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<p dir="ltr">In this thesis, an experimental procedure for assessing unsteady fluctuations in flow velocity inside an annular low pressure turbine test facility using constant temperature anemometry is established. This procedure is then applied to two test cases in order to validate the methodology and build expertise with the measurement techniques involved. The results of these experiments appear to be reasonable and in good agreement with the body of literature documenting such cases. After the procedure is validated, the experiments in the annular test section are conducted and the results are processed according to the same methodology as previous. The results provide spatial and temporal understanding of the flow at a plane downstream of the blade row. The uncertainties of measured quantities are computed and the experimental results are contextualized with a comparison to a numerical study. The body of work is assessed to determine whether the research objective has been met and recommendations for future studies are given.</p>

Les alliages à base de Nickel constituent les meilleurs matériaux actuellement développés pour répondre aux sollicitations sous hautes températures dans les domaines de l’aéronautique du nucléaire etc… L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier leur comportement en température sous sollicitations de fretting usure. Dans cette étude, on s’intéresse à un contact René125/Waspaloy représentatif d’une application aéronautique. Dans un premier temps nous avons étudié l’effet de la température. On montre qu’à partir de 400°C, l’interface génère la formation d’une glaze layer lubrifiante qui réduit considérablement la cinétique de l’usure. En fixant la température à 700°C (température de l’application industrielle), nous avons étudié la stabilité de ces couches protectrices vis-à-vis de la pression de contact, de l’amplitude de glissement, de la fréquence et du nombre de cycle appliqués. Cette analyse montre une évolution bilinéaire de l’usure avec une usure initiale rapide liée à la formation de la « glaze layer » puis une usure additionnelle quasiment nulle dès que la « glaze layer » est formée. Ces travaux montrent que le volume d’usure associée à la formation de la « glaze layer » est fonction de la vitesse de glissement. Au dessus d’une vitesse seuil de glissement, la formation de la « glaze layer » protectrice devient plus difficile. Une courbe maîtresse est ainsi établie. Des analyses chimiques des interfaces associées à des essais interrompus ont permis d’établir le scénario de formation de ces glaze layers. Pour finir, une étude comparative des revêtements développés dans le cadre du projet INNOLUB a été menée de façon à sélectionner le revêtement offrant les meilleures propriétés tribologiques pour l’application étudiée. / Nickel based alloys are the most developed materials nowadays for applications at high temperature, as in aeronautics, nuclear…The aim of this study is to understand their behavior at high temperature under fretting wear solicitations. Thereby, we had focused on a tribosystem formed of Waspaloy/René 125, which represent the crankcase/blade contact of the low pressure Turbine. We started studying the temperature effect, it is been noticed that above T = 400°C, a lubricant tribofilm, called the Glaze Layer is generated at the interface of the contact, which enable an abrupt reduction in friction and wear rate. The temperature was than fixed at 700°C (service temperature), so the glaze layer stability was analyzed as a function of contact pressure, sliding amplitude, frequency and number of cycles imposed. This analysis shows a bilinear wear evolution, characterized by a fast initial wear related to the formation of the glaze layer, followed by almost no wear once the glaze layer is formed. This study showed that the wear rate related to the glaze layer formation is dependent of the sliding velocity. Above a sliding velocity threshold, the formation of a stabilized glaze layer is quite difficult. A Master curve is here established. Microscopic and spectroscopic investigations are conducted to analyze the interface based on interrupted tests of a very short duration. Leading to a precise description of the glaze layer formation mechanisms. At the end of this study, a comparative analysis of different coatings developed to improve these components behavior, in the framework of INNOLUB project was established, allowing choosing the coating offering the best tribological properties and lifetime.

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Vortex generator jets (VGJs) have been found to be an effective method of active separation control on the suction side of a low pressure turbine (LPT) blade at low Reynolds numbers. The flow mechanisms responsible for this control were studied and documented in order to provide a basis for future improvements in LPT design. Data were collected using a stereo PIV system that enabled all three components of velocity to be measured. Steady VGJs were injected into a laminar boundary layer on a flat plate (non-separating boundary layer) in order to more fully understand the characteristics and behavior of the produced vortices. Both normal (injected normal to the wall) and angled (injected at 30° pitch and 90° skew angles to the freestream) jets were studied. The steady jets were found to create vortices that swept the low momentum fluid up from the boundary layer while transporting high momentum freestream fluid towards the wall, a phenomenon that provides the ingredients for flow control. Pulsed VGJs were then injected on a flat plate with an applied adverse pressure gradient equivalent to that experienced by a commonly tested LPT blade. This configuration was used to study the effectiveness of the flow control exhibited by both normal and angled jets on a separating boundary layer. Time averaged results showed similar boundary layer separation reduction for both normal and angled jets; however, individual characteristics suggested that the control mechanism of the two injection angles is distinct. Steady and pulsed VGJs were then applied to a new aggressive LPT blade design to explore the effect of the jets on a separating boundary layer along the curved blade surface. Steady injection provided flow control through freestream entrainment, while pulsed jets created a two-dimensional, spanwise disturbance that reduced the separated area as it traveled downstream. A detailed fluid analysis of the uncontrolled flow around the blade was performed in order to identify the separation and reattachment points and the area of transition. This information was used as a basis for comparison with the VGJ cases to determine flow control effectiveness.

La turbine basse-pression est un composant essentiel d'un turboréacteur car elle entraine la soufflante qui génère la plus grande partie de la poussée dans la configuration actuelle des turboréacteurs à double flux. Dans la perspective d'accroître son rendement en termes de consommation de carburant, il y a une recherche permanente dans la réduction du nombre d'aubage (c'est-à-dire la réduction de la masse) qui implique un chargement plus élevé par aube de rotor. Cet environnement est caractérisé par un écoulement dont le nombre de Reynolds est faible ainsi qu'une large diffusion le long de la partie aval de l'extrados. Par conséquent, l'écoulement le long de cette surface est potentiellement sujet à une séparation laminaire qui, suivant le statut de la bulle de recirculation, pourrait causer une diminution de la performance aérodynamique (sillages plus larges et plus profonds). La présente thèse de doctorat se concentre sur l'investigation du phénomène de la transition induite par séparation dans les écoulements de turbines basse-pression. L'accent est mis sur les prédictions numériques basées sur une approche CFD RANS utilisant le modèle innovant de transition γ-Reθt à deux équations de transport (la première équation pour l'intermittence numérique et la seconde équation pour le nombre de Reynolds dont la longueur caractéristique est l'épaisseur de quantité de mouvement au début de transition γ-Reθt). Neuf aubes différentes de rotor de turbine basse-pression constituent une base de données de référence et couvrent les plages de fonctionnement de différents nombres de Reynolds de sortie isentropique, de nombres de Mach de sortie isentropique, d'intensités de turbulence d'entrée, avec ou sans sillage provenant d'une rangée d'aubes amont et avec deux configurations de rugosité locale. Une première analyse de cette base de données met en évidence l'effet de la séparation sur le début de la transition et sur les performances. La définition d'une corrélation a été tentée et permet de lier le taux de diffusion d'un aubage au nombre de Reynolds de sortie isentropique à la condition de « Bursting ». Une méthodologie numérique fiable et robuste a été établie afin de prédire la transition dans le cas d'un écoulement amont uniforme. Les résultats sont en bon accord avec les mesures expérimentales même si il a été nécessaire d'adapter les conditions limites dans le but de prédire une séparation laminaire numériquement pour des aubages fortement chargés et fia fort taux de diffusion uniquement. La résolution des profils de vitesse de la couche limite permet d'obtenir une évaluation détaillée des paramètres de la topologie de l'écoulement. Cela fournit une information sur l'épaisseur de quantité de mouvement qui est le paramètre principal définissant les corrélations de transition. La technique « Chimère » des maillages recouvrants est utilisée pour faciliter la modélisation des moyens de contrôle passif pour déclencher la transition. C'est une technique appropriée pour l'implémentation de géométries simples ou plus élaborées. / The Low-Pressure Turbine is a critical component of an Aero-Engine as it drives the Fan which produces most of the thrust in the current turbofan configuration. In order to increase the eficiency in terms of fuel consumption, there is a continuous research for blade count reduction (i.e. mass reduction) which entails a higher loading per rotor blade. It is well-known that this environment is characterised by a low Reynolds number low condition associated with high diffusion along the aft region of the suction side. Consequently, the flow along this surface is prone to laminar separation which, depending on the status of the separation bubble, would lead to detrimental decrease in the aerodynamic performance (larger and deeper wake). The present PhD thesis focuses on the investigation of the separation-induced transition phenomenon occurring in a Low-Pressure Turbine environment. The emphasis is put on the numerical predictions based on a CFD RANS approach using the innovative γ-Reθt transition model based on transport equations for the numerical intermittency (γ) and the transition onset momentum thickness Reynolds number (γ-Reθt). Nine Low-Pressure Turbine rotor blades form a comprehensive experimental reference database and cover a significant range of different isentropic outlet Reynolds numbers, isentropic outlet Mach numbers, inlet turbulence intensity levels, with or without incoming wakes and with two local roughness configurations. A first analysis of this database stresses the effect of the separation on the transition onset and on the performance. A correlation definition is attempted and allows to link the diffusion rate of a blade to the isentropic outlet Reynolds number at bursting. A reliable and robust numerical methodology is established to predict the transition in the case of uniform upstream flow. The results are in good agreement with the experiments even though it was necessary to adapt the boundary conditions to predict the laminar separation numerically for highly-loaded and strong diffusion rate blades only. The resolution of the boundary layer velocity profiles allows to have an in-depth examination of the flow topology parameters. This gives proper information on the momentum thickness which is the main driving parameter of transition correlations. The Chimera technique for overlapping meshes is used to ease the modelling of passive control devices to trigger transition. It is a decent technique to implement standard geometries or more elaborate designs.