Notions de base sur les turbines – Technologie de refroidissement des turbines et des aubes

Structure de turbine à flux axial

Une turbine est une machine rotative qui convertit l'enthalpie d'un fluide de travail en énergie mécanique. C'est l'un des principaux composants des moteurs d'avion, des turbines à gaz et des turbines à vapeur. La conversion d'énergie entre les turbines et les compresseurs et le flux d'air se fait de manière opposée. Le compresseur consomme de l'énergie mécanique lorsqu'il fonctionne, et le flux d'air gagne de l'énergie mécanique lorsqu'il traverse le compresseur, et la pression et l'enthalpie augmentent. Lorsque la turbine fonctionne, le travail de l'arbre est produit par l'arbre de la turbine. Une partie du travail de l'arbre est utilisée pour surmonter le frottement sur les roulements et entraîner les accessoires, et le reste est absorbé par le compresseur.

Seules les turbines à flux axial sont abordées ici. La turbine d'un moteur à turbine à gaz est généralement composée de plusieurs étages, mais le stator (anneau de tuyère ou guide) est situé devant la roue rotative. Le canal de pale de l'étage de l'élément de turbine est convergent et le gaz à haute température et haute pression provenant de la chambre de combustion se dilate et accélère dans celui-ci, tandis que la turbine produit un travail mécanique.

Caractéristiques de transfert de chaleur de la surface extérieure des pales de turbine

Le coefficient de transfert de chaleur par convection entre le gaz et la surface de la lame est calculé à l'aide de la formule de refroidissement de Newton.

Pour la surface de pression et la surface d'aspiration, le coefficient de transfert de chaleur par convection est le plus élevé au bord d'attaque de la pale. À mesure que la couche limite laminaire s'épaissit progressivement, le coefficient de transfert de chaleur par convection diminue progressivement ; au point de transition, le coefficient de transfert de chaleur par convection augmente soudainement ; après la transition vers la couche limite turbulente, à mesure que la couche inférieure visqueuse s'épaissit progressivement, le coefficient de transfert de chaleur par convection diminue progressivement. Pour la surface d'aspiration, la séparation d'écoulement qui peut se produire dans la section arrière entraînera une légère augmentation du coefficient de transfert de chaleur par convection.

Refroidissement par choc

Le refroidissement par impact consiste à utiliser un ou plusieurs jets d'air froid pour impacter la surface chaude, créant ainsi un fort transfert de chaleur par convection dans la zone d'impact. La caractéristique du refroidissement par impact est qu'il existe un coefficient de transfert de chaleur élevé sur la surface de la paroi de la zone de stagnation où le flux d'air froid impacte, de sorte que cette méthode de refroidissement peut être utilisée pour appliquer un refroidissement focalisé à la surface.

Le refroidissement par impact de la surface intérieure du bord d'attaque de l'aube de turbine est un refroidissement par impact dans un espace limité, et le jet (flux d'air froid) ne peut pas se mélanger librement avec l'air environnant. Ce qui suit présente le refroidissement par impact d'une cible plane à un seul trou, qui constitue la base de l'étude de l'impact du flux d'impact et du transfert de chaleur.

L'écoulement d'une cible plane à impact vertical à un seul trou est illustré dans la figure ci-dessus. La cible plane est suffisamment grande et n'a pas de rotation, et il n'y a pas d'autre fluide à écoulement transversal sur la surface. Lorsque la distance entre la buse et la surface cible n'est pas très proche, une section de la sortie du jet peut être considérée comme un jet libre, à savoir la section centrale (ⅰ) et la section de base (Ⅱ) sur la figure. Lorsque le jet s'approche de la surface cible, la ligne de délimitation extérieure du jet commence à passer d'une ligne droite à une courbe, et le jet entre dans la zone de virage (ⅲ), également appelée zone de stagnation. Dans la zone de stagnation, le jet achève la transition d'un écoulement perpendiculaire à la surface cible à un écoulement parallèle à la surface cible. Une fois que le jet a terminé un virage à 90°° À son tour, il pénètre dans la zone de jet de paroi (IV) de la section suivante. Dans la zone de jet de paroi, le fluide s'écoule parallèlement à la surface cible et sa limite extérieure reste une ligne droite. Près de la paroi se trouve une couche limite laminaire extrêmement fine. Le jet transporte une grande quantité d'air froid et la vitesse d'arrivée est très élevée. La turbulence dans la zone de stagnation est également très importante, de sorte que le coefficient de transfert de chaleur du refroidissement par impact est très élevé.

Refroidissement par convection

（1）Canal de refroidissement direct radial à l'intérieur de la lame

L'air de refroidissement circule directement dans la cavité interne de l'aube directrice dans le sens radial, absorbant la chaleur par transfert de chaleur par convection pour réduire la température du corps de l'aube. Cependant, dans des conditions de volume d'air de refroidissement donné, le coefficient de transfert de chaleur par convection de cette méthode est faible et l'effet de refroidissement est limité.

(2) Plusieurs canaux de refroidissement à l'intérieur de la lame (conception à cavités multiples)

La conception à cavités multiples augmente non seulement le coefficient de transfert de chaleur par convection entre l'air froid et la surface intérieure de l'aube de turbine, mais augmente également la surface totale d'échange de chaleur, augmente le flux interne et le temps d'échange de chaleur, et présente un taux d'utilisation d'air froid élevé. L'effet de refroidissement peut être amélioré en répartissant raisonnablement le flux d'air froid. Bien entendu, la conception à cavités multiples présente également des inconvénients. En raison de la longue distance de circulation de l'air de refroidissement, de la petite zone de circulation et des multiples tours du flux d'air, la résistance à l'écoulement augmentera. Cette structure complexe augmente également la difficulté du traitement du processus et augmente le coût.

(3)La structure nervurée améliore le transfert de chaleur par convection et le refroidissement de la colonne de spoiler

Chaque nervure de la structure nervurée agit comme un élément perturbateur de l'écoulement, provoquant le détachement du fluide de la couche limite et la formation de tourbillons de différentes forces et tailles. Ces tourbillons modifient la structure d'écoulement du fluide et le processus de transfert de chaleur est considérablement amélioré par l'augmentation de la turbulence du fluide dans la zone proche de la paroi et l'échange périodique de masse entre les grands tourbillons et le courant principal.

Le refroidissement par colonne de spoiler consiste à disposer de plusieurs rangées de nervures cylindriques disposées d'une certaine manière à l'intérieur du canal de refroidissement interne. Ces nervures cylindriques augmentent non seulement la surface d'échange thermique, mais augmentent également le mélange mutuel de l'air froid dans différentes zones en raison de la perturbation du flux, ce qui peut augmenter considérablement l'effet de transfert thermique.

Refroidissement du film

Le refroidissement par film d'air consiste à expulser l'air froid des trous ou des interstices de la surface chaude et à former une couche de film d'air froid sur la surface chaude pour bloquer le chauffage de la paroi solide par le gaz chaud. Étant donné que le film d'air froid bloque le contact entre le flux d'air principal et la surface de travail, il permet d'assurer l'isolation thermique et la prévention de la corrosion. C'est pourquoi certains ouvrages appellent également cette méthode de refroidissement le refroidissement par barrière.

Les buses de refroidissement par film sont généralement des trous ronds ou des rangées de trous ronds, et parfois elles sont réalisées en fentes bidimensionnelles. Dans les structures de refroidissement réelles, il existe généralement un certain angle entre la buse et la surface à refroidir.

Un grand nombre d'études sur les trous cylindriques dans les années 1990 ont montré que le rapport de soufflage (le rapport entre le flux dense du jet et le flux principal) affectera considérablement l'effet de refroidissement adiabatique du film d'une seule rangée de trous cylindriques. Une fois que le jet d'air froid pénètre dans la zone de gaz à haute température du flux principal, il formera une paire de paires de tourbillons rotatifs avant et arrière, également appelées paires de tourbillons en forme de rein. Lorsque l'air soufflé est relativement élevé, en plus des tourbillons avant, le flux sortant formera également des tourbillons contrarotatifs. Ce tourbillon inverse emprisonnera le gaz à haute température dans le flux principal et l'amènera au bord de fuite du passage de la lame, réduisant ainsi l'effet de refroidissement du film.