these simulation numerique et modelisation de l'ecoulement autour ...

CONTEXTE INDUSTRIEL ET SCIENTIFIQUE
façon suivante :
1. L’air extérieur est admis dans le compresseur. Il y subit une ou plusieurs compressions, selon le
nombre d’étages (c’est le cas figure 1.1, où l’on sépare également compresseur basse pression et
haute pression). Sa température et sa pression augmentent.
2. En sortie de compresseur, une partie de cet air entre dans la chambre de combustion. Le carburant
y est également injecté et brûle avec l’air. A cause de la combustion, la température augmente.
3. Les gaz brûlés sortent ensuite de la chambre de combustion pour passer par la turbine. L’action des
gaz brûlés sur les aubes de la turbine met en rotation l’arbre de la turbine à gaz. De la même façon
que pour le compresseur, la figure 1.1 montre plusieurs étages pour la turbine. Le compresseur et
la turbine haute pression sont les parties les plus proches de la chambre de combustion.
4. Les gaz d’échappement sont finalement expulsés. Suivant les applications, ils passent ou non par
une tuyère, qui accélère les gaz brûlés.
Le travail issu de la combustion peut être récupéré de différentes façons, correspondant à des applications
distinctes.
– Les turbines à gaz de grande puissance (supérieure au mégawatt) sont surtout utilisées pour entraîner
un alternateur, via la rotation de l’arbre de la turbine à gaz, et produire de l’électricité.
– Dans le cas des turboréacteurs utilisés sur les avions, c’est la poussée induite par l’éjection des gaz
en sortie de turbine qui est recherchée : une tuyère d’éjection est alors placée en aval des étages
de turbines. Elle permet de transformer la pression des gaz en énergie cinétique, afin d’obtenir une
poussée importante. Les turboréacteurs d’avion sont le plus souvent à double flux, comme sur la
figure 1.1. Le premier étage du compresseur, appelé compresseur basse pression, sert à accélérer
l’air pour récupérer la poussée. Seule une partie de l’air sortant du compresseur basse pression
entre dans le compresseur haute pression.
– Le turbopropulseur est un réacteur dont la turbine entraîne à la fois un compresseur et une hélice.
Ce système présente un rendement supérieur à celui des turboréacteurs pour des faibles vitesses.
Dans les hélicoptères, les turboréacteurs entraînent une hélice horizontale.
Une description plus exhaustive des différentes turbines à gaz est proposée par Lefebvre (1999) et Mattingly
(2005). Dans le cadre de ce manuscrit, nous nous intéresserons uniquement au cas des turbines à
gaz aéronautiques (turbopropulseurs ou turboréacteurs).
1.1.2 Refroidissement des parties métalliques des turbines à gaz aéronautiques
Certaines parties métalliques de la turbine à gaz, en particulier les parois de la chambre de combustion
et les aubes des turbines, sont exposées aux gaz brûlés. Les températures atteintes en fin de combustion ne
peuvent être supportées par les matériaux utilisés : comme le précise Lefebvre (1999), les alliages à base
de Nickel ou de Cobalt couramment utilisés pour les parties métalliques des turbines à gaz ne doivent
pas subir des températures de fonctionnement supérieures à 1100 K, alors que les températures dans la
chambre de combustion atteignent facilement les 2000 K. Les parties métalliques exposées doivent donc
être impérativement protégées.
Dans les turbines à gaz aéronautiques, les contraintes en termes de légèreté et de compacité interdisent
cependant l’utilisation de protections thermiques particulières, comme les céramiques utilisées
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