Des sondes de pression innovantes réduisent le risque de panne des moteurs à mélange pauvre
Dans la quête perpétuelle pour des transports propres qui ne finiront pas par empoisonner notre monde avec des gaz nocifs, les moteurs à mélange pauvre promettent une meilleure économie de carburant et une réduction des émissions de gaz à effet de serre. Contrairement aux chambres de combustion traditionnelles, les chambres de combustion à faible teneur en oxydes d’azote (NOx) et à mélange pauvre mélangent un volume d’air plus important avec le combustible dans le tube de flamme de la chambre de combustion que la quantité stœchiométriquement nécessaire, ce qui réduit la température de la flamme et, partant, la production de NOx (et d’autres polluants).
Deux préoccupations majeures: les instabilités de combustion et le bruit
Les efforts visant à réduire les niveaux d’émissions de NOx dans les moteurs à mélange pauvre n’ont jamais été aussi près de porter leurs fruits. «En dépit de leurs conceptions extrêmement avancées, les chambres de combustion à faible teneur en NOx connaissent des problèmes de fiabilité attribuables à de graves instabilités de combustion et à des émissions sonores», déclare Julien Clinckemaillie, ingénieur de recherche au von Karman Institute for Fluid Dynamics(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et coordinateur du projet FAST TAPS(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE. Récemment, de nombreuses études visaient à mieux comprendre les mécanismes de formation et la dynamique des instabilités de combustion, ainsi que la contribution du bruit de la chambre de combustion à la signature sonore générale de la turbine à gaz. «Des méthodes avancées de mesure de la pression à temps de réponse rapide dans les conditions difficiles qui caractérisent les chambres de combustion des turbines à gaz sont fondamentales pour étudier expérimentalement les instabilités de combustion et le bruit», ajoute Julien Clinckemaillie.
Technologie avancée de prédiction des instabilités de combustion et du bruit
Dans le cadre du projet FAST TAPS, les chercheurs ont levé le voile sur des prototypes de systèmes de contrôle de la combustion avancés qui permettront d’enrichir les connaissances sur les instabilités de combustion et le bruit dans des conditions moteur réalistes. «Nous avons produit et qualifié avec succès huit prises de pression à temps de réponse rapide fixées au mur destinées à être utilisées dans la zone primaire de la chambre de combustion d’un turbomoteur installé au niveau du sol», souligne Julien Clinckemaillie. Le fragile capteur de pression à temps de réponse rapide installé sur l’extrémité de la sonde refroidie a conservé une température d’environ 80 °C, bien qu’elle ait été immergée dans l’environnement chaud de la chambre de combustion, qui peut atteindre les 1 600 °C. «La conception d’une configuration de refroidissement efficace et protectrice permettant de refroidir la sonde fragile tout en maintenant la réponse de fréquence du système aussi large que possible et le caractère intrusif de la sonde aussi minimal que possible s’est révélé très difficile», explique Julien Clinckemaillie. Le prototype de la sonde a survécu à quatre démarrages de moteur et à 32 minutes d’essais effectifs dans la zone primaire d’une turbine à gaz de turbomoteur tournant au ralenti. Les tests ont permis de détecter une faiblesse dans l’emballage du capteur, qui a ensuite été résolue en améliorant la protection du capteur contre le dépôt de suie.
La technologie prête à avoir un grand impact
Les instabilités de combustion constituent la principale barrière au développement de chambres de combustion à combustion pauvre à faibles émissions destinées aux moteurs à réaction de prochaine génération. En gagnant une meilleure compréhension des instabilités de combustion dans des conditions réalistes de moteurs à turbine à gaz, FAST TAPS débouchera in fine sur la conception de technologies de chambres de combustion avancées qui réduiront les émissions de CO2 et de NOx ainsi que l’empreinte sonore. Les activités du projet ouvriront la voie à des moteurs à turbine plus écologiques et plus silencieux dans la classe des 1 800-2 000 chevaux de puissance sur l’arbre pour l’aviation d’affaires et les applications régionales de courte portée. «La collaboration entre les chercheurs du von Karman Institute et de Safran Helicopter Engines(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) a été très fructueuse tout au long du projet et en particulier lors des tests sur le banc d’essai innovant Bearcat de Safran à Bordes (France) qui nous ont permis de perfectionner la conception finale de la sonde», ajoute Sébastien Detry, chef de projet pour Ardiden 3 & Clean Sky 2. «Nous avons mis au point un système de mesure FAST TAPS entièrement fonctionnel. Les futurs essais dans des conditions représentatives du moteur permettront à Safran d’améliorer plus avant les modèles de conception et les performances de combustion grâce aux capacités du système de mesure FAST TAPS.»
