Influence of cavity flow on turbine aerodynamics
Influence des écoulements de cavité inter-disque sur l’aérodynamique d’une turbine
Résumé
Turbomachinery is widely used for electrical power generation mechanical drive and
aviation industries. Any efficiency improvement can have a significant impact on
overall fuel consumption and global emission. The continuous effort to improve efficiency
by higher pressure ratio, temperature and aerodynamic improvement in the
main annulus passage of the gas turbine made possible to reach a high degree of
efficiency. Since the current benefit for increased pressure, temperature and main
annulus aerodynamic improvement have become more and more difficult to achieve,
a further insight has been given to the flow in mixing and cooling areas. These topics
are inherent in gas turbines due to hot gas flows in the main annulus downstream
of the combustion chamber. Some relatively cold air is collected at the compressor
to achieve various tasks through the secondary air system as bearing pressurization
or turbine disc cooling in order to ensure a safe operation. However, the cooling
comes as a cost since it is compressed at an appropriate pressure but does not contribute
to the cycle output and the net contribution is negative. In addition, the
cooling that blows in the cavities of the turbine reduces the output power due to
losses associated with the main annulus mixing processes. This thesis aims at understanding
the loss generation processes that occur in the main annulus due to
the additional purge flow blowing. This phenomenon is tackled using numerical
simulation of two configurations with experimental data available and the use of a
method to track loss generation based on an exergy formulation (energy balance in
the purpose to generate work). This formulation enables a local and directional evaluation
of losses. RANS, LES and LES-LBM simulation have been performed with
the different solvers available during this thesis: elsA, AVBP and Pro-LB. First, the
simulations were led on a low speed linear five nozzle guide vane cascade with an
upstream cavity to primarily study the interaction process between the cavity and
the mainstream flow over different rim seal geometries and purge flow rates. This
configuration made possible to highlight the influence of the purge flow on secondary
flows developing in the passage as well as the influence of the mixing layer at the
rim-seal interface on pressure fluctuations and passage vortex unsteadiness. The second
configuration is a two-stage low-speed low pressure turbine more realistic and
closer to an industrial configuration. Different purge flow rates could be supplied
in the cavity. The additional rotating effect induced by the rotor disc as well as
rotor/stator interaction provided additional phenomena compared to the linear cascade
configuration: a complex blowing of the cavity flow in the mainstream due to
the cavity entrainment effect, wakes and potential effect, an interaction of upstream
wakes and secondary vortices on downstream rows while the feeding process of secondary
structures by the cavity flow showed similar behavior than the linear cascade.
Les turbomachines sont largement utilisées pour la production d’électricité et pour
la propulsion aérienne. Une augmentation, même minime, du rendement de ces
machines peut avoir un effet important sur la consommation et les émissions polluantes
à l’échelle mondiale. Concernant la propulsion aérienne, les architectures
à fort taux de dilution ont permis d’augmenter le rendement propulsif (la conversion
des gaz éjectés en sortie de la turbomachine en poussée pour l’avion par
principe d’action/réaction). Le rendement thermique a également été amélioré en
augmentant le taux de compression entre l’entrée de la turbomachine et la chambre
de combustion. L’augmentation du rendement thermique étant devenu de plus en
plus difficile à obtenir, un intérêt croissant est porté aux prélèvements d’air dans
une turbomachine. Ces prélèvements alimentent le système d’air secondaire pour
la pressurisation cabine, les étanchéités des paliers des arbres haute et basse pression,
etc. Une partie de cet air sert également à refroidir les composants en aval
de la chambre de combustion fonctionnant dans un environnement de plus en plus
chaud. Cet air sert à alimenter les cavités en pied de turbine sous la plateforme
pour refroidir les disques rotor. Cependant, une partie de cet air s’échappe dans la
veine principale ce qui occasionne des pertes supplémentaires pour la turbine par
des phénomènes de mélange. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre ces
phénomènes d’interaction entre l’air de cavité et de veine principale afin d’en réduire
les pertes associées. Cette problématique est étudiée par l’intermédiaire de simulations
numériques sur deux configurations testées expérimentalement et l’utilisation
d’une approche basée sur des bilans d’énergie connue sous le nom d’exergie. Différentes
modélisations de l’écoulement et de la turbulence ont été employées au cours
de cette thèse avec des simulations RANS, LES et LES-LBM basées sur différents
codes CFD: elsA, AVBP et Pro-LB. Les simulations numériques ont d’abord été
menées sur une cascade d’aubes linéaire basse vitesse en amont de laquelle se trouvait
une cavité avec entrefer. Cela a permit d’étudier le phénomène d’interaction
entre l’air de veine et de cavité pour différentes géométries d’entrefer et débits de cavité.
L’étude de cette configuration a permis de montrer l’influence de l’écoulement
de cavité sur les écoulements secondaires se développant dans l’espace inter-aube
et la couche de mélange à l’interface cavité/veine principale sur les instationnarités
observées dans la veine principale. La seconde configuration d’étude est une turbine
bi-étage avec cavités et différents débits de cavité en pied, plus proche d’une configuration
industrielle. L’effet de rotation du disque par rapport à la configuration
en grille d’aube linéaire a permis de montrer que l’injection de l’air de cavité dans
la veine principale est réalisée selon un mécanisme complexe avec l’influence des
sillages amont, de l’effet potentiel aval et de l’entrainement dans la cavité avec un
processus d’alimentation des structures secondaires (structures normales à la direction
de l’écoulement) de façon similaire à la cascade d’aubes linéaire.
Domaines
Sciences de l'ingénieur [physics]
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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