This master's thesis addresses the numerical modeling of hot gas ingestion through rim seals of rotor-stator cavities in modern gas turbines. In the current environmental context for greener aviation, this topic deserves special attention as significant gains in terms of overall engine efficiency can be achieved through better rotor-stator seal designs limiting ingress of hot gas coming from the main gaspath. Adequate physical modeling of hot gas ingestion is now recognized as critical to develop a better understanding of the flow mechanisms involved. With this in mind, Pratt & Whitney Canada has appointed the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) at Université Laval to conduct a comprehensive study of the ingestion phenomenon.

This thesis is part of this study and it aims at describing the development, application and validation of numerical simulation techniques to characterize qualitatively and quantitatively the ingestion phenomenon observed through the rim seal and into the rotor-stator cavity of a gas turbine. The proposed numerical approach being specifically designed for predictions in the context of an experimental turbine operating in laboratory conditions, its reliability limits for predictions under real engine conditions are also investigated. Adequate parameterization of the problem and the validity of extrapolating the numerical results obtained in a rig to predict the actual ingress in an engine representative environment are also examined in this project.

The methodology considers two calculation phases allowing adequate ingestion diagnoses with the use of a passive marker. A series of numerical validations and comparisons with experimental results are also presented. The CFD methodology is considered robust and reliable, but only partially validated.

Ce mémoire de maîtrise porte sur la modélisation numérique de la problématique d'ingestion de gaz chauds dans la cavité rotor-stator du premier étage d'une turbine à gaz moderne. Dans le contexte de développement d'une aviation plus écologique, ce sujet mérite une attention marquée car des gains importants en ce qui a trait à l'efficacité globale du moteur peuvent être atteints par de meilleurs designs de joints rotor-stator limitant l'ingestion. La modélisation physique des phénomènes affectant l'ingestion devient alors essentielle afin de développer une meilleure compréhension des écoulements et mécanismes en présence. C'est dans cette optique que Pratt & Whitney Canada a mandaté le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l'Université Laval afin de conduire une étude approfondie du phénomène d'ingestion.

Ce mémoire a donc pour objectif principal de décrire le développement, l'application et la validation de certaines techniques de simulation numérique visant à caractériser qualitativement et quantitativement le phénomène d'ingestion observé à travers le joint et dans la cavité du groupe rotor-stator d'une turbine à gaz. Une investigation des limites de fiabilité d'une telle modélisation numérique dans un contexte réel d'opération du moteur est également présentée. La paramétrisation adéquate du problème et la validité d'extrapoler des résultats numériques d'ingestion obtenus aux conditions "banc d'essai" afin de prédire l'ingestion réelle aux conditions "moteur" font également partie des sujets abordés dans ce mémoire.

La méthodologie développée considère deux phases de calculs menant à des diagnostics d'ingestion par le biais d'un marqueur passif. Une série de validations numériques et des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont également présentées. La méthodologie de modélisation numérique est considérée robuste et fiable, mais seulement partiellement validée.