Turbomachines : calcul des écoulements compressibles

Cette synthèse concerne les méthodes permettant une simulation numérique du comportement des écoulements qui traversent une turbomachine (parties fixes et mobiles des compresseurs et turbines axiales et centrifuges). Seul l’aspect aérodynamique sera étudié à l’exclusion de tout phénomène réactif. Il convient également de préciser que :

• seuls les fluides compressibles monophasiques (gaz) sont ici considérés ;

• les applications envisagées font intervenir la compressibilité du fluide excluant ainsi les régimes à basse vitesse ;

• les méthodes de calcul appropriées, les plus avancées, sont surtout développées dans le domaine aéronautique.

L’écoulement dans une turbomachine est caractérisé par quatre aspects essentiels qui sont : la tridimensionnalité, la viscosité, l’instationnarité (même en régime stationnaire) et les transferts thermiques.

Si les deux premiers apparaissent naturellement, le troisième est à prendre en compte dès que l’on s’intéresse au défilement d’une ou de plusieurs roues mobiles par rapport à une ou plusieurs roues fixes, configurations plus courantes que celle qui consiste à étudier une roue mobile isolée. L’instationnarité peut également être due à des problèmes de distorsion ou d’hétérogénéités intrinsèques. En outre, tous les régimes transitoires sont également source d’effets instationnaires.

La prise en compte des transferts thermiques est indispensable pour déterminer les caractéristiques mécaniques des divers éléments fixes ou mobiles, compresseurs, turbines, disques, carters, et par conséquent leur durée de vie, mais aussi pour prévoir leur encombrement géométrique et maîtriser les divers jeux. Deux domaines particuliers d’application de l’aérothermique sont spécifiques aux turbomachines. Tout d’abord, il s’agit de l’écoulement dit interne qui concerne les cavités interdisques, ainsi que les canaux de refroidissement à l’intérieur des aubages de turbines fixes et mobiles. Les géométries réelles sont complexes avec des discontinuités volontaires afin d’améliorer les échanges convectifs. Enfin, le calcul de l’écoulement dit externe autour des aubages doit prendre en compte la présence des débits de refroidissement qui sortent de l’aubage soit par des fentes, surtout au bord de fuite, soit par des multiperforations. Il en est de même sur les carters internes et/ou externes. La complexité de l’écoulement est ainsi accrue et ces effets doivent être pris en compte dans le calcul aérodynamique général.

Il est clair qu’il sera impossible avant longtemps de prendre rigoureusement en compte tous ces aspects simultanément dans le calcul d’une machine complète, en particulier pour deux raisons essentielles :

• la première est liée à la...