FR2961292A1 - Procede pour reduire les instabilites de combustion dans une chambre de combustion ; chambre de combustion de moteur a turbine a gaz selon ce procede - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur un procédé pour réduire les instabilités de combustion dans une chambre de combustion à laquelle est associée au moins une fréquence propre de résonance acoustique (f), comprenant un système d'alimentation en air de combustion, éventuellement carburé, avec un conduit axial et une vrille induisant une composante de vitesse azimutale audit flux d'air, une paroi de fond de chambre dans laquelle débouche ledit conduit, ladite vrille étant disposée à une distance (L) de la paroi de fond de chambre, caractérisé par le fait qu'il consiste à ajuster la distance (L) de manière à créer un déphasage (?φ) entre l'onde acoustique axiale et l'oscillation aérodynamique azimutale générée au travers de la vrille par l'onde acoustique. L'invention porte également sur une chambre de combustion de moteur à turbine agencée selon ce procédé.

Description

1 Procédé pour réduire les instabilités de combustion dans une 5 chambre de combustion ; chambre de combustion de moteur à turbine à gaz selon ce procédé 10 Le domaine de la présente invention est celui des moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement celui de la combustion dans les chambres de combustion de ces derniers.

Un moteur à turbine à gaz comprend classiquement, d'amont en aval dans 15 le sens de l'écoulement des gaz, un ou plusieurs étages de compresseurs par exemple un compresseur basse pression suivi d'un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, telles qu'une turbine haute pression suivie d'une turbine basse pression et une tuyère d'échappement des gaz. 20 La chambre de combustion est alimentée par de l'air provenant des étages de compresseur qui pénètre dans celle-ci pour participer à la combustion du carburant qui y est injecté.

25 Une partie de l'air est guidée vers la chambre de combustion pour produire une combustion par un système d'alimentation. Une autre partie est introduite dans la chambre plus en aval de la zone de combustion pour y diluer les gaz brûlés par cette combustion. Le système d'alimentation comprend un conduit tubulaire et une vrille ou autre moyen équivalent par 30 lequel l'air est entraîné axialement vers l'aval avec un mouvement tourbillonnant autour de la direction de déplacement du flux. En sortie, il débouche par la paroi du fond de chambre dans la chambre elle même.

Le carburant servant à la combustion est admis en amont de la zone de 35 combustion en un ou plusieurs endroits possibles dans le système d'alimentation dans lequel il est pulvérisé en fines gouttelettes, éventuellement vaporisé, et mélangé intimement à l'air incident ou il peut être aussi admis directement dans la zone de combustion immédiatement en aval du système d'alimentation. L'air et le carburant sont ainsi introduits 40 dans la zone de combustion de la chambre qui forme un espace confiné à l'intérieur duquel se produit la combustion. En raison de l'augmentation

2 brusque de la section de passage à la traversée de la paroi du fond de chambre et de la rotation impartie au flux d'air primaire, le jet s'évase et la flamme prend une forme globalement tronconique tout en continuant à tourbillonner autour de son axe. Par la rotation des gaz, une zone de faible pression se crée au centre du jet le long de son axe produisant une recirculation de gaz brûlés, chauds, vers l'amont. Cette zone de recirculation favorise l'allumage du mélange pénétrant dans la chambre et dans la mesure où elle est stable dans le temps, elle forme un accroche-flamme. Cette zone est localisée le long de l'axe du jet et immédiatement en aval du système d'alimentation. Des zones de recirculation de gaz sont également produites entre la paroi de fond de chambre et la partie évasée de la flamme. L'ensemble des recirculations de gaz chauds contribue ainsi à la constitution d'une zone de combustion stable.

Des études ont montré que la stabilité de la zone de recirculation des gaz de combustion dépend entre autres paramètres du mouvement de rotation imparti par le système d'alimentation. La rotation du flux gazeux traversant le système d'alimentation est définie par un paramètre, désigné nombre de « swirl ». Il a pour valeur le rapport entre la quantité de mouvement tangentielle et la quantité de mouvement axiale du flux gazeux. Il est connu que la zone de recirculation des gaz est bien définie et la combustion stabilisée à partir de nombres de swirl de l'ordre de 0,6.

Lorsque des fluctuations de pression ou de vitesse apparaissent en amont du système d'alimentation rapporté ci-dessus, au niveau de l'air incident, elles induisent des fluctuations notamment dans la rotation du flux d'air et dans la forme de la flamme de la zone de combustion et, par voie de conséquence, elles induisent des fluctuations dans la quantité de chaleur dégagée par la flamme.

Cette fluctuation de la combustion génère alors des ondes acoustiques qui peuvent se réfléchir dans les parois de la chambre, être entretenues et même constituer un phénomène qui s'amplifie et qui peut devenir dommageable pour le moteur.

Il convient donc d'éviter les couplages qui pourraient s'installer entre les fluctuations de la combustion et les ondes acoustiques propres à la cavité de confinement de celle-ci car de tels phénomènes peuvent donner lieu à des mises en résonance se traduisant, par exemple, par la vibration d'éléments de la structure, l'extinction de la flamme, la création de zones en surchauffe, un rayonnement sonore puissant, etc. qui peuvent induire une

3 dégradation des performances, influer sur la durée de vie des pièces et qui peuvent même être destructeurs.

Un mode acoustique n'est pas forcément excité par la flamme s'il n'y a pas d'instabilité de combustion mais s'il y a une instabilité de combustion, on sait qu'elle se produira pour un mode acoustique du système de combustion. Les modes acoustiques sont décrits par leur fréquence et leur structure. On peut prédire grâce à un code d'acoustique qui résout l'équation de Helmholtz en fonction de la géométrie de la chambre de combustion et de son environnement : système d'injection, contournement de la chambre, diffuseur, etc. et des conditions limites acoustiques dans ce domaine de calcul les modes acoustiques susceptibles de jouer un rôle dans les instabilités de combustion.

Il n'existe pas de solution systématique permettant de résoudre ce problème des instabilités et on ne sait pas toujours éliminer ces modes vibratoires avec certitude. Les techniques habituellement mises en oeuvre pour réduire les vibrations acoustiques dans la chambre portent sur des modifications de la géométrie de celle-ci ou sur la mise en place de barrières acoustiques, mais ces techniques sont difficiles à mettre en oeuvre. En outre les barrières acoustiques génèrent de la perte de charge dans le contournement de la chambre. Les re-conceptions des géométries de la chambre de combustion induisent un coût important et des retards dans la conception d'un moteur.

Il serait donc souhaitable d'agir directement au niveau de la combustion pour réduire ces fluctuations et éviter ainsi que des phénomènes vibratoires trop violents apparaissent.

L'invention a ainsi pour objectif d'agir sur le système d'alimentation de 30 telle sorte que le phénomène d'amplification de la combustion soit neutralisé ou pour le moins atténué.

L'invention concerne donc un procédé pour réduire les instabilités de combustion dans une chambre de combustion à laquelle est associée au 35 moins une fréquence propre de résonance acoustique.

La chambre comprend un système d'alimentation en air de combustion, éventuellement carburé, avec un conduit et une vrille ou un autre moyen équivalent, induisant une composante de vitesse azimutale audit flux d'air, 40 et une paroi de fond de chambre dans laquelle débouche ledit conduit. La

4 vrille dans le conduit est disposée à une distance déterminée de la paroi de fond de chambre,

Selon l'invention, le procédé est caractérisé par le fait qu'il consiste à ajuster la distance de la vrille à la paroi de fond de chambre de manière à créer un déphasage entre l'onde acoustique à ladite fréquence et l'oscillation aérodynamique générée au travers de la vrille par l'onde acoustique.

La solution de l'invention présente l'avantage de n'induire que des modifications mineures à la géométrie de la chambre puisqu'elle n'implique qu'un déplacement axial de la vrille de mise en rotation du flux gazeux parcourant le conduit d'alimentation de la chambre en air, éventuellement carburé.

Par vrille on comprend une roue composée d'ailettes radiales déviant le flux gazeux entrant dans la roue selon une composante azimutale. Toutefois ce terme englobe tous les moyens équivalents dans la mesure où ils impartissent une composante azimutale au flux de gaz passant au travers de la vrille. Un moyen équivalent peut être constitué d'un ou plusieurs étages d'aubes fixes, avec éventuellement des calages différents. Un autre moyen équivalent peut être formé d'un ou plusieurs étages d'aubes mobiles. Un autre moyen équivalent peut être formé d'un système de canaux qui prélèvent l'air axialement et lui font prendre un virage pour le réintroduire avec une giration.

Dans la suite de la demande on emploie le terme vrille pour tous les équivalents qu'il englobe.

Avantageusement, on détermine la distance à partir d'une relation qui exprime le retard pris par les fluctuations d'une particule le long de sa trajectoire hélicoïdale entre la vrille et la paroi de fond de chambre par rapport à une fluctuation acoustique qui se propage le long de l'axe du conduit. Ainsi (U) étant la vitesse de l'air en entrée du conduit, (L') la distance parcourue par une particule le long de sa trajectoire hélicoïdale entre la sortie de la vrille et la paroi de fond de chambre, trajectoire qui est une fonction de la distance (L) et des paramètres géométriques du système d'alimentation, la distance (L) est déterminée à partir de la relation : A (p= 22t*f*L'/U et de la relation qui lie L à L'.40 L'invention s'applique en particulier à une chambre de combustion annulaire avec une pluralité de systèmes d'alimentation en air répartie autour de l'axe de la chambre, on ajuste alors individuellement les distances (L) pour chacun des systèmes d'alimentation en air.

Dans ce dernier cas on dispose d'une possibilité simple d'atténuation pour des fréquences différentes. On ajuste les distances à l'intérieur des systèmes d'alimentation pour au moins deux différentes fréquences propres de la chambre.

Selon un mode de réalisation particulier, le conduit du système d'alimentation comprend une vrille avec des ailettes disposées radialement autour de l'axe du conduit, les ailettes induisant une déviation azimutale au flux d'air traversant la vrille. 15 Le carburant, alimentant la chambre de combustion, est par exemple introduit à l'intérieur du conduit du système d'alimentation et mélangé au flux d'air pour produire un flux d'air carburé.

20 Le carburant est éventuellement introduit dans la partie aval du conduit du système d' alimentation.

L' invention porte aussi sur une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz avec au moins une fréquence propre de résonance acoustique, 25 comprenant une paroi de fond de chambre et au moins un conduit d'alimentation en air de combustion, pourvu d'une vrille de mise en rotation hélicoïdale de l'air à l'intérieur du conduit, ledit conduit débouchant dans la paroi du fond de chambre, présentant au niveau de la zone de combustion un déphasage (A p) destructeur de résonance pour 30 ladite fréquence de résonance entre l'onde acoustique et l'oscillation aérodynamique générée au travers de la vrille par l'onde acoustique. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la 35 description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d' exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : La figure 1 représente de manière schématique une partie d'une 40 chambre de combustion expérimentale qui a permis de parvenir à 1' invention, 510

6 La figure 2 représente un exemple de vrille à l'intérieur du système d'alimentation par lequel l'air est mis en mouvement tourbillonnant, Les figures 3 et 4 sont des graphiques montrant sur deux phases la variation de différents paramètres lorsque le gaz incident en amont de la vrille est soumis à des pulsations de fréquence donnée.

La figure 1 illustre, de manière schématique, la partie amont d'une installation 1 de combustion expérimentale représentative d'une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. L'installation comprend la chambre de combustion dont on ne voit que la partie amont dans laquelle se situe la zone de combustion. La chambre est confinée et délimitée latéralement par des parois 2 parallèles au sens d'écoulement des gaz. La partie aval de la chambre n'est pas représentée car elle ne fait pas partie de l'objet du procédé de l'invention. Dans une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz, la partie aval comprend les moyens usuels de dilution des gaz de combustion en préparation à la détente dans une section de turbine qui n'est pas représentée non plus.

L'amont de la chambre est délimité par un fond de chambre 21 disposé en travers par rapport à la direction d'écoulement des gaz. Un système d'alimentation en gaz 3 débouche dans la chambre à travers la paroi de fond de chambre 21. Ce système comprend un canal ou conduit 4, perpendiculaire au fond de chambre. Le conduit est ici, selon cet exemple de réalisation, droit, de forme annulaire autour d'un guide central 5. Une vrille 6 est montée en travers du conduit annulaire. Cette vrille qui est vue en perspective sur la figure 2 comprend un moyeu central 61 de même diamètre que le guide central 5 et un guide externe 62 dont le diamètre correspond à celui du conduit 4. Des ailettes radiales 63 sont fixées entre le moyeu central 61 et le guide externe 62 et ont un profil de guidage du gaz entre une section d'entrée en amont par rapport à l'écoulement des gaz dans le conduit 4 et une section de sortie de la vrille. Ces ailettes 63 ont de préférence un profil aérodynamique pour guider et dévier le fluide depuis une direction axiale à l'amont vers une direction formant un angle avec l'axe en ayant une composante de vitesse azimutale non nulle.

En fonctionnement, l'air est admis dans le système d'alimentation 3, à l'amont du conduit 4, à une vitesse Ub, parallèlement au conduit qui devient annulaire par le guide 4 qui s'étend en amont de la vrille 6. Par les ailettes 63, le flux gazeux est entraîné dans un mouvement hélicoïdal autour du guide central 5. Il a une composante de vitesse axiale u et une composante de vitesse tangentielle ou azimutale v. Le flux gazeux après un parcours L

7 débouche dans l'enceinte de la chambre. Dans la mesure où le flux gazeux comprend un mélange d'air et de carburant dans un rapport approprié, et où il est allumé par un moyen approprié également, il s'ouvre et forme une flamme tourbillonnante de forme globale tronconique. La flamme se positionne à l'amont d'une zone centrale et toroïdale de recirculation des gaz brûlés. Cette zone de gaz chauds contribue, à l'amont, à la stabilisation de l'allumage du mélange d'air et de carburant provenant du système d' alimentation. 10

Quand la vrille est traversée par une onde acoustique axiale caractérisée par une vitesse acoustique axiale u' de fréquence donnée, elle génère une perturbation v' de la vitesse azimutale. Cette fluctuation se propage à la 15 vitesse du flux comme une onde aérodynamique de vorticité. Ainsi, en aval de la vrille la perturbation induite par la vrille se compose de l'onde acoustique transmise qui se caractérise par une fluctuation de vitesse axiale u' et une onde de mode aérodynamique avec une fluctuation de vitesse v'. Ces deux perturbations ont des vitesses de phases distinctes. La 20 première se propage à la vitesse du son dans le fluide gazeux alors que la seconde est de type convectif, transportée par le flux ; elle a une composante axiale qui est la projection sur l'axe de la vitesse du flux. Il s'ensuit la conséquence que ces deux composantes interagissent avec la flamme de façon constructive ou destructive en fonction de la distance 25 entre la vrille et la sortie du conduit d'alimentation.

Si on représente l'onde acoustique incidente en amont de la vrille par la formule u' = Al.exp-i(w.t-kac.z> où w=2.n.f, kac est le vecteur d'onde et z la coordonnée le long de l'axe du système d'alimentation,

les perturbations de vitesse en aval de la vrille ont comme composantes u' = A2.exp i(co.t kac.z) v'= B2.exp i(co.t-kvo.z) 30 35 40 où est le vecteur d'onde convectif.

La différence de phase entre les fluctuations u' et v' reflète le retard induit par la vrille entre les perturbations aérodynamiques azimutales v' et les 5 fluctuations acoustiques axiales u'.

En faisant l'hypothèse que la différence de phase varie de manière sensiblement linéaire avec la fréquence f correspondant à un mode de résonance de la chambre, on peut écrire 10 A p=w.ti avec z correspondant au temps requis pour que la perturbation azimutale générée par la vrille, se propage depuis le bord de fuite des ailettes de la vrille jusqu'à la zone de combustion. On connaît t par la relation 15 =L' /Ub L', est la distance parcourue par une particule le long de sa trajectoire en hélice ; elle est une fonction de l'écoulement et de la distance L séparant le bord aval de la vrille et le lieu de la combustion. Cette valeur dépend aussi de la géométrie du conduit. Elle est déterminée aisément par une simulation 20 numérique de mécanique des fluides.

On a procédé à des essais de combustion avec la chambre illustrée sur les figures.

25 Le gaz admis en amont du système d'alimentation était un mélange d'air et de méthane avec une richesse et une vitesse déterminée.

La chambre cylindrique avait un diamètre de 70 cm et le conduit d'alimentation un diamètre de 22 cm. L'agencement en entrée assurait une 30 vitesse uniforme Ub . La vrille était formée d'ailettes radiales comme dans la figure 2 ; l'angle de déviation des ailettes en bord de fuite évoluait entre le pied et le sommet de manière à avoir un flux tourbillonnant homogène transversalement.

35 Un haut parleur créait une perturbation entretenue dans le flux gazeux incident de fréquence déterminée.

A partir des données de départ, on a calculé au moyen d'un code numérique approprié la variation d'amplitude des vitesses u' et v' normalisées (u'/umoy 40 et v'/vmoy)- 8 Le taux de réaction Q' était mesuré à partir de signaux d'émission de radicaux tels que CH* ou OH* au moyen d'un dispositif de chimie-luminescence. L'intensité lumineuse émise par les radicaux ci-dessus étant reliée au 5 dégagement de la chaleur par la flamme, on en déduit ainsi le taux de réaction.

Sur les graphiques en annexe on a reporté sur deux périodes la variation des vitesses u', v' et du nombre de swirl s'/smoy d'une part et on a mesuré la 10 variation du taux de réaction Q'/Qmoy d'autre part.

Un premier essai fait sans tenir compte de la longueur L, pour une fréquence de modulation de la vitesse du flux d'air incident de 90 Hz, a donné les valeurs reportées sur la figure 3. On constate que les deux 15 vitesses u' et v' fluctuent en phase. Le nombre de swirl varie peut. En revanche on observe une grande variation du taux de dégagement de chaleur. Cette variation indique une instabilité de combustion.

Un autre essai a été réalisé pour une fréquence de modulation de 60 Hz de 20 la vitesse du flux d'air Ub en entrée du système d'alimentation. La distance L entre le bord aval de la vrille et le plan du fond de chambre à l'entrée de la chambre de combustion a été déterminée de telle manière que les vitesses u' et v` varient en opposition de phase au niveau de la flamme de sorte à produire deux étirements axial et azimutal de la flamme qui lui confèrent 25 une surface de réaction quasi-constante au cours du temps. On note sur la figure 4 que le taux de dégagement de chaleur varie faiblement. La combustion est stabilisée.

L' invention ne se limite pas à une chambre de combustion cylindrique telle 30 que représentée sur les figures, elle s'applique avantageusement aux chambres de combustion annulaires de moteur à turbine à gaz. Ces chambres comprennent une pluralité de systèmes d'alimentation répartis autour de l'axe du moteur à chacun desquels est associée une zone de combustion. La solution de l'invention permet d'agir individuellement sur 35 chacun des systèmes d'alimentation et de traiter ainsi plusieurs modes de résonances de la chambre de combustion. Par exemple, un premier groupe de systèmes d'alimentation en mélange carburé est dimensionné pour atténuer un premier mode de résonance et un deuxième groupe est dimensionné pour atténuer un autre mode de résonance. 40

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Procédé pour réduire les instabilités de combustion dans une chambre de combustion à laquelle est associée au moins une fréquence propre de résonance acoustique (f), comprenant un système d'alimentation en air de combustion, éventuellement carburé, avec un conduit axial et une vrille induisant une composante de vitesse azimutale audit flux d'air, une paroi de fond de chambre dans laquelle débouche ledit conduit, ladite vrille étant disposée à une distance (L) de la paroi de fond de chambre, caractérisé par le fait qu'il consiste a ajuster la distance (L) de manière à créer un déphasage (A(p) entre l'onde acoustique et l'oscillation aérodynamique générée au travers de la vrille par l'onde acoustique.
2. 2. Procédé selon la revendication précédente, (U) étant la vitesse de l'air en entrée du conduit, (L') la distance parcourue par une particule entre la vrille et la zone de combustion, trajectoire qui est une fonction de la distance (L), la distance (L) est déterminée par la relation : Ocp= 2n*f*L'/U.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 selon lequel la chambre de combustion étant annulaire et une pluralité de systèmes d'alimentation en air répartie autour de l'axe de la chambre, on ajuste individuellement les distances (L) pour chacun des systèmes d'alimentation en air.
4. 4. Procédé selon la revendication précédente, selon lequel on ajuste les distances (L) à l'intérieur des systèmes d'alimentation pour au moins deux différentes fréquences propres de la chambre.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, le conduit du système d'alimentation comprenant un vrille avec des ailettes disposées radialement autour de l'axe du conduit, les ailettes induisant une déviation azimutale au flux d'air traversant la vrille.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dont le carburant, alimentant la chambre de combustion, est introduit à l'intérieur du conduit du système d'alimentation et mélangé au flux d'air. 40
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dont le carburant est introduit dans la partie aval du conduit du système d'alimentation. 35
8. 8. Chambre de combustion de moteur à turbine à gaz avec au moins une fréquence propre de résonance acoustique, mettant en oeuvre le procédé de l'une des revendications précédentes, comprenant une paroi de fond de chambre et au moins un conduit d'alimentation en air de combustion, pourvu d'une vrille de mise en rotation hélicoïdale de l'air à l'intérieur du conduit, ledit conduit débouchant dans la paroi du fond de chambre, présentant au niveau de la zone de combustion un déphasage (A. p) destructeur de résonance pour ladite fréquence de résonance entre l'onde acoustique axiale et l'oscillation aérodynamique azimutale générée au travers de la vrille par l'onde acoustique. 20 25 30 35 40 45