3D-modeling and simulation of transport and physicochemical transformations in a high pressure turbine of an aircraft engine

Résumé

L’étude détaillée des processus aérothermodynamique et chimique se produisant dans la turbine haute pression (HP) d’un moteur aéronautique de type turbosoufflante présente un grand défi en raison de la complexité de l’interaction entre l’écoulement tridimensionnel autour des aubes fixes dans le stator et en rotation dans le rotor et les transformations chimiques. Une étude de conception 3D d’une turbine HP associée à des simulations tridimensionnelles de l’écoulement a été effectuée en incluant les transformations chimiques pour différents régimes moteur. Les évolutions des paramètres aérothermodynamiques ainsi que les espèces chimiques (composants gazeux à base de N, S, O, H et C) ont été présentées. Les effets du profil 3D, de l'espacement radial inter-aubes ainsi que la rotation du rotor sur la performance d'une turbine haute pression multiétages ont été étudiés. Il a été montré que l’écoulement tourbillonnaire généré en aval des aubes de stator et de rotor a une forte incidence sur les transformations chimiques. Par ailleurs le dégagement de chaleur produit par les réactions chimiques a une influence non négligeable sur le comportement de l’écoulement provoquant une modification des champs de température et de vitesse. A titre d’exemple, les simulations avec et sans réaction chimique peuvent entrainer des variations de l’ordre de 17 % pour le champ de température dans la zone du sillage du rotor et de 39 % pour le champ de vitesse dans la zone du sillage du stator (plan de mélange). D’autre part, différentes conditions d’opération associées au cycle LTO ont été étudiées pour mettre en évidence la relation entre le régime moteur et les paramètres aérothermodynamiques de l’écoulement. À titre d’exemple, les conditions aux limites thermiques ainsi que la vitesse du rotor peuvent fortement affecter les champs de température et de la vitesse (14 % et 31 %, respectivement). A l’inverse, le système de refroidissement ne semble pas influencer les champs aerothermodynamiques (environ 2 %). Enfin, les résultats ont montré de fortes inhomogénéités dans les transformations chimiques le long des profils des aubes. Par exemple, les comparaisons entre les simulations 1D, 2D et 3D montrent des variations importantes sur l’évolution des fractions molaires qui peuvent atteindre 75% entre les calculs 1D et 2D et de l’ordre de 90% entre les calculs 2D et 3D.

Date	8 févr. 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Garnier (Directeur(-trice))