Etude du refroidissement par impact de jets à travers une paroi mince et avec un écoulement cisaillant amont (application aux aubes de turbines)

Abstract

L'amélioration des performances et des rendements de turboréacteurs passe par l'augmentation de la température des gaz de la chambre de combustion. Les éléments en aval de la chambre de combustion sont soumis à de fortes contraintes thermiques. Ainsi, les aubes de turbines basse pression possèdent plusieurs systèmes de refroidissement dont l'impact de jet. Les cas d'études de cette technique sont simplifiés et contrastent avec les géométries complexes de l'application industrielle de l'impact de jets aux aubes de turbine. Nous nous sommes intéressés à une injection à travers une paroi fine et alimentée par un écoulement amont cisaillant, afin d'être plus proche du cas réel. Notre étude comprend trois parties se basant sur ce type d'injection, pour lesquelles nous avons cherché à déterminer expérimentalement les coefficients d'échange de chaleur convectif. La première partie comprend des mesures expérimentales de vitesse par PIV et de température par caméra infrarouge, pour une configuration de jet unique en impact sur une plaque plane. Cette partie est représentative de la zone intrados/extrados d'une aube de turbine. Dans un deuxième temps on s'intéresse à l'influence de la courbure sur les échanges de chaleur d'une rangée de jets sur une paroi concave, représentant la situation au bord d'attaque. Dans un dernier temps, nous nous sommes intéressés à une configuration plus complexe, un modèle simplifié et agrandi d'une aube basse pression formé d'une partie courbe refroidie par neuf orifices et de deux parties planes refroidies chacune par trois rangées de cinq trous. Les paramètres de l'étude sont notamment la distance d'impact et les nombres de Reynolds des jets et de l'écoulement cisaillant en amont de l'injection.The need to improve turbofan efficiency leads the engineers to increase the combustion gas temperature. Components such as turbine blades or vanes are exposed to high thermal stresses. Several cooling techniques are commonly used to maintain a temperature in the metal that not damage the vane. Internal jet impingement cooling is the method we studied in this thesis, with the intention to best reproduce the complex geometry of the industrial working case. This way, we considered an injection trough a thin plate feeded by an upstream cross flow. This study consists in three experiments based on this type of injection, and convective heat transfer coefficients are determined experimentally. In the first part, we present experimental results from velocity and temperature measurements of a single jet impinging on a flat plate. This configuration represents the heat transfer at the pressure/suction side of a vane. A second experiment deals with a row of five jets impinging on a concave surface to study the effects of impingement on a curved surface, as in the leading edge region. Finally, a more complex configuration has been studied. This consists in a large scale model of a turbine blade. It is compound by a curved part on which impinges a nine jets row, and by two flat parts on which impinge three rows of five jets. The main parameters of the study are the nozzle-to-wall spacing and the Reynolds numbers of the jets and the upstream cross flow.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF