Investigating combustion noise and instabilities in a gas turbine combustor : acoustic propagation and flame dynamics

La réduction des émissions de polluants et l’augmentation du rendement des moteurs ont conduit à une large utilisation de régimes de combustion pauvres en carburant dans les foyers de type moteurs aéronautiques et turbines à gaz. Des phénomènes de bruit et d’instabilités de combustion peuvent alors apparaître. Des fluctuations cycliques auto-entretenues de la pression au sein d’un foyer peuvent conduire à une limitation des régimes de fonctionnement ou une usure rapide et indésirable des installations et dans certains cas une destruction du système. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les mécanismes responsables du bruit de combustion et des instabilités dans un foyer turbulent prémélangé swirlé. L’étude repose sur une analyse du champ de pression au sein du foyer, de la dynamique de la combustion et une caractérisation détaillée des conditions limites en amont, aval et dans les lignes d’alimentation en combustible et en comburant. Le banc expérimental CESAM ("Combustion Étagée Swirlée Acoustiquement Maîtrisée") est utilisé au cours de ce travail. Basée sur des observations expérimentales, une étude théorique de l’acoustique du foyer est tout d’abord réalisée grâce à un modèle à deux cavités couplées qui modélisent le tube de prémélange et la chambre de combustion de ce banc. Les fréquences et les structures spatiales des modes propres du foyer sont examinées, et des comparaisons sont menées avec les résultats expérimentaux. La condition limite au fond du tube de prémélange est mesurée, et utilisée comme entrée dans le modèle. L’effet de cette condition sur la prévision des fréquences des modes propres est examiné. Par la suite, le code de calcul AVSP est utilisé pour valider les résultats obtenus avec le modèle couplé. L’interaction entre ces modes acoustiques et la flamme est mise en évidence en caractérisant la dynamique de l’écoulement réactif. La vélocimétrie par images de particules (PIV) à haute cadence est utilisée. Une première étude est menée sur les champs de vitesse moyens et fluctuants puis on s’intéresse à l’analyse spectrale des champs de vitesse instantanés, rendue possible par la haute cadence du diagnostic. Un post-traitement faisant intervenir une méthode de détection des tourbillons est ensuite mis en oeuvre en utilisant le critère _2. Des structures cohérentes sont convectées le long du front de flamme à la fréquence du second mode instable du foyer. Le chapitre précédent ayant permis de montrer que ce mode acoustique était essentiellement associé au tube de prémélange, le mécanisme de couplage est clairement identifié. Par la suite, un traitement en moyenne de phase est appliqué aux champs de vitesse axiale. Des mouvements de battements des bras de la flamme dans les directions longitudinale et transverse sont mis en évidence aux fréquences des modes instables. L’émission naturelle de la flamme est également mesurée avec une caméra rapide. Une analyse spectrale et un traitement en moyenne phase avec transformée d’Abel sont appliqués aux images pour caractériser les régions de la flamme présentant une forte réponse aux fréquences des modes acoustiques du foyer. Les mécanismes à l’origine du bruit sont analysés en corrélant les mesures optiques et acoustiques. Au cours de cette étude, des fonctions de transfert de flamme FTF sont également caractérisées aux fréquences des modes propres du foyer, liant perturbations amont et réponse de flamme. La vitesse acoustique est reconstruite dans le tube de prémélange à partir des mesures des microphones. La FTF est calculée grâce aux mesures de vitesse par PIV, à l’émission des radicaux OH* et CH* et à l’émission naturelle de la flamme obtenue par caméra rapide. La caractérisation et la modélisation du système composé du tube de prémélange et de la chambre de combustion montrent qu’il est nécessaire de s’intéresser à l’influence des conditions aux limites sur les propriétés de la flamme et la stabilité du brûleur.Lean premixed combustion is widely used to limit pollutant emissions and improve efficiency. However in this situation combustion instabilities and associated noise may occur. The growth of self-sustained pressure fluctuations within the combustor may limit the operating conditions and eventually damage the installation. The objective of this work is to study the mechanisms induced in combustion noise and instabilities in a turbulent premixed swirled burner. The study is based on a detailed analysis of the pressure field of the combustor, the flame dynamics and a characterization of the upstream and downstream acoustic boundary conditions and in the air and fuel feeding lines. Based upon experimental investigations, a theoretical study of the burner acoustics is carried out using a low-order model with two coupled cavities. The eigenfrequencies and spatial distribution of the pressure field are obtained, allowing comparisons with experimental results. The impact of the inlet acoustic impedance on the prediction of the eigenmodes is examined through the use of the measured impedance in the model. Thereafter calculations with the AVSP Helmholtz code are carried out to confirm the results obtained with the loworder model. The interactions between the burner acoustic modes and the flame are investigated and the reacting flow dynamics is characterized, using High Speed Particle Image Velocimetry HSPIV at 15 kHz. A first analysis concerns the mean and fluctuating velocity fields and a spectral analysis of the collection of instantaneous velocity fields is carried out. Then a method based on the _2 criterion is used to detect vortices, showing that coherent structures are convected through the flame front at the frequency of the second unstable combustor mode. It is shown in the previous chapter that this mode is essentially associated with the premixer acoustics, allowing a clear coupling scenario between the acoustics and the flame. A phase locked averaging method is applied to the axial velocity fields. Flapping motions of the flame branches are highlighted in longitudinal and transverse directions at the unstable modes frequencies. The natural light emission from the flame is also measured using a fast camera. Spectral analysis and phase locked averaging with Abel transform are applied to images in order to determine the flame regions where a strong response is visible at the acoustic modes. Mechanisms underlying combustion noise are analyzed by correlating the optical and acoustic measurements. Flame transfer functions FTF are also characterized between upstream disturbances and the flame response at the combustor eigenfrequencies. Acoustic velocity is reconstructed in the premixer using microphones measurements. The FTF is calculated using PIV velocity fields, OH* or CH* intensities and flame natural light emissions measurements. Measurements and modeling show that boundary conditions play a crucial role in the burner stability. The acoustic impedance at the premixer inlet can be modified using an impedance control system (ICS). Thus, the pressure field and flame dynamics are characterized for different boundary conditions imposed by the ICS. The acoustic boundary conditions in the feeding lines are characterized using an Impedance Measurement Device (IMD) equipped with microphones and mounted within the supplies