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Annular Instabilities and Transient Phenomena in Gas Turbine Combustors

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Des études sur les chambres de combustion annulaires complètes des turbines à gaz améliorent les conceptions

De nouvelles études expérimentales, théoriques et numériques sur les chambres de combustion annulaires complètes des turbines à gaz ont révélé des détails de processus critiques auparavant hors de portée des bancs d’essai de sous-composants.

Énergie

Les chambres de combustion sont le cœur des turbines à gaz, qui sont la pierre angulaire de l’aviation et le moyen le plus efficace de générer une puissance considérable. Des recherches approfondies sur des portions de chambres de combustion réelles ont révélé de nouveaux processus physiques de la dynamique de la combustion. Il est crucial de pouvoir déterminer comment ces processus physiques se déroulent dans des systèmes réels et plus complexes. Avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska Curie, le projet ANNULIGhT a caractérisé la dynamique de la combustion dans des chambres de combustion annulaires complètes des turbines à gaz. Les nouvelles méthodologies, les nouveaux outils et la compréhension fondamentale présentés dans plus de 40 publications sont maintenant à la pointe du progrès dans le domaine et soutiendront le développement de la prochaine génération de turbines à gaz à faibles émissions et zéro carbone pour la propulsion et la puissance.

Instabilités thermoacoustiques, limite d’extinction pauvre et rallumage

La plupart des moteurs à réaction reposent sur des chambres de combustion annulaires (en forme de beignet) équipées de nombreux injecteurs sur la circonférence afin de stabiliser les flammes. «Les instabilités thermoacoustiques se produisent lorsque des ondes acoustiques (de pression) interagissent avec les flammes et sont amplifiées, entraînant la résonance du système de combustion. Ce phénomène s’est produit avec la fusée Saturn V. Dans les chambres de combustion annulaires, ces ondes de pression se déplacent autour de l’anneau et peuvent être suffisamment intenses pour endommager sérieusement le moteur et provoquer sa défaillance», explique James Dawson, professeur à l’Université norvégienne des sciences et de la technologie et coordinateur d’ANNULIGhT. La limite d’extinction pauvre et le rallumage sont des défis interdépendants. Une combustion avec davantage d’air que de carburant minimise les émissions d’oxyde d’azote, mais une trop grande quantité d’air peut éteindre les flammes. Les ingénieurs veillent à ce que les moteurs puissent être rallumés; cependant, leur compréhension des processus est limitée par le fait qu’ils ne peuvent pas observer l’intérieur du moteur lors des tests, ils savent seulement si le moteur est allumé ou non.

L’étude de la chambre de combustion annulaire complète permet de recueillir des informations essentielles

«ANNULIGhT possède plusieurs chambres de combustion annulaires uniques à l’échelle du laboratoire qui nous permettent de voir ce qui se passe dans un vrai moteur, comme lorsque vous allumez une des flammes et qu’elle se déplace autour de la chambre de combustion en enflammant tous les injecteurs (allumage circulaire). Des expériences réalisées à l’aide de caméras à haute vitesse et de lasers nous permettent de saisir la complexité intrinsèque des moteurs réels. Elles sont combinées à des simulations numériques haute-fidélité qui fournissent encore plus de détails», explique James Dawson. L’équipe a découvert que la rupture de symétrie est cruciale pour le contrôle des instabilités thermoacoustiques dans les géométries annulaires. Cela a débouché sur de nouvelles méthodes et de nouveaux outils de calcul permettant d’identifier des paramètres clés afin de prévenir ces instabilités et d’améliorer les conceptions. La visualisation de la limite d’extinction pauvre ainsi que de l’allumage et de l’allumage circulaire a fourni des informations essentielles sur la façon de renforcer la sécurité des moteurs. ANNULIGhT a démontré que la grande variété de réponses du système se produisant dans les géométries annulaires ne peut être dévoilée que grâce à des géométries de chambre de combustion annulaires complètes. La compréhension accrue de la physique du rallumage des moteurs et les nouveaux outils basés sur la physique destinés à mieux prédire et prévenir la dynamique de combustion serviront à la conception des chambres de combustion de nouvelle génération.

Le monde universitaire et l’industrie unis pour stimuler le développement des chambres de combustion

L’étroite collaboration au sein d’ANNULIGhT a déjà permis de réaliser des progrès pratiques. Des expériences et des simulations numériques ont démontré que les flux de rotation très élevés suppriment les instabilités thermoacoustiques, et le phénomène a été expliqué théoriquement. Cela a mené au développement de la technologie de combustion rotative du partenaire Safran Helicopter Engines. James Dawson conclut: «La science des fusées est au centre de toutes les attentions, mais la turbine à gaz est une machine incroyablement complexe et belle. J’espère que la prochaine fois que vous serez assis dans un avion et que vous regarderez par le hublot pour voir cette merveille technique, vous vous demanderez comment ça marche.» ANNULIGhT connait la réponse.

Mots‑clés

ANNULIGhT, chambre de combustion, annulaire, turbine à gaz, thermoacoustique, limite d’extinction pauvre, rallumage

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