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

1.1 Les turbines à gaz
pour les turbines à gaz au sol. La protection des parois est alors assurée par refroidissement, en utilisant
l’air présent autour de la chambre de combustion. Comme précisé plus haut, une partie seulement
de l’air admis dans la turbine à gaz sert directement à la combustion. D’une part, dans les turboréacteurs
d’avion comme celui représenté figure 1.1, seule une partie de l’air entraîné par le compresseur
basse pression est destinée au compresseur haute pression. D’autre part, l’air issu du compresseur
haute pression a trois destinations. Une partie est destinée à la chambre de combustion, comme expliqué
précédemment. Une deuxième partie de l’air est employée pour la dilution des gaz brûlés, afin de réduire
leur température avant leur passage dans la turbine. L’air restant sert à refroidir les parties solides soumises
à des contraintes thermiques importantes : les parois de la chambre de combustion et les aubes de
la turbine qui reçoit les gaz chauds en sortie de chambre de combustion.
Cependant, le détournement d’air à des fins de refroidissement constitue une perte de rendement
pour la turbine à gaz, l’air utilisé pour refroidir les parois ne pouvant servir dans la zone primaire de
combustion ou à la dilution des gaz brûlés. La proportion d’air dédiée au refroidissement atteint environ
40 à 50% de l’air total dans les turbines à gaz actuelles.
Les tendances actuelles dans le développement des turbines à gaz rend le refroidissement de plus
en plus difficile à réaliser. Comme précisé par Lefebvre (1999), les exigences en terme de rendement,
de production de polluants ou de durée de vie conduisent à réduire la quantité d’air utilisée pour le
refroidissement, alors que les contraintes thermiques augmentent :
– Une amélioration du rendement est obtenue en augmentant le taux de compression de l’air extérieur.
La consommation en carburant peut ainsi être réduite. En entrée de chambre, les température et
pression sont plus élevées. Les températures atteintes en fin de combustion le sont également. Ceci
entraîne deux effets néfastes pour le refroidissement : une augmentation des transferts thermiques
par rayonnement et une diminution de l’efficacité du refroidissement, l’air de refroidissement étant
plus chaud.
– L’évolution vers des normes de pollution de plus en plus drastiques ont poussé les industriels à
modifier leurs chambres de combustion. Pour minimiser la production de polluants, la réduction
de la température à laquelle se fait la combustion est primordiale. La famille des oxydes d’azote,
les NO x , se forme notamment dans les zones où l’oxygène et l’azote atteignent des températures
élevées. D’importantes recherches sont actuellement menées, notamment grâce à de nombreux
projets européens, pour mettre au point des systèmes efficaces permettant une combustion dite
pauvre, synonyme de faibles niveaux de NO x . Dans ces systèmes, la combustion se fait en présence
d’une grande quantité d’air, ce qui réduit la proportion allouée au refroidissement. La réduction
d’air de refroidissement permet également une réduction d’autres types de polluants, comme le
monoxyde de carbone ou les imbrûlés, dont la production est due à une mauvaise combustion.
– Le Facteur Radial de Température (FRT) en sortie de chambre doit être le plus homogène possible
pour préserver l’intégrité des aubes de la turbine située en aval de la chambre. Le FRT est obtenu par
une moyenne azimutale du champ de température. On obtient un profil de température en fonction
de la direction radiale. A température maximale de ce profil fixée, un FRT plus homogène sera
synonyme d’une meilleure performance. En augmentant le rapport entre air de refroidissement et
air dédié à la dilution des gaz chauds dans le coeur de la chambre de combustion, le profil de FRT
devient de plus en plus inhomogène, la température proche paroi étant plus froide.
– La durée de vie exigée par les clients des constructeurs de turbines à gaz a singulièrement augmenté
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