surtout au bord de fuite, soit par des perforations. Il en est de même sur les carters internes et/ou externes. La complexité de l'écoulement est ainsi accrue et ces effets doivent être pris en compte dans le calcul aérodynamique général.
Migration de points chauds dans une turbine haute pression
Figure 1 : champ d'entropie à mi-hauteur de veine
(effet du positionnement amont du point chaud)
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Une simulation numérique instationnaire 3D des équations de Navier-Stokes est réalisée sur un cas d’un étage de turbine haute pression, en modélisant les distorsions de température (points chauds) en entrée de roue. La configuration de calcul conduit à un maillage de 3,5 millions de points. L’objectif est de simuler la migration d’un point chaud et de comprendre ses effets sur les échanges thermiques avec les aubages. L’analyse de l’écoulement confirme les observations expérimentales. Le calcul montre que lorsque le point chaud percute le distributeur, on constate d’importantes réductions du flux de chaleur sur le rotor, par rapport à une configuration où le point chaud circule en milieu de canal stator (figure 1).
Refroidissement d’aube de turbine par film
Figure 2 : champ de température (trace thermique pariétale)
L'amélioration des performances des moteurs passe par une augmentation de la température en entrée de turbine. L’utilisation de matériaux résistants aux sollicitations thermiques, couplée à des systèmes de refroidissement des aubes, permet d’admettre des températures en entrée de turbine supérieures à 2000 K. L’impact de ces systèmes de refroidissement peut être prédit par la réalisation de calculs thermiques. Grâce à la technique Chimère implémentée dans le logiciel elsA, une simulation du refroidissement des aubes de turbine par la méthode dite de « film cooling » est réalisée (fig. 2). Ce calcul permet également de valider la méthode Chimère qui consiste à interpoler la solution entre des blocs de maillages superposés à points non coïncidents.
