Aérothermie des turbines

L'un des défis les plus importants aujourd'hui pour les concepteurs de turbines à gaz est la prévision de la température de paroi, notamment au niveau de la turbine haute-pression -HP- (partie située juste en aval de la chambre de combustion). Le rendement du moteur dépend directement de la température en  sortie de chambre, et il est nécessaire de pouvoir estimer la température dans la turbine au mieux pour maximiser  les performances tout en assurant la longévité des composants. A titre indicatif, une erreur de l'ordre de 1% sur la prévision de la température à la surface des aubes de la turbine HP correspond à une réduction de sa durée de vie d'un facteur 2. Les écoulements sont en outre particulièrement complexes dans cette zone du moteur (phénomène de transition laminaire-turbulent, "point chauds" venant dans la chambre de combustion, interactions entre parties fixes et mobiles, etc.).

Récemment, les chercheurs du CERFACS se sont engagés dans cette thématique avec l'objectif d'améliorer la prévision de la température à l'aide d'outils numériques. plusieurs effets sont étudiés :
1) transport de "points chauds" au travers de la turbine HP (Fig. 1),
2) impact des effets technologiques (baignoire en tête des aubes, trous de refroidissement, etc.) sur la température de paroi,
3) étude des effets de la turbulence par le biais de simulations instationnaires (type Simulation aux Grandes Echelles -SGE).

Lorsqu'un couplage entre les couches limites thermiques et dynamique existe, il peut être  nécessaire de recourir à une méthode de couplage entre plusieurs codes de calculs (au moins un pour l'aérodynamique dans la veine et un pour la conduction à l'intérieur du solide, Fig. 2). Ces calculs nécessitent un puissance de calcul élevée, surtout lorsqu'une description fine de la turbulence est recherchée. De nombreux partenariats ont été initié sur cette thématique au niveau Européen (VKI, SAFRAN, ONERA, etc.)., incluant le CERFACS.  Les progrès réalisés au CERFACS en matière d'outil de simulation numérique ont permit d'améliorer la précision des calculs ainsi que d'accéder à une meilleur compréhension de la physique, notamment au niveau du refroidissement des aubes et des phénomènes de transition de couche limite.

Contacts: Fabien Wlassow, Thomas Leonard, Florent Duchaine, Nicolas Gourdain