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1 - REFROIDISSEMENT INTERNE POUR AUBAGES DE TURBINE

2 - TECHNIQUE DE PROTECTION PAR L’EXTÉRIEUR

3 - INTRODUCTION À LA CONCEPTION D’UN AUBAGE AVEC REFROIDISSEMENT

Article de référence | Réf : BM4566 v1

Refroidissement interne pour aubages de turbine
Refroidissement des turbines à gaz - Techniques et efficacité

Auteur(s) : Bruno FACCHINI, Luca INNOCENTI

Date de publication : 10 oct. 2005

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RÉSUMÉ

Cet article traite des différents systèmes de refroidissement très élaborés développés par les constructeurs de turbines à gaz, notamment pour les aubages et les tuyères des premiers étages. Les techniques de transferts thermiques externes par film cooling et par convection interne ont subi ces dernières années de réelles évolutions. Il s’attarde sur l’analyse et la conception d’un système de refroidissement dans le cas d’un aubage, système il faut concilier les exigences liées au refroidissement de l’élément et celles imposées par le dimensionnement aérodynamique de l’étage de la turbine.

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Auteur(s)

INTRODUCTION

Pour les aubages et les tuyères des premiers étages des turbines à gaz de dernières générations, on a mis au point des systèmes de refroidissement très sophistiqués et d’efficacité élevée, capables de maintenir le composant à une température compatible avec la tenue du matériau avec une consommation réduite d’air de refroidissement.

Souvent ces techniques de refroidissement diffèrent selon le constructeur ou la typologie de la machine. En outre, les systèmes de refroidissement sont spécifiques à un constructeur et ne sont donc pas de notoriété publique. En réalité des machines différentes, mais appartenant à la même classe technologique, adoptent des techniques de refroidissement qui se ressemblent beaucoup, même si elles sont réalisées par des constructeurs différents. En définitive, on assiste à une certaine standardisation de la technologie de refroidissement des aubages et tuyères.

L’étude relative à un aubage muni d’un système de refroidissement est compliquée car il faut concilier les exigences liées au refroidissement de l’aubage et celles dictées par les objectifs premiers du dimensionnement aérodynamique de l’étage.

Nous étudierons ce point dans la dernière partie de ce dossier.

Pour les « Notations et symboles » se reporter au dossier [].

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm4566


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1. Refroidissement interne pour aubages de turbine

Depuis les années 1960, l’évolution des techniques de refroidissement a été importante (figure 1). Au début les aubages étaient refroidis grâce à des tuyaux radiaux. Dans les années 1970, on a mis au point des systèmes à alimentation multiple avec film cooling. Pour les turbines à gaz actuelles, les techniques de transferts thermiques externes par film cooling et par convection interne ont été nettement améliorées : canaux multipasses avec promoteurs de turbulence, ailettes fines du type aiguilles (ou pin fin, terme anglais qui sera employé dans la suite de ce texte), refroidissement par jets impactants.

1.1 Exemples de techniques de refroidissement

Dans la suite, on décrira brièvement les techniques de refroidissement des aubages développées par GE Aircraft Engine [2] notamment pour le Projet « Energy Efficient Engine (E3) » de la NASA. Bien que la technologie de ces systèmes de refroidissement, désormais de notoriété publique, remonte à environ vingt ans, elle peut être considérée comme générique des techniques de refroidissement appliquées dans les machines industrielles de la dernière génération. Les allusions à ces techniques de refroidissement seront mentionnées dans les paragraphes suivants.

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1.1.1 Tuyères

Les tuyères du premier étage de la turbine HPT (High Pressure Turbine ) (figure 2) est refroidie par jets impactants 1.2.4 et est protégée à l’extérieur par plusieurs étages de film cooling. À l’intérieur de l’aubage sont situées deux tôles prismatiques trouées qui produisent les jets : la première en correspondance du bord d’attaque (leading edge LE), la seconde dans la partie moyenne de la tuyère. La partie terminale de la tuyère est refroidie par une série de tubes axiaux qui émettent le FDR (fluide de refroidissement) sur le bord de fuite (trailing edge TE) sur l’intrados (pressure...

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2 Références bibliographiques

The Jet Engine. - Rolls-Royce plc 1986, cinquième édition, réimprimé en 1996 avec révisions.

HALILA (E.E.) - LENAHAN (D.T.) - THOMAS (T.T.) - Energy Efficient Engine. - General Electric Company (NASA CR-167955) (1982).

OOSTHUIZEN (P.H.) - CARSCALLEN (W.E.) - Compressible fluid flow. - McGraw-Hill (1997).

COLBURN (A.P.) - A Method of Correlating Forced Convection Heat Transfer Data and Comparison with Fluid Friction. - Trans. Am. Inst. Chem. Eng., vol. 29, p. 174-210 (1933) ; réimprimé en International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 7, p. 1359-1384 (1964).

NECATI OZISIK (M.) - Heat Transfer : a basic approach. - McGraw-Hill (1985).

HARASGAMA (S.) - MORRIS (W.) - The influence of Rotation on the heat transfer characteristics of circular, triangular, and square sectioned coolant passages of gas turbine rotor blades. - ASME Journal of Turbomachinery, vol. 110, p. 44-50 (1988).

HAN (J.C.) - PARK (J.S.) - LIE (C.K.) - Heat transger and pressure drop in blade cooling channels with turbulence promoters. - Texas A & M University – NASA CR-3837 (1984).

MOCHIZUKI (S.) - TAKAMURA (J.) - YAMAWAKI (S.) - YANG (W.-J.) - Heat Transfer in Serpentine Flow Passages With Rotation. - ASME Journal of Turbomachinery, 116, p. 133-140 (1994).

HAN (J.C.) - PARK (J.S.) - Developing heat transfer in rectangular channels with rib turbulators. - International Journal of Heat and...

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