Unsteady multi-component simulations dedicated to the impact of the combustion chamber on the turbine of aeronautical gas turbines

par Charlie Koupper

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Laurent Gicquel.

  • Titre traduit

    Simulations instationnaires multi-composants dédiées à l'impact de la chambre de combustion sur la turbine des turbines à gaz aéronautiques


  • Résumé

    De nos jours, seules les turbines à gaz sont à même de propulser les larges aéronefs (avions ou hélicoptères). Depuis les premiers prototypes construits dans les années 40, l’efficacité et la puissance de ces moteurs n’ont cessé de s’améliorer. Chaque composant atteint de tels niveaux de performance que seules une rupture technologique ou un investissement conséquent peuvent permettre de repousser les limites d’efficacité d’une turbine à gaz. Une solution alternative peut être trouvée en constatant qu’un moteur est un système intégré complexe dans lequel tous les composants interagissent entre eux, affectant les performances de chaque module en comparaison de leur fonctionnement isolé. Avec la compacité croissante des turbines à gaz, ces interactions entre modules du moteur sont clairement renforcées et leur étude constitue une potentielle source de gain en termes de performance globale du moteur. Dans ce contexte, l’interface du moteur la plus critique est aujourd’hui la connexion entre la chambre de combustion et la turbine, qui présente les niveaux de pression, température et contraintes les plus élevés du moteur. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la caractérisation actuelle de l’interface chambre- turbine afin de juger les méthodes de développement de cette interface et de concourir à l’amélioration des performances de la turbine et sa durée de vie. Pour ainsi faire, un nouveau simulateur de chambre non réactif, représentatif des architectures de chambres pauvres récentes, est développé dans le contexte du projet européen FACTOR (FP7). L’écoulement dans le module est analysé d’une part via le recours massif aux Simulations aux Grandes Echelles (LES), et d’autre part par une caractérisation expérimentale sur une version trisecteur du module, installée à l’Université de Florence (Italie). En tirant profit des complémentarités entre approche numérique et expérimentale, une base de données exhaustive est construite pour qualifier les simulations avancées et caractériser les quantités physiques à l’interface entre la chambre et la turbine. Des diagnostics avancés et des procédures de validation s’appuyant sur les riches données temporelles sont proposés dans l’objectif d’améliorer les processus de design de l’interface chambre-turbine. Par exemple, il est montré qu’il est parfois possible et nécessaire d’aller au-delà d’une simple analyse des moyennes et variances pour qualifier les prédictions à cette interface. Pour approfondir l’étude de l’interaction chambre-turbine, des simulations LES comprenant à la fois le simulateur de chambre et une paire de stators de la turbine haute pression sont réalisées. Ces prédictions purement numériques mettent en évidence l’effet potentiel induit par la présence des stators ainsi que l’influence du calage angulaire par rapport aux injecteurs. Ce dernier ensemble de simulations souligne la difficulté de proprement appréhender l’interface chambre-turbine, mais confirme qu’il peut être simulé par une approche LES à l’avenir..


  • Résumé

    Nowadays, engines powering modern and large commercial or military aircraft essentially rely on gas turbine technologies. Since the first prototypes built in the 40's, the efficiency and specific power of such engines have improved to the point where each individual module reaches efficiency levels so that any new substantial gain can only be the result of a significant effort, cost or a technological breakthrough. An alternative path for improvement arises if one acknowledges that the engine is in the end a fully integrated system where all components interact with each other, modifying each individual component effective operating condition and efficiency compared to their disassembled versions. With the increasing compactness of new engines such interactions are clearly enhanced and the study of the interactions between engine components (sparsely addressed in the past) becomes a substantial source of gains in overall engine performance. In this context, the engine interface that is today the most critical and that is not adequately covered in an isolated component analysis coincides with the region linking the combustion chamber to the turbine. This region of the engine is indeed the most critical and aggressive part of an engine in terms of pressure, temperature and stresses. The objective of this PhD dissertation is to improve the current characterization of the combustor-turbine interface to assess existing design processes at this interface and help increasing the turbine efficiency. To do so, a new non-reactive Combustor Simulator (CS) representative of modern Lean Burn combustion chambers is developed within the framework of the European project FACTOR (FP7). The flow in this module is then investigated by means of an extensive use of Large Eddy Simulations (LES) and experimentally characterized based on a tri-sector version of the module installed at the University of Florence (Italy). Based on the complementary use of this experiment and LES, a comprehensive and exhaustive database is constructed to qualify advanced simulations and exit chamber quantities useful for the design and understanding of the combustor-turbine interface. Advanced diagnostics and validation procedures taking advantage of the rich time-resolved fields are furthermore proposed in an attempt to improve the existing design process whenever dealing with the interface of the combustor / turbine modules. For example, it is shown at this occasion that it is sometimes possible and necessary to go beyond the simple analysis of mean (and RMS) fields to qualify predictions at this interface. To finish and to go beyond the treatment of this interface, a fully integrated simulation of the CS fitted with a pair of high pressure vanes at its exit is produced to complement our understanding. These purely numerical predictions highlight the impact of the vane potential effect as well as the influence of the vane clocking relative to the fuel injection systems for the specific case of this Lean Burn architecture. This last set of LES highlights the difficulty of adequately apprehending the combustor / turbine interface and confirms that it could ultimately be simulated by use of LES if needed.

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