Brevet FR2633370A1 — publié le 19891229

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle actif des instabilités de combustion. Les instabilités de combustion sont des oscillations de forte amplitude qui apparaissent dans les chambres de combustion d'installations telles que des moteurs d'avion, des moteurs fusées, des fours ou des brûleurs industriels. Ces oscillations sont extrêmement nocives et peuvent entraîner la baisse des performances du système, l'augmentation du bruit émis, et même, dans certains cas, la destruction complète du foyer par suite des vibrations engendrées. On connaît déjà un procédé de contrôle actif de ces instabilités dans lequel un microphone est utilisé pour détecter les variations de pression dans la chambre. Le signal de ce microphone est traité par un micro-ordinateur et renvoyé à des chambres de compression constituées par des haut-parleurs installés dans l'air d'alimentation de la flamme en amont du foyer. Lorsque la fonction de transfert entre le signal microphonique et le haut-parleur est correctement choisie, l'instabilité de combustion peut être supprimée. Bien que donnant d'une manière générale satisfaction, ce procédé présente l'inconvénient de consommer une énergie importante du fait de la grande quant d'air à exciter, et d'être par ailleurs difficile à mettre en oeuvre sur le plan des dispositifs de contrôle. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un procédé de contrôle actif des instabilités de combustion dans une chambre de combustion, dans lequel on détecte les instabilités dans la chambre, caractérisé par le fait que l'on module le débit de carburant injecté dans la chambre en fonction des instabilités détectées. La détection des instabilités peut consister par exemple à détecter les variations de pression ou les oscillations de la flamme dans la chambre de combustion. En ce qui concerne la modulation appliquée au débit de carburant, elle peut simplement comprendre un retard de temps par rapport aux instabilités détectées, ou encore une fonction de transfert plus complexe obtenue à l'aide d'un micro-ordinateur, qui peut être mieux adaptée au problème physique particulier et présenter en outre une fonction d'auto-adaptation. Le fait de moduler le débit de carburant présente un certain nombre d'avantages par rapport à l'excitation de l'air en amont du foyer. Tout d'abord, le débit à moduler est beaucoup plus faible de sorte que l'énergie nécessaire au contrôle est réduite. Par ailleurs, le fluide excité est souvent liquide, ce qui facilite la mise en oeuvre du procédé. Enfin, des dispositifs de contrôle de débit de carburant sont plus aisés à mettre en oeuvre dans des situations industrielles, car la régulation du régime se fait déjà généralement sur le carburant. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de détection pour détecter les instabilités dans la chambre de combustion, des moyens de contrôle du débit de carburant injecté dans la chambre, et des moyens de commande pour commander les moyens de contrôle en fonction des instabilités détectées. Les moyens de détection précités peuvent comprendre, par exemple, un microphone monté dans la chambre de combustion, ou un capteur optique monté pour détecter les oscillations de la flamme dans cette chambre. Des moyens de contrôle peuvent être constitués par un haut-parleur monté sur la ligne d'alimentation en carburant de la chambre de combustion. Enfin, les moyens de commande peuvent être constitués par une ligne à retard, ou comprendre un micro-ordinateur susceptible de mettre en oeuvre une fonction de transfert plus complexe. On décrira maintenant à titre d'exemple non iinitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention et, - la figure 2 est un diagramme représentant les résultats obtenus avec un dispositif de ce type. La figure 1 représente une chambre de combustion I alimentée en air par un conduit d'aspiration 2 et en carburant par une ligne d'alimentation 3 connectée à un brûleur 4. Afin de supprimer les instabilités de combustion dans la chambre 1, un microphone 5 est monté dans cette chambre et relié à une ligne à retard 6, éventuellement par l'intermédiaire d'un amplificateur. La sortie de la ligne à retard 6 est appliquée à l'entrée d'un amplificateur 7 dont la sortie commande un haut-parleur 8. La membrane du haut-parleur 8 forme une des parois d'une chambre de compression 9 connectée sur la ligne d'alimentation en carburant 3. Les oscillations détectées par le microphone 5 sont donc renvoyées à la ligne d'alimentation 3 par l'intermédiaire de la ligne à retard 6, de manière à moduler le débit de carburant injecté dans la chambre par le brûleur 4. On a pu constater qu'un tel dispositif permet de supprimer totalement les instabilités de combustion dans le cas d'un brûleur laminaire. La figure 2 montre les résultats obtenus dans le cas d'un brûleur turbulent. Cette figure représente le niveau de bruit mesuré en Pascals en fonction du temps de retard en millisecondes appliqué par la ligne à retard 6. En l'absence de dispositif de contrôle, le niveau de bruit était égal à 200 Pa (soit environ 140 dB acoustiques) et la fréquence de l'instabilité était de 280 Hz (soit une période de 3,6 ms). Par contre, lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre, le bruit est réduit de moitié, sur une très large gamme de valeurs de déphasage. Cette gamme (de 13 à 14,2 ms) correspond environ à 1/3 de la période du phénomène, et montre que le système est 'peu sensible à des variations de paramètres. En fait, une analyse spectrale non représentée révèle que le bruit résiduel est dû à la combustion turbulente mais que l'instabilité à 280 Hz a disparu. De plus, une observation de la chambre de combustion par strioscopie u.trarapide (10000 images/seconde) montre que les oscillations des flammes qui étaient la source de l'instabilité ont aussi disparu. Diverses variantes et modifications peuvent bien entendu être apportées à la description qui précède sans sortir pour autant du cadre ni de l'esprit de l'invention. C'est ainsi en particulier que d'autres moyens de contrôle du débit de carburant pourraient être utilisés, par exemple une vanne rotative ou une restriction réglable dans la canalisation 3. De même, le microphone 5 a été placé sur la chambre de combustion 1 mais il pourrait également être placé en amont de cette chambre sur le conduit d'aspiration 2. REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrôle actif des instabilités de combustion dans une chambre de combustion, dans lequel on détecte les instabilités dans la chambre, caractérisé par le fait que l'on module le débit de carburant injecté dans la chambre en fonction des instabilités détectées. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour détecter les instabilités, on détecte les variations de pression dans la chambre de combustion. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour détecter les instabilités, on détecte les oscillations de la flamme dans la chambre de combustion. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la modulation appliquée au débit de carburant comprend un retard de temps par rapport aux instabilités détectées. 5 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de détection (5) pour détecter les instabilités dans la chambre de combustion, des moyens de contrôle (8) du débit de carburant injecté dans la chambre, et des moyens de commande (6) pour commander les moyens de contrôle en fonction des instabilités détectées. 6 - Dispositif selon la revendication 5, car térisé par le fait que lesdits moyens de détection comprennent un microphone monté dans la chambre de combustion. 7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits moyens de détection comprennent un capteur optique monté pour détecter les oscillations de la flamme dans la chambre de combustion. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que lesdits moyens de contrôle comprennent un haut-parleur monté sur la ligne d'alimentation en carburant de la chambre de combustion. 9 - Dispositif selon Itune quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait que lesdits moyens de commande comprennent une ligne à retard.