Etude expérimentale des mécanismes d'instabilité dans un brûleur à injection étagée (application aux turbines à gaz)

Cette étude expérimentale vise à analyser les mécanismes d'instabilité dans un brûleur à injection étagée. Pour cela, un brûleur académique a été dimensionné de façon à être représentatif des turbines industrielles. La caractérisation complète de ce brûleur a ensuite été réalisée par la mise en place de diagnostics variés. L'analyse spectrale des régimes de fonctionnement du brûleur a mis en évidence des régimes instationnaires, propices au développement d'instabilités. En parallèle, les émissions polluantes sont minimales pour les pulsations maximales, du fait de l'amélioration locale du mélange. Cet effet antagoniste est associé à l'effet local de l'étagement sur la structure, et plus particulièrement, sur la position du point de stabilisation de l'écoulement. L'étude aérodynamique de l'écoulement non-réactif a permis d'identifier un " vortex breakdown ", méthode classique de stabilisation des écoulements à fort nombre de swirl. Plus précisément, l'écoulement rotationnel induit un " Precessing Vortex Core " avec une importante zone de recirculation interne. La fréquence de rotation de la structure a été estimée proche des fréquences rencontrées dans les mécanismes d'instabilité, la similarité entre écoulement froid et réactif restant à déterminer. Une étude précise de la structure de flamme nous a permis d'associer l'effet de l'étagement à la position et la forme globale de la zone de réaction. Fort de l'expérience acquise sur le brûleur académique concernant les mécanismes d'instabilité, une configuration semi-industrielle est étudiée. L'établissement de la fonction de transfert du brûleur doit permettre l'analyse de stabilité du système.This experimental study aims to analyse instability mechanisms in an injection-staged burner, as in gas turbines. Therefore, an academic burner has been designed to be representative of industrial configurations. The complete characterization of this burner has been performed with different diagnostics: laser induced fluorescence, particle imaging velocimetry, laser tomography, etc. Spectral analysis of the burner has revealed non-stationary regimes, necessary in the development of unstable modes. In parallel, pollutant emissions are minimized for high levels of pulsation, as mixing is locally improved. This antagonist behaviour is associated to the influence of staging on flame structure and more particularly on the position of flame stabilization. A study of non-reactive flow aerodynamics enables to identify a vortex breakdown stabilization, typical of high-swirl burners. Precisely, the swirl movement implies a structure of Precessing Vortex Core , with an important internal recirculation zone. The stagnation point of this PVC is located in the injection system. The rotation frequency of the structure has been estimated near frequencies observed for unstable regimes. But, the similarity between non-reactive and reactive flows needs to be demonstrated. A detailed study of flame structure points out the link between staging and global shape and position of the reaction zone. With knowledge acquired on academic burners concerning instability mechanism, an industrial configuration has been implemented. The establishment of transfer functions enables to analyse the response of the burner to external pulsations.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF