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RÉSUMÉ
Soumise à des flux thermiques de plus en plus élevés, la paroi d’une chambre de combustion d’une turbine à gaz moderne reste un élément critique. Ainsi, l’étude et la conception de cette pièce doivent intégrer les exigences de refroidissement, d’efficacité et de stabilité de la combustion, mais aussi de la réduction des émissions polluantes. La détermination du flux thermique et du rayonnement, auxquelles la paroi est exposée, est déjà complexe en soi, mais de plus compliquée de par le mouvement des gaz dans la chambre.
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Bruno FACCHINI : Professeur à l’Université de Florence
INTRODUCTION
La conception d’une paroi (liner) de chambre de combustion doit intégrer le problème du refroidissement qui représente un élément fondamental dans les études de conception des turbines à gaz TAG. Autrefois, le refroidissement de ce composant était facilité par les basses températures maximales et par la grande disponibilité d’air. L’augmentation de la température et l’exigence de baisser les émissions polluantes nécessitent de répondre à des critères beaucoup plus sévères, du même type que ceux que l’on rencontre dans les aubages et les tuyères. Mais, contrairement à ces derniers composants, le développement du refroidissement des parois de la chambre de combustion CC demande un approfondissement spécifique dû au problème du rayonnement.
La paroi d’une chambre de combustion est un élément très critique dans les turbines à gaz modernes, car elle est exposée à des flux thermiques convectifs et radiatifs élevés et qui s’accentuent pendant les phases de départ et d’arrêt du moteur. Les aspects principaux des études relatives au système de refroidissement de la paroi sont conditionnés par la nécessité d’accorder les exigences de refroidissement, d’efficacité et de stabilité de la combustion et de réduction des polluants, cette réduction impliquant souvent des zones primaires dites pauvres avec moins d’air disponible pour le refroidissement de la paroi.
Si la paroi présente des caractéristiques géométriques assimilables à celles d’une surface plane, ce qui implique des simplifications évidentes par rapport au cas des aubages, la détermination du flux thermique à laquelle la paroi est exposée est au contraire très complexe. La présence du rayonnement, qui dépend de la capacité d’émission des gaz brûlés et de celle des particules (combustibles liquides), complique la détermination du flux thermique sur la paroi. De plus, le mouvement des gaz dans la chambre de combustion est volontairement complexe, tridimensionnel et très turbulent, pour favoriser la stabilisation de la flamme, le nivellement des pics de température et la limitation des émissions polluantes.
Ce dossier fait partie d’une série sur le « Refroidissement des turbines à gaz » :
-
BM 4565 « Influence sur le rendement » ;
-
BM 4566 « Techniques et efficacité » ;
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BM 4567 « Chambre de combustion ».
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Refroidissement de la paroi de la chambre de combustion
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1. Flux thermique dans la chambre de combustion
L’évaluation des flux thermiques sur la paroi d’une chambre de combustion peut être conduite de manière analogue à celle des aubages (cf. ).
Sur la figure 1, on peut voir les flux thermiques qui agissent sur la paroi de la chambre. Ceux qui entrent sont dus au rayonnement R 1 et à la convection des gaz chauds C 1, tandis que le côté externe de la paroi cède le flux thermique au système de refroidissement par convection C 2, par rayonnement R 2 vers l’enveloppe du fait des surfaces importantes mises en jeu et de la faible valeur des températures de la paroi externe. L’échange thermique entre les deux faces de la paroi K 1 – 2 est du type conductif. Les caractéristiques géométriques de la paroi, grande surface et épaisseur réduite, permettent de considérer la conduction comme un processus monodimensionnel et donc d’écrire [1] :
avec :
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Flux thermique dans la chambre de combustion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEFEBVRE (A.H.) - Gas Turbine Combustion - . Taylor & Francis 1998. 3rd éd., McGraw-Hill.
-
(2) - ANDREINI (A.), BACCI (A.), CARCASCI (C.), FACCHINI (B.), ASTI (A.), CECCHERINI (C.), DEL PUGLIA (E.), MODI (R.) - Numerical Analysis of an Innovative Gas Turbine Combustor: Study of the Cooling System of the upper Part of the Liner - . ASME Paper GT2005-68365 2005.
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