Lors de sa détente dans une turbine, la vapeur subit une chute d'enthalpie qui entraîne sa condensation spontanée sous forme d'un nuage de gouttelettes submicroniques. Ces gouttes vont se déposer sur les aubes aval et y former un film d'eau. Ce dernier est arraché sous l'effet de l'écoulement de vapeur environnant ce qui crée des gouttes de quelques dizaines de microns qui peuvent se redéposer sur les aubes aval. Ces phénomènes sont à l'origine de pertes, généralement regroupées sous le terme générique de "pertes par humidité", estimées grâce à la loi de Baumann. Le but de cette thèse est de mettre en place dans un code méridien des modèles permettant la prise en compte des phénomènes de condensation, de déposition et d'écoulement des films liquides afin de pouvoir estimer les pertes liées à chacun d'entre eux. Dans cette optique un modèle diphasique homogène permettant d'avoir accès à la fraction massique de liquide et au nombre de gouttes est implanté dans le code méridien. Ce modèle est validé sur un cas test expérimental de détente en tuyère et alimente le modèle de déposition. Les contributions de la diffusion, de la turbophorèse, de la thermophorèse, de la gravité et de l'inertie des gouttes à la déposition sont étudiées. Il apparaît nécessaire de prendre en compte la diffusion, la turbophorèse et la déposition inertielle sur les bords d'attaque des aubes. Un modèle permettant d'avoir accès à l'épaisseur et à la vitesse d'un film liquide soumis au cisaillement d'un écoulement environnant, à la force de frottement sur la paroi et aux effets de la rotation est mis en place. Ce modèle est validé par rapport à des résultats expérimentaux d'écoulement de film liquide sur une plaque plane dans des conditions proches de celles rencontrées en turbine à vapeur basse pression. Finalement, un calcul réalisé sur une géométrie réelle de turbine basse pression de 8 étages permet de démontrer l'applicabilité de la méthodologie mise en place sur un cas industriel. Les contributions des phénomènes étudiés aux pertes par humidité sont explicitées.

Le bon fonctionnement et les performances des turbines à vapeur sont liés à l'état de la vapeur et notamment au taux d'humidité qu'elle contient. EDF souhaite pouvoir maîtriser les phénomènes spécifiques à ces problématiques afin d'améliorer l'utilisation et l'évolution de ses turbines. Le sujet de recherche concerne la modélisation de la formation de l'humidité dans un corps de turbine et l'étude des couplages entre la phase liquide et les instationnarités. Dans ce contexte, la démarche adoptée est la suivante : la présence d'humidité est prise en compte à l'aide d'un modèle homogène, couplé à des modèles de condensation permettant de prendre en compte les phénomènes hors-équilibre thermodynamique : le grossissement et la nucléation des gouttes d'eau dans la vapeur. Pour mener à bien les calculs, des méthodes numériques adaptées aux gaz réels ont été utilisées et testées à l'aide d'un code monodimensionnel avant d'être intégrées dans le code 3D elsA. Deux types de modèles de condensation ont été mis en œuvre, considérant ou non la polydispersion des gouttes dans la vapeur. Les couplages instationnaires entre la condensation et l'écoulement principal ont été étudiés à différents niveaux d'observations (1D, 1D − 3D, 3D). Il a été montré que la méthode des moments apporte une richesse supplémentaire par rapport à un modèle mono-dispersé, et permet de mieux capter les couplages instationnaires entre l'humidité et le champ principal.

Lors de sa détente dans une turbine, la vapeur subit une chute d’enthalpie qui entraîne sa condensation spontanée sous forme d’un nuage de gouttelettes submicroniques. Ces gouttes vont se déposer sur les aubes aval et y former un film d’eau. Ce dernier est arraché sous l’effet de l’écoulement de vapeur environnant ce qui crée des gouttes de quelques dizaines de microns qui peuvent se redéposer sur les aubes aval. Ces phénomènes sont à l’origine de pertes, généralement regroupées sous le terme générique de ”pertes par humidité”, estimées grâce à la loi de Baumann. Le but de cette thèse est de mettre en place dans un code méridien des modèles permettant la prise en compte des phénomènes de condensation, de déposition et d’écoulement des films liquides afin de pouvoir estimer les pertes liées à chacun d’entre eux. Dans cette optique un modèle diphasique homogène permettant d’avoir accès à la fraction massique de liquide et au nombre de gouttes est implanté dans le code méridien. Ce modèle est validé sur un cas test expérimental de détente en tuyère et alimente le modèle de déposition. Les contributions de la diffusion, de la turbophorèse, de la thermophorèse, de la gravité et de l’inertie des gouttes à la déposition sont étudiées. Il apparaît nécessaire de prendre en compte la diffusion, la turbophorèse et la déposition inertielle sur les bords d’attaque des aubes. Un modèle permettant d’avoir accès à l’épaisseur et à la vitesse d’un film liquide soumis au cisaillement d’un écoulement environnant, à la force de frottement sur la paroi et aux effets de la rotation est mis en place. Ce modèle est validé par rapport à des résultats expérimentaux d’écoulement de film liquide sur une plaque plane dans des conditions proches de celles rencontrées en turbine à vapeur basse pression. Finalement, un calcul réalisé sur une géométrie réelle de turbine basse pression de 8 étages permet de démontrer l’applicabilité de la méthodologie mise en place sur un cas industriel. Les contributions des phénomènes étudiés aux pertes par humidité sont explicitées. / During the expansion in a turbine, the enthalpy of the steam fall. This fall leads the steam to cross the saturation line and brings about its spontaneous condensation and the appearance of fog droplets. The deposition of these droplets on downstream blades lies at the root of the creation of a liquid film. This film is torn off by steam flow and creates coarse water. These big droplets can impact downstream blades. Each of these phenomena induces some losses which are generally grouped in the ”wetness losses” estimated thanks to Baumann’s rule. The aim of this work is to develop, in a throughflow code, some models which allow to take into account the condensation, deposition and liquid film flow and the losses linked to each of these phenomena. An homogeneous two phases flow model is implemented in the throughflow code. Two transport equations on the mass fraction of liquid and on the droplets number are added to Euler’s equations written for gas phase. This model is validated on an experimental test case of expansion in nozzle and feeds the model of deposition. The influences of diffusion, turbophoresis, thermophoresis, gravity and of inertia of droplets on the deposition are studied. It appears to be necessary to take into account diffusion, turbophoresisand deposition due to inertia on the leading edges of blades. A model which allows to evaluate the thickness and the velocity of a liquid film submitted to aerodynamic shear, friction on blades and rotational effects has been developed. This model is validated on experimental results of a liquid film flow on a flat plate in some conditions representatives of those encountered in low pressure steam turbines. Finally a calculation realised on a real geometry of a 8-stages low pressure steam turbine has demonstrated that the methodology developed during this work can be used on an industrial test case. The contributions of the phenomena studied to wetness losses are evaluated.

Le bon fonctionnement et les performances des turbines à vapeur sont liés à l’état de la vapeur et notamment au taux d’humidité qu’elle contient. EDF souhaite pouvoir maîtriser les phénomènes spécifiques à ces problématiques afin d’améliorer l’utilisation et l’évolution de ses turbines. Le sujet de recherche concerne la modélisation de la formation de l’humidité dans un corps de turbine et l’étude des couplages entre la phase liquide et les instationnarités. Dans ce contexte, la démarche adoptée est la suivante : la présence d’humidité est prise en compte à l’aide d’un modèle homogène, couplé à des modèles de condensation permettant de prendre en compte les phénomènes hors-équilibre thermodynamique : le grossissement et la nucléation des gouttes d’eau dans la vapeur. Pour mener à bien les calculs, des méthodes numériques adaptées aux gaz réels ont été utilisées et testées à l’aide d’un code monodimensionnel avant d’être intégrées dans le code 3D elsA. Deux types de modèles de condensation ont été mis en œuvre, considérant ou non la polydispersion des gouttes dans la vapeur. Les couplages instationnaires entre la condensation et l’écoulement principal ont été étudiés à différents niveaux d’observations (1D, 1D − 3D, 3D). Il a été montré que la méthode des moments apporte une richesse supplémentaire par rapport à un modèle mono-dispersé, et permet de mieux capter les couplages instationnaires entre l’humidité et le champ principal. / In addition to conventional turbomachinery problems, both the behavior and performances of steam turbines are highly dependent on the vapour thermodynamic state and the presence of a liquid phase. EDF, the main French electricity producer, is interested in further developing its’ modelling capabilities and expertise in this area to allow for operational studies and long-term planning. This PhD thesis explores the modelling of wetness formation and growth in a steam turbine and an analysis of the coupling between the liquid phase and the main flow unsteadiness. To this end, the work in this thesis took the following approach. Wetness was accounted for using a homogeneous model coupled with transport equations to take into account the effects of non-equilibrium phenomena, such as the growth of the liquid phase and nucleation. The real gas attributes of the problem demanded adapted numerical methods. Before their implementation in the 3D elsA solver, the accuracy of the chosen models was tested using a developed one-dimensional nozzle code. In this manner, various condensation models were considered, including both polydispersed and monodispersed behaviours of the steam. Finally, unsteady coupling effects were observed from several perspectives (1D, 1D − 3D, 3D), demonstrating the ability of the method of moments to sustain unsteady phenomena which were not apparent in a simple monodispersed model.