Table Of ContentEtude de la stabilité et des émissions polluantes des
flammes turbulentes de prémélange pauvre à haute
pression appliquées aux turbines à gaz
David Vauchelles
To cite this version:
David Vauchelles. Etude de la stabilité et des émissions polluantes des flammes turbulentes de
prémélange pauvre à haute pression appliquées aux turbines à gaz. Physique [physics]. INSA de
Rouen, 2004. Français. NNT: . tel-00009334
HAL Id: tel-00009334
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Submitted on 30 May 2005
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THÈSE
Présentée
A L'INSTITUT NATIONAL
DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN
En vue de l'obtention du titre de
Docteur de l'institut National des Sciences Appliquées de Rouen
Discipline : Physique
Spécialité : Energétique
Par
David VAUCHELLES
ETUDE DE LA STABILITE ET DES EMISSIONS
POLLUANTES DES FLAMMES TURBULENTES DE
PREMELANGE PAUVRE A HAUTE PRESSION
APPLIQUEES AUX TURBINES A GAZ
Soutenue le 20 décembre 2004
Directeur de thèse: Abdelkrim BOUKHALFA
Membres du Jury
Rapporteurs : I. GOKALP Directeur de recherche CNRS, LCSR, Orléans
J.M. MOST Directeur de recherche CNRS, LCD ENSMA, Poitiers
Examinateurs: A. BOUKHALFA Professeur à l'INSA de Rouen, CORIA
J.C. BRODA Ingénieur de recherche à MICROTURBO, Toulouse
G. CABOT Maître de conférences à l'Université de Rouen, CORIA
D. ESCUDIÉ Directeur de recherche CETHIL, Lyon
J-C. SAUTET Professeur à l'Université de Rouen, CORIA
Je voudrais d’abord remercier les personnes qui de près ou de loin ont contribué à cette
thèse.
Mes premiers remerciements s’adressent à Monsieur Michel Ledoux, Directeur du CORIA
pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire et ainsi m’avoir permis de réaliser une thèse
dans d’excellentes conditions de travail.
Je remercie mon directeur de thèse Mourad Boukhalfa pour m’avoir fait confiance et confié
ce sujet de thèse.
Un grand merci à Gilles Cabot que j’ai eu le plaisir de côtoyer durant ces années. Ton aide et
tes compétences m’ont énormément appris.
Je tiens également à remercié les membres de l’IUT génie thermique pour m’avoir très bien
accueilli et intégré dans leur équipe lors de mon stage de DEA puis ensuite au début de ma
thèse.
Je remercie également les membres de l’atelier du CORIA et de l’IUT qui ont été fortement
sollicité et sans qui cette thèse n’aurais pu être accomplie.
Merci à tous mes compagnons de thèse et en particulier mon collègue ‘TAGiste’ et mon
collègue de bureau. Je n’oublierai pas l’ambiance unique de l’1D20….
Enfin, mes remerciements vont à toutes les personnes présentes le 20 décembre 2004 et en
particulier à ma famille qui ma soutenue durant ces années d’études.
A mes parents
SOMMAIRE
SOMMAIRE.............................................................................................................................1
NOMENCLATURE........................................................................................................................3
INTRODUCTION GENERALE........................................................................................................5
CHAPITRE I - CONTEXTE DE L'ETUDE......................................................................................7
I. 1 - OXYDES D’AZOTE ET MONOXYDE DE CARBONE.................................................................9
I. 2 - FLAMME DE PREMELANGE PAUVRE..................................................................................14
I. 3 - INSTABILITES...................................................................................................................15
I. 4 - DIMENSIONNEMENT DES TURBINES A GAZ.......................................................................23
I. 5 - OBJECTIF DE LA THESE.....................................................................................................32
CHAPITRE II - DISPOSITIF EXPERIMENTAL............................................................................33
II. 1 - DIMENSIONNEMENT DU BRULEUR..................................................................................35
II. 2 - DESCRIPTION DU BANC D’ESSAIS....................................................................................36
II. 3 - TECHNIQUES DE MESURES..............................................................................................44
II. 4 - TRAITEMENTS DES DONNEES..........................................................................................54
CHAPITRE III - ETUDE DE LA CONFIGURATION DE REFERENCE............................................59
III. 1 - CHAMPS AERODYNAMIQUES.........................................................................................61
III. 2 - MESURES DE L'EMISSION SPONTANEE DU RADICAL CH*................................................66
III. 3 - INSTABILITES................................................................................................................71
III. 4 - ETUDE DES POLLUANTS.................................................................................................88
III. 5 - CONCLUSION.................................................................................................................90
CHAPITRE IV - ETUDES PARAMETRIQUES..............................................................................93
IV. 1 - INFLUENCE DU DEBIT TOTAL.........................................................................................95
IV. 2 - INFLUENCE DE LA TEMPERATURE DE PRECHAUFFAGE DE L’AIR ..................................108
IV. 3 - INFLUENCE DES CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DE L’INJECTEURS......................115
IV. 4 - INFLUENCES DE L’AIR SECONDAIRE............................................................................132
IV. 5 - INFLUENCE D’UN DIVERGENT......................................................................................154
IV. 6 - CONCLUSION..............................................................................................................162
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES.........................................................................165
BIBLIOGRAPHIES....................................................................................................................168
ANNEXE 1 : CARACTERISTIQUES DU GAZ NATUREL..........................................................175
ANNEXE 2 : PERTES DE CHARGE DE L'INJECTEUR............................................................176
ANNEXE 3 : EMISSION DE CH* POUR LES DIFFERENTES DISTANCES D ...........................179
IA
1
Nomenclature
a Vitesse du son
o
d Diamètre de l’orifice de la flamme pilote
f
d Distance entre le fond de la chambre de combustion et l’arrivée d’air secondaire
ia
F Fréquence d’échantillonnage
e
C Capteur de pression dynamique de l'alimentation en air
air
C Capteur de pression dynamique de la chambre de combustion
chb
C Capteur de pression dynamique de l'alimentation en gaz
gaz
P Pression statique de la chambre de combustion
ch
p Pression dynamique de la chambre de combustion
ch
ppmv Partie par million en volume
PVC Precessing Vortex Core
S Nombre de swirl
S Densité spectrale de x
XX
S Densité spectrale de y
YY
S Densité spectrale croisée de x et y
XY
S Injecteur à swirl avec un nombre de swirl de 0.3
0.3
U Vitesse axiale
u.a Unité arbitraire
V Vitesse radiale
V Pouvoir comburivore
ao
V Pouvoir fumigène sec
fo
W Vitesse tangentielle
ZRI Zone de Recirculation Interne
ZRC Zone de Recirculation de Coin
ψ Angle de l'écoulement à la sortie de l'injecteur avec l'axe du brûleur
φ Richesse globale
g
φ Richesse primaire
p
φ Richesse limite où l'instabilité à 130 Hz domine
gL
θ Angle des pales du swirl avec l'axe de l'injecteur
3
Description:naturel/air de turbine à gaz bas-NOX fonctionnant en prémélange pauvre. Le premier chapitre de ce rapport fournit le cadre de cette thèse. Le contexte général, les raisons de cette étude, ainsi que les objectifs y sont décrits. Nous commencerons par expliquer pourquoi Microturbo a choisi la
