Bibliographie & annexes
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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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Flux thermique dans la chambre de combustion
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2. Refroidissement de la paroi de la chambre de combustion
Les analogies entre la conception d’un système de refroidissement des aubages et celui d’une chambre de combustion sont nombreuses, mais, si la paroi de la chambre est soumise à des flux thermiques plus complexes, elle présente l’avantage certain d’avoir de faibles sollicitations mécaniques du fait de l’absence de charges dynamiques et des faibles différences de pression auxquelles elle soit soumise. Le seul problème mécanique peut être celui des vibrations. Malgré cela, le dimensionnement de la paroi présente moins de contraintes que celui d’un aubage.
L’étude et le dimensionnement du système de refroidissement de la paroi de la chambre de combustion dépend, sans équivoque, de la typologie de celle-ci. Les chambres de combustion traditionnelles, avec des flammes de diffusion de type stœchiométrique et des températures de sortie pas très élevées et qui sont encore aujourd’hui très utilisées dans les moteurs aéronautiques, disposent généralement de plus grandes quantités d’air de dilution. Ainsi le système de refroidissement n’est pas soumis à des problèmes de réalisation particuliers. En effet, comme dans ce cas on doit diluer progressivement les produits de la combustion avec de l’air, il est particulièrement intéressant de recourir au film cooling , réalisé souvent à travers des fentes tangentielles pour obtenir des valeurs d’efficacité très élevées. Quelques configurations sont données, à titre d’exemple, sur la figure 2 où les diverses solutions prennent des dénominations différentes selon la technique de réalisation [1]. Il convient de souligner une nouvelle fois que l’exigence de respecter l’aérodynamique du profil pour un aubage n’existe plus dans le cas de la paroi de la chambre de combustion, ce qui facilite la tâche dans la réalisation des systèmes de refroidissement et en particulier du film cooling.
Malgré les avantages liés à la simplicité de construction, à la résistance mécanique élevée et à la légèreté pour les chambres de combustion modernes, les débits élevés de refroidissement nécessaires à ces dispositifs ne sont plus acceptables. En outre...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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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