Pale de turbine
À un rapport de pression constant, l’efficacité thermique du moteur augmente à mesure que la température d’entrée de la turbine (TET) augmente. Cependant, des températures élevées peuvent endommager la turbine, car les aubes subissent de grandes contraintes centrifuges et les matériaux sont plus faibles à haute température. Le refroidissement des pales de turbine est donc essentiel. Les conceptions de turbines modernes actuelles fonctionnent avec des températures d’entrée supérieures à 1900 kelvins, ce qui est obtenu en refroidissant activement les composants de la turbine.
- Méthodes de refroidissementmodifier
- Refroidissement intérieurmodifier
- Refroidissement par convection
- Refroidissement par heurtmodifier
- Refroidissement extérieurmodifier
- Refroidissement filmmodifier
- Effusion de refroidissemodifier
- Refroidissement de l’aileron de la goupillEdit
- Refroidissement par transpirationmodifier
Méthodes de refroidissementmodifier
Le refroidissement des composants peut être réalisé par refroidissement à l’air ou par liquide. Le refroidissement liquide semble être plus attrayant en raison de la capacité thermique spécifique élevée et des risques de refroidissement par évaporation, mais il peut y avoir des fuites, de la corrosion, de l’étouffement et d’autres problèmes. ce qui fonctionne contre cette méthode. D’autre part, le refroidissement par air permet à l’air évacué d’entrer dans le flux principal sans aucun problème. La quantité d’air nécessaire à cet effet est de 1 à 3% du débit principal et la température des pales peut être réduite de 200 à 300 ° C. Il existe de nombreuses techniques de refroidissement utilisées dans les aubes de turbine à gaz; convection, film, refroidissement par transpiration, épanchement de refroidissement, refroidissement des ailettes, etc. qui relèvent des catégories de refroidissement interne et externe. Bien que toutes les méthodes aient leurs différences, elles fonctionnent toutes en utilisant de l’air plus frais (souvent saigné du compresseur) pour éliminer la chaleur des aubes de turbine.
Refroidissement intérieurmodifier
Refroidissement par convection
Il fonctionne en faisant passer de l’air de refroidissement à travers des passages internes à l’aube. La chaleur est transférée par conduction à travers la pale, puis par convection dans l’air circulant à l’intérieur de la pale. Une grande surface interne est souhaitable pour cette méthode, de sorte que les chemins de refroidissement ont tendance à être serpentins et pleins de petites ailettes. Les passages internes de la pale peuvent être de forme circulaire ou elliptique. Le refroidissement est obtenu en faisant passer l’air à travers ces passages du moyeu vers la pointe de l’aube. Cet air de refroidissement provient d’un compresseur d’air. Dans le cas d’une turbine à gaz, le fluide extérieur est relativement chaud qui traverse le passage de refroidissement et se mélange au flux principal en bout d’aube.
Refroidissement par heurtmodifier
Une variante du refroidissement par convection, le refroidissement par impact, fonctionne en frappant la surface interne de l’aube avec de l’air à grande vitesse. Cela permet de transférer plus de chaleur par convection que le refroidissement par convection ordinaire. Le refroidissement par impact est utilisé dans les régions où les charges thermiques sont les plus élevées. Dans le cas d’aubes de turbine, le bord d’attaque a une température maximale et donc une charge thermique. Le refroidissement par impact est également utilisé dans la corde médiane de l’aube. Les lames sont creuses avec un noyau. Il y a des passages de refroidissement internes. L’air de refroidissement entre par la région du bord d’attaque et se dirige vers le bord de fuite.
Refroidissement extérieurmodifier
Refroidissement filmmodifier
Le refroidissement par film (également appelé refroidissement par film mince), un type largement utilisé, permet une efficacité de refroidissement plus élevée que le refroidissement par convection et par impact. Cette technique consiste à pomper l’air de refroidissement hors de la pale à travers de multiples petits trous ou fentes dans la structure. Une couche mince (le film) d’air de refroidissement est alors créée sur la surface externe de l’aube, réduisant le transfert de chaleur du flux principal, dont la température (1300-1800 kelvins) peut dépasser le point de fusion du matériau de l’aube (1300-1400 kelvins). La capacité du système de refroidissement du film à refroidir la surface est généralement évaluée à l’aide d’un paramètre appelé efficacité du refroidissement. Une efficacité de refroidissement plus élevée (avec une valeur maximale de un) indique que la température du matériau de la pale est plus proche de la température du liquide de refroidissement. Dans les endroits où la température de la pale se rapproche de la température du gaz chaud, l’efficacité du refroidissement se rapproche de zéro. L’efficacité du refroidissement est principalement affectée par les paramètres d’écoulement du liquide de refroidissement et la géométrie d’injection. Les paramètres d’écoulement du liquide de refroidissement comprennent les rapports de vitesse, de densité, de soufflage et de moment qui sont calculés à l’aide des caractéristiques d’écoulement du liquide de refroidissement et du courant principal. Les paramètres de géométrie d’injection comprennent la géométrie du trou ou de la fente (c’est-à-dire des trous ou des fentes cylindriques ou profilés) et l’angle d’injection. Un programme de l’Armée de l’air des États-Unis au début des années 1970 a financé le développement d’une aube de turbine refroidie à la fois par film et par convection, et cette méthode est devenue courante dans les aubes de turbine modernes.L’injection de la purge du refroidisseur dans le flux réduit le rendement isentropique de la turbine; la compression de l’air de refroidissement (qui ne contribue pas à la puissance du moteur) entraîne une pénalité énergétique; et le circuit de refroidissement ajoute une complexité considérable au moteur. Tous ces facteurs doivent être compensés par l’augmentation des performances globales (puissance et efficacité) permise par l’augmentation de la turbine temperature.In ces dernières années, des chercheurs ont suggéré d’utiliser un actionneur à plasma pour le refroidissement du film. Le refroidissement par film d’aubes de turbine à l’aide d’un actionneur à plasma à décharge à barrière diélectrique a été proposé pour la première fois par Roy et Wang. Il a été démontré qu’un actionneur à plasma en forme de fer à cheval, placé à proximité de trous pour l’écoulement du gaz, améliore considérablement l’efficacité du refroidissement du film. À la suite des recherches précédentes, des rapports récents utilisant des méthodes expérimentales et numériques ont démontré l’effet d’une amélioration du refroidissement de 15% à l’aide d’un actionneur à plasma.
Effusion de refroidissemodifier
La surface de l’aube est en matériau poreux, ce qui signifie qu’elle comporte un grand nombre de petits orifices en surface. L’air de refroidissement est forcé à travers ces trous poreux qui forment un film ou une couche limite plus froide. En outre, ce refroidissement uniforme est causé par un épanchement du liquide de refroidissement sur toute la surface de l’aube.
Refroidissement de l’aileron de la goupillEdit
Dans le film de bord de fuite étroit, le refroidissement est utilisé pour améliorer le transfert de chaleur de la pale. Il y a un réseau d’ailettes à broches sur la surface de la lame. Le transfert de chaleur a lieu à partir de ce réseau et à travers les parois latérales. Lorsque le liquide de refroidissement traverse les ailettes à grande vitesse, le flux se sépare et se réveille. De nombreux facteurs contribuent au taux de transfert de chaleur parmi lesquels le type d’aileron et l’espacement entre les ailettes sont les plus importants.
Refroidissement par transpirationmodifier
Ceci est similaire au refroidissement par film en ce sens qu’il crée un film mince d’air de refroidissement sur l’aube, mais il est différent en ce sens que l’air est “divulgué” à travers une coque poreuse plutôt qu’injecté à travers des trous. Ce type de refroidissement est efficace à des températures élevées car il recouvre uniformément l’ensemble de la lame d’air frais. Les lames refroidies par transpiration sont généralement constituées d’une jambe de force rigide à coque poreuse. L’air circule à travers les canaux internes de la jambe de force, puis traverse la coque poreuse pour refroidir la lame. Comme pour le refroidissement du film, une augmentation de l’air de refroidissement diminue l’efficacité de la turbine, cette diminution doit donc être équilibrée avec une performance en température améliorée.
