Brevet FR2657921A1 — publié le 19910809

-l La présente invention concerne une commande active pour supprimer les instabilités à basse fréquence provoquées par une combustion dans les moteurs, les chambres de combustion et les chambres de post-combustion. La plupart des moteurs d'avions, de leurs chambres de post-combustion et des chambres de combustion fixées au sol alimentées par un gaz et un liquide présentent dans certaines conditions de fonctionnement, une instabilité d'un type ou d'un autre, laquelle est provoquée par la combustion Les instabilités dans les moteurs principaux des avions et des chambres de combustion fixées au sol sont généralement dans la gamme des basses fréquences alors que celles qu'on rencontre dans les chambres de post-combustion sont des oscillations tant de basse fréquence que de haute fréquence. Il est classique que les instabilités dans la gamme des hautes fréquences soient susceptibles d'un traitement passif par des garnitures acoustiques et par d'autres moyens de ce genre Cependant, ces dispositifs ne sont pas très efficaces pour la suppression des oscillations dans la gamme des basses fréquences. Les chambres de combustion des moteurs principaux des avions et leurs chambres de post-combustion ainsi que les chambres de combustion des turbines présentent dans certaines conditions des oscillations provoquées par une combustion instable à la suite du couplage d'oscillations instables dues au dégagement de la chaleur et des fluctuations de la pression acoustique De telles oscillations, si elles ne sont pas supprimées, peuvent dans les cas extrêmes devenir très importantes et se traduire par une désintégration physique du matériel Au pire, de telles oscillations se traduisent par une fatigue inacceptable du métal et sont donc indésirables. Les moyens classiques permettant de supprimer de telles oscillations dans des systèmes pratiques sont limités aux dispositifs passifs tels que les garnitures acoustiques ou les résonateurs de Helmotz La plupart des dispositifs de ce type sont relativement inefficaces pour supprimer les oscil- lations de basse fréquence ( 500 Hz ou moins) Les dispositifs courants sont limités quant à leur enveloppe de fonctionne- ment et n'agissent pas à leur optimum pour éviter les oscillations potentiellement néfastes. On a exécuté des travaux de recherche en laboratoire sur les commandes actives en utilisant des hauts-parleurs comme moyen d'actionnement permettant de modifier les condi- tions acoustiques limites dans les chambres de combustion. Les procédés de commande active basés sur des hauts-parleurs, bien que très attrayants comme outils de recherche, ne constituent pas un moyen pratique pour la suppression des instabilités dans la gamme des hautes fréquences à cause de l'énergie de sortie relativement faible des hautsparleurs et de leurs grandes dimensions physiques. On a effectué des travaux dans lesquels des commandes actives ont été mises en oeuvre en modulant un certain pourcentage de l'écoulement du carburant gazeux à un endroit très proche du stabilisateur de flammes On a rapporté une réduction du niveau sonore atteignant 1 Od B dans une chambre de combustion à l'échelle du laboratoire en modulant le débit gazeux par utilisation d'actionneurs du type marche-arrêt dans un mode à réaction Cependant, l'emploi d'un carburant gazeux est limité aux chambres de combustion des turbines à gaz, et pour la plupart des dispositifs pratiques dont les chambres de combustion et les chambres de post-combustion pour avion utilisant un carburant liquide, on ne connait aucune étude d'application des procédés de commande active pour supprimer les oscillations provoquées par la combustion utilisant la modulation du débit du carburant La présente invention peut s'appliquer tant aux chambres de combustion principales qu'aux chambres de post-combustion dans des moteurs d'avion et dans des chambres de combustion principa- les alimentées en carburant liquide installées au sol Dans de tels dispositifs, le carburant est généralement injecté juste en amont du stabilisateur de la flamme sous forme d'une pulvérisation de liquide avec une certaine sorte d'atomisa- tion à base de tourbillons d'air La flamme est stabilisée dans l'onde de remise en circulation ou tourbillons en aval du stabilisateur de flamme. La présente invention a pour objet une commande active pour supprimer les instabilités dans la gamme des basses fréquences provoquées par la combustion dans des moteurs, chambres de combustion et chambres de postcombustion sans altérer les performances. Selon un aspect de la présente invention, on prévoit une commande active pour contrôler les instabilités provo- quées par la combustion dans une chambre de combustion avec un moyen fournissant du carburant atomisé situé dans la chambre de combustion La commande active comporte un moyen de transducteur de pression afin de mesurer les fluctuations de la pression dans la chambre de combustion et un moyen de servovanne pour moduler la quantité du carburant transmis au moyen fournissant le carburant atomisé Un moyen de déphasage relie le transducteur de pression à la servovanne Le déphasage est réglé de façon que la quantité du carburant fourni pour la combustion pendant les pointes de pression soit réduite de manière à abaisser les fluctuations de la pression dans la chambre de combustion. La suite de la description se réfère aux figures 4 - annexées qui représentent respectivement figure 1, une vue en coupe d'un moteur à réaction, donné à titre d'exemple, avec une commande active pour supprimer les instabilités provoquées par la combustion dans la gamme des basses fréquences dans la chambre de combustion, selon un mode de réalisation de la présente invention; figure 2, une vue en coupe d'un moteur à réaction, donné à titre représentatif, avec une commande active pour supprimer les instabilités provoquées par la combustion dans la gamme des basses fréquences dans la chambre de post- combustion, selon un autre mode de réalisation de la présente invention; la figure 3 est un graphe du spectre de puissance mesuré sur une échelle logarithmique en volts par un transducteur de pression dynamique en fonction de la fré- quence dans une chambre de post-combustion simulée, un mode de réalisation de la commande active de la présente invention étant hors- service; et figure 4, un graphe du spectre de puissance mesuré sur une échelle logarithmique en volts par un transducteur de pression dynamique en fonction de la fréquence dans une chambre de post-combustion simulée, un mode de réalisation de la commande active de la présente invention étant en marche. On se reportera maintenant aux dessins dans lesquels les mêmes numéros de référence représentent des éléments identiques et en particulier à la figure 1, dans laquelle on a représenté un moteur à réaction 1 muni d'une commande active modulant l'écoulement du carburant fourni à l'un des injecteurs 5 de carburant de la chambre de combustion Le moteur 1 comprend un logement 7 généralement cylindrique, ouvert à ses deux extrémités Un compresseur 11 comporte un rotor sur un arbre commun avec le rotor d'une turbine 13 Le compresseur et la turbine sont situés dans le logement De l'air est introduit dans un orifice d'admission du compres- seur par l'intermédiaire d'un diffuseur d'admission et d'un - système de tuyauterie 15 situés à une extrémité du logement. L'air est alors comprimé par le compresseur dynamique 11 et introduit dans une chambre de combustion 17 de forme annulaire Une multitude d'injecteurs de carburant 5, situés chacun au centre d'une coupe 21 de tourbillonnement intro- duisent du carburant devant être mélangé à l'air et brûlé En aval de la chambre de combustion, l'air chauffé se détend dans la turbine pour obtenir de la puissance afin d'entraîner le compresseur L'air peut en outre être chauffé par la combustion supplémentaire d'une plus grande quantité de carburant dans une chambre de combustion appelée chambre de post-combustion 23 La chambre de post- combustion est située à proximité de l'autre extrémité du logement et comprend un cône 25 formant diffuseur, une multitude de barres 27 de pulvérisation de carburant s'étendant vers l'intérieur du logement Un premier jeu de barres de pulvérisation entoure le diffuseur cÈnique 25; un autre jeu de barres de pulvérisation s'étend radialement vers l'intérieur, plus en aval Les barres de pulvérisation comportent chacune des orifices perpendiculaires à l'écoulement d'air, ce qui provoque l'atomisation du carburant et sa vaporisation par le courant d'air lorsque le carburant sort de la barre de pulvérisation A une courte distance en aval du carburant sortant du premier jeu de barres de pulvérisation se trouve un premier stabilisteur annulaire de flamme 31 ayant une section transversale en forme de V, qu'on appelle également gouttière en V Le sommet du V est pointé vers l'amont La flèche 33 donne une indication du sens de l'écoulement de l'air Un second stabilisateur annulaire de flamme 35 ayant une section transversale en forme de V est en aval du premier stabilisateur de flamme, à une courte distance en aval du carburant sortant du second jeu de barres de pulvérisation. Le second stabilisateur de flamme est maintenu par des éléments de support 37 à partir du logement Le premier stabilisateur de flamme est maintenu par des éléments de 6 - support 41 à partir du second stabilisateur. Une commande active comprenant un transducteur 43 de pression dynamique est situé dans la chambre de combustion en aval de l'injecteur de pulvérisation 5 afin de mesurer les fluctuations de la pression Le signal électrique fourni par le transducteur de pression est appliqué à un filtre et à un pré-amplificateur représentés dans un bloc 45 Le filtre élimine la composante à courant continu du signal ainsi que le bruit de haute fréquence Le signal amplifié et filtré est appliqué à un déphaseur représenté dans un bloc 47 qui est ajusté en matière du retard introduit par la position du capteur par rapport à l'injecteur de carburant, du retard provoqué par la servovanne et du retard dû à l'évaporation du carburant et à sa combustion Le réglage du déphaseur peut s'effectuer en ajustant la valeur du déphasage nécessaire pendant le fonctionnement réel ou bien on peut utiliser une commande adaptative qui fournit le déphasage approprié aux différentes fréquences Le signal déphasé est fourni par l'intermédiaire d'un amplificateur représenté dans un bloc 51 à une servovanne 53 qui est reliée à une conduite de carburant 55 alimentant l'un des injecteurs de carburant 5. La servovanne 53 module une partie de l'écoulement du carburant fourni par son intermédiaire La réponse de la commande à réaction est limitée principalement par celle de la servovanne 53 On peut se procurer une servovanne avec une réponse de 150 Hz, par exemple, dans la série 73 fabriquée par la société dite Moog Inc, East Aurora, New York, par exemple. On pense que le mécanisme principal responsable des instabilités dans la gamme des hautes fréquences réside l'interaction entre des oscillations instables dues à la chaleur et les fluctuations de la pression acoustique et dans le fait que l'interaction résultante représente un équilibre très délicat entre l'apport d'énergie au système et l'énergie qu'il perd Lord Rayleigh fut le premier à faire ressortir le -7- fait que, pour que l'instabilité d'une combustion se main- tienne d'elle-même, le dégagement de chaleur instable et la pression instable doivent être en moyenne "en phase" au cours d'un cycle La plupart des chambres de combustion pratiques sont très légèrement amorties et l'équilibre entre l'apport d'énergie au système à la suite de la mise en phase du dégagement instable de chaleur et de la pression et la perte d'énergie par le système provoquée par les pertes acoustiques et autres pertes visqueuses est très délicat Un déphasage minimum du dégagement de chaleur instable vis-à-vis des oscillations de la pression acoustique dans le bon sens peut, par conséquent, être suffisant pour contrarier cet équilibre délicat et supprimer de telles oscillations La commande active module l'écoulement du carburant (et par conséquent le dégagement instable de chaleur) suivant un faible pourcentage dans un mode à réaction pour se traduire dans un déphasage suffisant entre le dégagement instable de chaleur et les fluctuations de la pression instable pour les désaccoupler effectivement et donc supprimer les oscillations Les modula- tions de l'écoulement du carburant par la servovanne rédui- sent l'écoulement du carburant dont on dispose pour la combustion pendant les pointes de pression. En liaison maintenant avec la figure 2, on a repré- senté un moteur à réaction 1 du type illustré en figure 1 ainsi qu'une commande active 3 Un transducteur de pression dynamique 43 n'est pas placé dans la chambre de combustion 17 comme auparavant, mais se trouve dans la chambre de post- combustion 23 Une servovanne 53 module l'écoulement du carburant fourni aux barres de pulvérisation 27 et non à l'injecteur de carburant 5 En marche, du carburant liquide est injecté dans le courant d'air chaud à coécoulement par l'intermédiaire de petits orifices ménagés dans les barres de pulvérisation de carburant juste en amont des stabilisateurs de flamme 31 et 35 (dans ce cas, des gouttières en V) Le carburant se mélange alors à l'air chaud et est atomisé et 8 - vaporisé alors qu'il se propage vers l'aval Alors que le mélange carburant-air partiellement pré-mélangé circule sur les lèvres des stabilistateurs de flamme, des tourbillons sont provoqués dans le sens de l'envergure Les tourbillons ont un axe de rotation perpendiculaire au sens de l'écoule- ment Les tourbillons se propagent alors vers l'aval, entraînent les produits chauds en circulation, s'accouplent et croissent, et après un certain laps de temps (en fonction de la vitesse du carburant, etc) brûlent et libèrent de la chaleur qui modifie alors le champ de pression dynamique dans la chambre de post-combustion 23 Les fluctuations résul- tantes de la pression au droit des lèvres de la gouttière en V provoquent à leur tour un autre jeu de tourbillons et le processus se répète Si la fréquence à laquelle ce processus se produit est appariée au mode de résonance acoustique de la chambre de post-combustion (en fonction de la géométrie), un couplage a lieu et il se développe des instabilités dans la gamme des hautes fréquences Les tourbillons ont pour objet de mélanger les réactifs relativement plus froids aux produits chauds en circulation et par conséquent jouent un rôle déterminant dans le maintien de la flamme Cependant, les mêmes tourbillons se traduisent par des oscillations provoquées par une combustion instable se maintenant, même si le carburant est injecté en amont du stabilisateur de flamme de façon stable. La commande additive 3 module le carburant injecté en amont du stabilisateur de flamme suivant une petite quantité avec le déphasage approprié de façon que les tourbillons qui brûlent en phase avec les oscillations de la pression contiennent un peu moins de carburant (et par conséquent libèrent une énergie plus faible) que les tourbillons qui sont déphasés Cette solution se traduit par un dégagement de la chaleur qui est suffisamment "déphasé" par rapport aux oscillations de la pression, "en moyenne" pour se traduire par la suppression des oscillations Cependant, le déphasage 9 - approprié qui est nécessaire ne peut être calculé a priori car les retards ne sont pas connus; par conséquent, la commande fonctionne dans un mode à réaction. On a utilisé une chambre de combustion de 7,5 x 7,5 cm présentant des instabilités dans la gamme des hautes fré- quences pour simuler un fonctionnement avec post-combustion. Le stabilisateur de flamme était du type à gouttière en V (blocage de 33 %) et le carburant était injecté à une distance de 15 cm en amont du stabilisateur de flamme en utilisant un injecteur d'atomisation classique à tourbillons L'air était préchauffé à une température d'environ 3150 C par un disposi- tif électrique de préchauffage pour aider à l'atomisation du carburant liquide (kérosène) En l'absence de commande active, la chambre de combustion présentait un mode d'insta- bilité quart d'onde longitudinale avec une fréquence domi- nante de 130 Hz La figure 3 représente le spectre de puissance mesuré par un transducteur de pression dynamique situé 60 cm en amont du stabilisateur de flamme. La boucle de réaction de la commande active était constituée d'un transducteur situé 60 cm en amont du stabili- sateur de flamme qu'on utilisait en capteur, d'un filtre à bande passante d'ordre élevé du type dit Kronhite, d'un amplificateur de la société Tektronix, d'un amplificateur de blocage PAR comme déphaseur, et d'une servovanne dite Moog commandée électroniquement comme actionneur La servovanne modulait l'écoulement du carburant en réponse au signal d'entrée traité Avec une amplification appropriée et une valeur convenable pour le déphasage dans la boucle de réaction, on a observé une réduction importante de l'activité dynamique dans la chambre de combustion La figure 4 représente le spectre mesuré de la puissance au même emplacement dans la chambre de combustion alors que le système de commande active est en marche Comme on le voit dans la figure, il y a une chute considérable de l'activité dynamique à la fréquence dominante des oscillations Le - niveau de la pression sonore d'ensemble dans la chambre de combustion s'est avéré être réduit d'environ 4 d B lorsque le système de commande active est "en marche" Il y a un apport minimal d'énergie supplémentaire pour le système et on a estimé que l'écoulement du carburant était modulé de seule- ment 5 % du débit moyen du carburant Il apparaît aussi que des modes de rang plus élevé ont été sensiblement réduits même si ceux-ci se trouvent à l'extérieur de la largeur de bande de l'actionneur. Les commande de réaction représentées en figure 1 et en figure 2 peuvent être mises en oeuvre sous forme de circuits numériques et analogiques Alors qu'on a représenté seulement un injecteur de carburant qui reçoit une alimenta- tion modulée en carburant, le carburant fourni à plusieurs injecteurs peut être modulé D'une façon similaire, le carburant fourni à plusieurs barres de projection peut également être modulé. La description précédente a porté sur une commande active pour supprimer les instabilités dues à la combustion en basse fréquence dans des moteurs, chambres de combustion et chambres de combustion sans altérer les performances. il - REVENDICATIONS 1 Commande active ( 3) afin de contrôler les instabi- lités dues à la combustion dans des chambres de combustion ( 17) avec des moyens ( 31, 41) pour fournir du carburant atomisé se trouvant dans la chambre de combustion, caracté- risé en ce qu'elle comprend: un moyen de transducteur de pression ( 43) afin de mesurer les fluctuations de la pression dans la chambre de combustion, un moyen de servovannes ( 53) afin de moduler la quantité du carburant entrant dans les moyens fournissant du carburant atomisé, et un moyen de déphasage ( 47) accouplant le transducteur de pression à la servovanne, le moyen de déphasage étant ajusté pour que la quantité du carburant fourni pour la combustion pendant les pointes de pression soit réduite afin de diminuer les fluctuations de la pression dans la chambre de combustion. 2 Commande active selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le moyen de servovanne ( 53) module environ 5 % de la totalité du carburant fourni à la chambre de combus- tion. 3 Commande active selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'elle comprend en outre un moyen de filtre ( 45) situé entre le moyen de transducteur de pression ( 43) et le moyen de déphasage ( 47) afin d'éliminer la composante à courant continu du signal ainsi que le bruit. 4 Commande active selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'elle comprend en outre un moyen d'amplifica- teur ( 51)monté entre le moyen de déphasage ( 47) et la servovanne ( 53) afin d'augmenter le gain du signal fourni par le moyen de déphasage pour commander le moyen de servovanne. Moteur à réaction présentant des instabilités réduites de la combustion, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de combustion ( 17); 12 des moyens ( 31, 35) pour fournir du carburant atomisé, montés dans la chambre de combustion; un moyen de transducteur de pression ( 43) afin de mesurer les fluctuations de la pression dans la chambre de combustion; un moyen de servovanne ( 53) afin de moduler le carburant fourni aux moyens fournissant du carburant atomisé, et un moyen de déphasage ( 47) accouplant le moyen de transducteur de pression au moyen de servovanne, le moyen de servovanne étant ajusté de façon que la quantité du carburant fourni pour combustion pendant les pointes de la pression soit réduite afin de diminuer les fluctuations de la pression dans la chambre de combustion. 6 Moteur à réaction selon la revendication 5, caractérisé en ce que la chambre de combustion est une chambre de post-combustion ( 23).