Chambre de combustion

L’objectif de la chambre de combustion dans une turbine à gaz est d’ajouter de l’énergie au système pour alimenter les turbines et de produire un gaz à grande vitesse pour l’échappement à travers la buse dans les applications aéronautiques. Comme pour tout défi d’ingénierie, pour y parvenir, il faut équilibrer de nombreuses considérations de conception, telles que les suivantes:

• Brûlez complètement le carburant. Sinon, le moteur gaspille le carburant imbrûlé et crée des émissions indésirables d’hydrocarbures imbrûlés, de monoxyde de carbone (CO) et de suie.
• Faible perte de pression à travers la chambre de combustion. La turbine alimentée par la chambre de combustion a besoin d’un débit à haute pression pour fonctionner efficacement.
• La flamme (combustion) doit être maintenue (contenue) à l’intérieur de la chambre de combustion. Si la combustion se produit plus en arrière dans le moteur, les étages de turbine peuvent facilement être surchauffés et endommagés. De plus, comme les aubes de turbine continuent de progresser et sont capables de résister à des températures plus élevées, les chambres de combustion sont conçues pour brûler à des températures plus élevées et les parties de la chambre de combustion doivent être conçues pour résister à ces températures plus élevées.
• Il doit pouvoir s’allumer à haute altitude en cas d’extinction du moteur.
• Profil de température de sortie uniforme. S’il y a des points chauds dans le flux de sortie, la turbine peut être soumise à des contraintes thermiques ou à d’autres types de dommages. De même, le profil de température à l’intérieur de la chambre de combustion doit éviter les points chauds, car ceux-ci peuvent endommager ou détruire une chambre de combustion de l’intérieur.
• Petite taille physique et poids. L’espace et le poids sont primordiaux dans les applications aéronautiques, de sorte qu’une chambre de combustion bien conçue s’efforce d’être compacte. Les applications non aéronautiques, comme les turbines à gaz génératrices d’énergie, ne sont pas aussi contraintes par ce facteur.
• Large plage de fonctionnement. La plupart des chambres de combustion doivent pouvoir fonctionner avec une variété de pressions d’entrée, de températures et de débits massiques. Ces facteurs changent à la fois avec les réglages du moteur et les conditions environnementales (c’est-à-dire que le plein régime à basse altitude peut être très différent du ralenti à haute altitude).
• Émissions environnementales. Il existe des réglementations strictes sur les émissions de polluants par les avions tels que le dioxyde de carbone et les oxydes d’azote, de sorte que les chambres de combustion doivent être conçues pour minimiser ces émissions. (Voir la section Émissions ci-dessous)

Sources:

Histoiremodifier

Les progrès de la technologie des chambres de combustion se sont concentrés sur plusieurs domaines distincts: émissions, plage de fonctionnement et durabilité. Les premiers moteurs à réaction produisaient de grandes quantités de fumée, de sorte que les premiers progrès de la chambre de combustion, dans les années 1950, visaient à réduire la fumée produite par le moteur. Une fois la fumée essentiellement éliminée, les efforts se sont tournés dans les années 1970 vers la réduction d’autres émissions, comme les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone (pour plus de détails, voir la section Émissions ci-dessous). Les années 1970 ont également vu une amélioration de la durabilité de la chambre de combustion, les nouvelles méthodes de fabrication ayant amélioré la durée de vie de la chemise (voir Composants ci-dessous) de près de 100 fois celle des premières chemises. Dans les années 1980, les chambres de combustion ont commencé à améliorer leur efficacité sur toute la plage de fonctionnement; les chambres de combustion avaient tendance à être très efficaces (99% +) à pleine puissance, mais cette efficacité a chuté à des réglages plus bas. Le développement au cours de cette décennie a amélioré l’efficacité à des niveaux inférieurs. Dans les années 1990 et 2000, l’accent a été renouvelé sur la réduction des émissions, en particulier des oxydes d’azote. La technologie des chambres de combustion est toujours activement recherchée et avancée, et une grande partie de la recherche moderne se concentre sur l’amélioration des mêmes aspects.

Composantsmodifier

Boîtier

Le boîtier est l’enveloppe extérieure de la chambre de combustion et est une structure assez simple. Le boîtier nécessite généralement peu d’entretien. Le boîtier est protégé des charges thermiques par l’air qui y circule, de sorte que les performances thermiques sont peu préoccupantes. Cependant, le boîtier sert de récipient sous pression qui doit résister à la différence entre les pressions élevées à l’intérieur de la chambre de combustion et la pression inférieure à l’extérieur. Cette charge mécanique (plutôt que thermique) est un facteur de conception moteur dans le cas.

Diffuseur

Le but du diffuseur est de ralentir l’air à grande vitesse et hautement comprimé du compresseur à une vitesse optimale pour la chambre de combustion. La réduction de la vitesse entraîne une perte inévitable de pression totale, l’un des défis de conception est donc de limiter autant que possible la perte de pression. De plus, le diffuseur doit être conçu pour limiter autant que possible la distorsion du flux en évitant les effets de flux tels que la séparation de la couche limite. Comme la plupart des autres composants de moteurs à turbine à gaz, le diffuseur est conçu pour être aussi court et léger que possible.

Liner

Le liner contient le processus de combustion et introduit les différents flux d’air (intermédiaire, dilution et refroidissement, voir Chemins d’écoulement d’air ci-dessous) dans la zone de combustion. La doublure doit être conçue et construite pour résister à des cycles prolongés à haute température. Pour cette raison, les chemises ont tendance à être fabriquées à partir de superalliages comme Hastelloy X. De plus, même si des alliages à haute performance sont utilisés, les chemises doivent être refroidies avec un flux d’air. Certaines chambres de combustion utilisent également des revêtements de barrière thermique. Cependant, un refroidissement par air est toujours nécessaire. En général, il existe deux principaux types de refroidissement du revêtement; refroidissement du film et refroidissement par transpiration. Le refroidissement du film fonctionne en injectant (par l’une des méthodes suivantes) de l’air frais de l’extérieur de la doublure vers l’intérieur de la doublure. Cela crée un mince film d’air frais qui protège la doublure, réduisant la température au niveau de la doublure d’environ 1800 kelvins (K) à environ 830 K, par exemple. L’autre type de refroidissement du revêtement, le refroidissement par transpiration, est une approche plus moderne qui utilise un matériau poreux pour le revêtement. Le revêtement poreux permet à une petite quantité d’air de refroidissement de le traverser, offrant des avantages de refroidissement similaires au refroidissement du film. Les deux principales différences sont le profil de température résultant de la chemise et la quantité d’air de refroidissement requise. Le refroidissement par transpiration se traduit par un profil de température beaucoup plus uniforme, car l’air de refroidissement est introduit uniformément à travers les pores. L’air de refroidissement du film est généralement introduit par des lamelles ou des persiennes, ce qui donne un profil irrégulier où il est plus froid au niveau de la lamelle et plus chaud entre les lamelles. Plus important encore, le refroidissement par transpiration utilise beaucoup moins d’air de refroidissement (de l’ordre de 10% du flux d’air total, plutôt que de 20 à 50% pour le refroidissement du film). L’utilisation de moins d’air pour le refroidissement permet d’utiliser davantage pour la combustion, ce qui est de plus en plus important pour les moteurs à haute performance et à forte poussée.

Museau

Le museau est une extension du dôme (voir ci-dessous) qui agit comme un séparateur d’air, séparant l’air primaire des flux d’air secondaires (air intermédiaire, de dilution et de refroidissement; voir la section Chemins d’écoulement d’air ci-dessous).

Dôme/tourbillonneur

Le dôme et le tourbillonneur sont la partie de la chambre de combustion que traverse l’air primaire (voir Trajets d’écoulement d’air ci-dessous) lorsqu’il entre dans la zone de combustion. Leur rôle est de générer de la turbulence dans le flux pour mélanger rapidement l’air avec le carburant. Les premières chambres de combustion avaient tendance à utiliser des dômes de corps de bluff (plutôt que des tourbillons), qui utilisaient une simple plaque pour créer une turbulence de sillage afin de mélanger le carburant et l’air. La plupart des conceptions modernes, cependant, sont stabilisées par tourbillons (utilisez des tourbillons). La tourbillonneuse établit une zone de basse pression locale qui force une partie des produits de combustion à recirculer, créant ainsi une turbulence élevée. Cependant, plus la turbulence est élevée, plus la perte de pression sera élevée pour la chambre de combustion, de sorte que le dôme et le tourbillonnant doivent être soigneusement conçus de manière à ne pas générer plus de turbulence que nécessaire pour mélanger suffisamment le carburant et l’air.

Injecteur de carburant

L’injecteur de carburant est responsable de l’introduction du carburant dans la zone de combustion et, avec le tourbillonnant (ci-dessus), est responsable du mélange du carburant et de l’air. Il existe quatre principaux types d’injecteurs de carburant; injecteurs d’atomisation sous pression, de soufflage d’air, de vaporisation et de prémélange / prévaporisation. Les injecteurs de carburant à atomisation par pression reposent sur des pressions de carburant élevées (jusqu’à 3 400 kilopascals (500 psi)) pour atomiser le carburant. Ce type d’injecteur de carburant présente l’avantage d’être très simple, mais il présente plusieurs inconvénients. Le système de carburant doit être suffisamment robuste pour résister à de telles pressions élevées, et le carburant a tendance à être atomisé de manière hétérogène, ce qui entraîne une combustion incomplète ou inégale qui contient plus de polluants et de fumée.

Le deuxième type d’injecteur de carburant est l’injecteur de souffle d’air. Cet injecteur “souffle” une feuille de carburant avec un courant d’air, atomisant le carburant en gouttelettes homogènes. Ce type d’injecteur de carburant a conduit aux premières chambres de combustion sans fumée. L’air utilisé est juste la même quantité d’air primaire (voir Chemins d’écoulement d’air ci-dessous) qui est détournée par l’injecteur, plutôt que par le tourbillonnant. Ce type d’injecteur nécessite également des pressions de carburant inférieures à celles du type à pulvérisation sous pression.

L’injecteur de carburant de vaporisation, le troisième type, est similaire à l’injecteur de souffle d’air en ce sens que l’air primaire est mélangé au carburant lorsqu’il est injecté dans la zone de combustion. Cependant, le mélange air-carburant traverse un tube à l’intérieur de la zone de combustion. La chaleur de la zone de combustion est transférée au mélange air-carburant, vaporisant une partie du carburant (en le mélangeant mieux) avant qu’il ne soit brûlé. Cette méthode permet de brûler le combustible avec moins de rayonnement thermique, ce qui aide à protéger le revêtement. Cependant, le tube du vaporisateur peut avoir de graves problèmes de durabilité avec un faible débit de carburant à l’intérieur (le carburant à l’intérieur du tube protège le tube de la chaleur de combustion).

Les injecteurs de prémélange/prévaporisation fonctionnent en mélangeant ou en vaporisant le carburant avant qu’il n’atteigne la zone de combustion. Cette méthode permet de mélanger très uniformément le carburant avec l’air, réduisant ainsi les émissions du moteur. Un inconvénient de cette méthode est que le carburant peut s’enflammer automatiquement ou brûler avant que le mélange air-carburant n’atteigne la zone de combustion. Si cela se produit, la chambre de combustion peut être gravement endommagée.

Allumeur

La plupart des allumeurs dans les applications de turbines à gaz sont des allumeurs électriques, similaires aux bougies d’allumage automobiles. L’allumeur doit être dans la zone de combustion où le carburant et l’air sont déjà mélangés, mais il doit être suffisamment en amont pour qu’il ne soit pas endommagé par la combustion elle-même. Une fois la combustion initiée par l’allumeur, elle est auto-entretenue et l’allumeur n’est plus utilisé. Dans les chambres de combustion annulaires et annulaires (voir Types de chambres de combustion ci-dessous), la flamme peut se propager d’une zone de combustion à une autre, de sorte que les allumeurs ne sont pas nécessaires dans chacune d’elles. Dans certains systèmes, des techniques d’assistance à l’allumage sont utilisées. L’une de ces méthodes est l’injection d’oxygène, où de l’oxygène est introduit dans la zone d’allumage, ce qui aide le carburant à brûler facilement. Ceci est particulièrement utile dans certaines applications aéronautiques où le moteur peut devoir redémarrer à haute altitude.

Voies d’écoulement d’airmodifier

Air primaire

C’est l’air de combustion principal. C’est de l’air hautement comprimé provenant du compresseur haute pression (souvent décéléré via le diffuseur) qui est alimenté par les canaux principaux dans le dôme de la chambre de combustion et le premier ensemble de trous de chemise. Cet air est mélangé avec du carburant, puis brûlé.

Air intermédiaire

L’air intermédiaire est l’air injecté dans la zone de combustion par le deuxième ensemble de trous de chemise (l’air primaire passe par le premier ensemble). Cet air complète les processus réactionnels, refroidissant l’air et diluant les fortes concentrations de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H2).

Air de dilution

L’air de dilution est un flux d’air injecté à travers des trous dans la chemise à l’extrémité de la chambre de combustion pour aider à refroidir l’air avant qu’il n’atteigne les étages de la turbine. L’air est soigneusement utilisé pour produire le profil de température uniforme souhaité dans la chambre de combustion. Cependant, à mesure que la technologie des pales de turbine s’améliore, leur permettant de résister à des températures plus élevées, l’air de dilution est moins utilisé, ce qui permet d’utiliser plus d’air de combustion.

Air de refroidissement

L’air de refroidissement est un flux d’air qui est injecté à travers de petits trous dans la chemise pour générer une couche (film) d’air frais pour protéger la chemise des températures de combustion. La mise en œuvre de l’air de refroidissement doit être soigneusement conçue afin qu’il n’interagisse pas directement avec l’air de combustion et le processus. Dans certains cas, jusqu’à 50% de l’air d’entrée est utilisé comme air de refroidissement. Il existe plusieurs méthodes différentes d’injection de cet air de refroidissement, et la méthode peut influencer le profil de température auquel le liner est exposé (voir Liner, ci-dessus).