Brevet FR3051508A1 — publié le 20171124

Arrière-plan de l'invention L'invention se rapporte à un système de combustion par détonation continue assisté par plasma. Il est connu que pour diminuer significativement la 5 consommation spécifique d'une turbomachine aéronautique à turbine à gaz (turbomoteur, turbosoufflante, turbopropulseur, etc...), il convient de modifier son cycle thermodynamique. Les turbines à gaz conventionnelles fonctionnent selon le cycle de Brayton où la combustion se déroule à pression constante (isobare) et 10 dans un régime de déflagration (propagation du front de combustion via la diffusion moléculaire et thermique). Pour permettre une amélioration de 10% à 20% du rendement thermique d'une machine, il est connu de recourir à la combustion dans un régime de détonation (propagation du front de combustion via le couplage entre une onde de choc et la zone de 15 réaction chimique). La communauté scientifique à l'habitude de citer Fickett & Jacobs pour le cycle thermodynamique associé à ce mode de combustion. Actuellement, plusieurs solutions existent pour obtenir un régime de détonation dans une chambre de combustion. 20 Une première solution connue sous le nom de PDE (Pulse Detonation Engine) consiste à initier périodiquement une détonation après le remplissage de la chambre de combustion avec un mélange détonant. Après la détonation, les gaz brûlés doivent être purgés et le cycle recommence. L'inconvénient de cette solution est qu'il faut déclencher une 25 détonation pour chaque cycle et ceci à des fréquences de l'ordre de 100Hz. Dans cette solution, le système d'allumage est l'élément critique (pour causes de taille, fiabilité, etc.) et un système de vannage à l'amont de la chambre de combustion est nécessaire. Une autre solution qui corrige en partie l'inconvénient de la 30 première, consiste à initier la détonation une seule fois et ensuite à maintenir une onde de détonation stationnaire ou tournante. Dans ce dernier cas, l'injection d'un mélange détonant se fait axialement dans une chambre de combustion annulaire, et l'onde de détonation se propage de façon circonférentielle. Connu sous le nom de RDE (Rotating Detonation 35 Engine), l'intérêt de ce système pour la propulsion anaérobie (moteur fusée) est maintenant admis par la communauté scientifique. En 305 1 508 2 revanche, cette solution technologique ne fait pas l'unanimité quant à son utilisation pour la propulsion aérobie (turbomachine ou statoréacteur), c'est-à-dire pour un mélange de carburant et d'air, où la proportion d'oxygène est faible par rapport à l'azote. Dans le cas d'une utilisation d'un kérosène liquide avec de l'air, le mélange réactif serait « difficile » à faire détoner de même que maintenir, dans la chambre de combustion, une détonation établie dans des conditions idéales. Aussi, il a été proposé avec le brevet EP2480771 (ou demande US2012/0151898) une structure de chambre de combustion dont l'onde de détonation est maintenue grâce à la génération d'un plasma transitoire. Toutefois, cette structure présente encore certains inconvénients comme la nécessité d'une grande énergie du fait du dépôt non-localisé du plasma ou une initiation chaotique de la détonation et notamment elle nécessite toujours le recours à un système d'initiation encore complexe pour faire détoner le mélange une première fois. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de proposer une solution technique visant à corriger ce défaut. Ce but est atteint grâce à une chambre de combustion annulaire et du type à onde de détonation continue permettant, à partir d'un mélange d'un combustible et d'un comburant injecté selon une direction axiale F, de délivrer une production continue de gaz chauds issus d'ondes de détonation, la chambre de combustion comportant, pour maintenir lesdites ondes de détonation, au moins une paire d'électrodes alimentée par un générateur de courant lui-même commandé par un dispositif de pilotage pour générer des décharges électriques NRP entre ladite au moins une paire d'électrodes, caractérisée en ce que ledit générateur de courant est configuré pour d'une part alimenter au moins une paire d'électrodes, de façon à générer au moins une zone de décharge puis d'autre part alimenter séquentiellement chacune desdites paires d'électrodes adjacentes à ladite au moins une paire d'électrodes et ainsi permettre à une onde de détonation de parcourir en permanence ladite chambre de combustion annulaire. 3051508 3 Ainsi, en créant un rideau tournant de plasma, on peut initier simplement la détonation sans recourir aux systèmes complexes de l'art antérieur. De préférence, ladite chambre de combustion comporte au 5 niveau d'extrémités amont respectives de parois externe et interne, une pluralité de paires d'électrodes réparties angulairement de manière uniforme en deux couronnes concentriques, les deux électrodes d'une même paire appartenant chacune à une couronne différente étant alignées radialement. 10 Avantageusement, ledit générateur de courant est configuré pour alimenter séquentiellement chacune desdites paires d'électrodes précédant au moins un front de détonation de ladite onde de détonation. De préférence, ledit générateur de courant est configuré pour arrêter l'alimentation de ladite au moins une paire d'électrodes lorsque 15 ladite au moins une paire d'électrodes adjacente doit être alimentée. Avantageusement, lesdites électrodes présentent chacune une section en T avec une première partie conductrice formant plaque effleurant à la surface interne de ladite chambre de combustion annulaire et une seconde partie conductrice, perpendiculaire à la première, en 20 contact électrique avec elle et traversant radialement ladite chambre de combustion annulaire pour assurer une connexion électrique de ladite plaque conductrice avec ledit générateur de courant. De préférence, deux plaques conductrices de deux électrodes adjacentes comportent entres elles une distance de l'ordre d'au plus 25 quelques millimètres. Avantageusement, lesdites électrodes et ladite chambre de combustion annulaire sont séparées par une couche de matériau isolant (avantageusement céramique) pour isoler électriquement lesdites électrodes de la structure de la chambre de combustion annulaire. 30 De préférence, chaque couronne comporte un nombre d'électrodes compris entre huit et soixante-quatre. L'invention concerne également une turbomachine comportant une chambre de combustion annulaire telle que précitée. 305 1 508 4 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout 5 caractère limitatif et sur lesquels : - la figure 1 est une vue externe de la partie amont d'une chambre de combustion annulaire selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de face de la chambre de combustion annulaire de la figure 1 montrant le système de génération et d'assistance 10 de détonation ; - les figures 3A à 3C illustrent trois exemples de réalisation de système de génération et d'assistance de détonation; - la figure 4 montre un détail de la chambre de combustion annulaire de la figure 1 ; et 15 - les figures 5A à 5D illustrent différentes phases de fonctionnement de la chambre de combustion annulaire selon l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 montre partiellement de façon schématique une 20 chambre de combustion annulaire du type à onde de détonation continue 10 définie par une paroi externe 12 et une paroi interne 14 et destinée à recevoir axialement un mélange réactif subsonique (association d'un carburant comme un hydrocarbure gazeux ou liquide et d'un comburant comme de l'air ou de l'oxygène) pour, conformément à l'invention, 25 générer une onde de détonation continue et la propager de façon circonférentielle dans la chambre de combustion annulaire. Pour ce faire, la chambre de combustion annulaire comporte dans sa partie amont illustrée (par rapport au flux F de mélange traversant axialement la chambre) des moyens de génération de plasma 30 16 disposés au plus près des extrémités amont 12A, 14A respectives des parois interne et externe de la chambre de combustion annulaire 10. La figure 2 illustre schématiquement en vue de face un exemple d'implantation des moyens de génération de plasma 16 au niveau des extrémités amont 12A, 14A respectives des parois interne et externe de la chambre de combustion annulaire et qui sont constitués par un ensemble de paires d'électrodes 20, 22 formant deux couronnes concentriques, les 305 1 508 5 deux électrodes d'une même paire appartenant chacune à une couronne différente et entre lesquelles va être générée, à partir d'un générateur de courant 24 relié à ces électrodes et commandé par un dispositif de pilotage 26, une zone de décharge 28 générant un « plasma » dans le 5 mélange s'écoulant entre ces deux électrodes, étant disposées en regard et réparties angulairement de manière uniforme sur la circonférence de ces deux extrémités amont. Le générateur de courant 24 est classiquement un générateur à l'état solide délivrant des impulsions de courant électrique d'amplitude 10 comprise entre 5 et 50kV (typiquement 30kV), de fréquence comprise entre 10 et 100KHz (typiquement 50KHz) et d'une durée comprise entre 10 et 30 nanosecondes (typiquement 2Ons) permettant de créer des décharges électriques dites NRP (Nanosecond Repetitive Pulses) entre deux électrodes séparées d'une distance comprise entre 2 et 100 mm 15 (typiquement 20 mm) et traversée par un mélange réactif subsonique. Le dispositif de pilotage 26 peut être un contrôleur spécialement dédié à cette fonction de génération de plasma ou de façon plus générale être intégré dans l'électronique de commande du moteur et utiliser de ce fait différentes informations de température ou de pression relevées en 20 temps réel en provenance de la chambre de combustion. Ces informations peuvent être complétées par des mesures optiques effectuées dans cette chambre de combustion et permettant de détecter une éventuelle extinction de la détonation. Il convient de noter que si, dans l'exemple de réalisation 25 illustrée à la figure 2, la chambre de combustion comporte soixante-quatre paires d'électrodes 20, 22, il est clair que ce nombre ne saurait être limitatif et peut notamment, selon l'énergie électrique disponible, être plus faible, par exemple huit paires (figure 3A), seize paires (figure 3B) ou bien trente-deux paires (figure 3C). Un nombre plus élevé d'électrodes 30 correspondant à une zone de décharge sectorielle 28 plus petite permet un contrôle plus fin de la rotation du front de détonation et une énergie électrique plus faible pour éventuellement le même résultat, au détriment toutefois d'un dispositif de pilotage plus complexe à mettre en oeuvre. Comme le montre le détail de la figure 4, au niveau de la paroi 35 externe 12 de la chambre de combustion comme au niveau de sa paroi interne 14, les électrodes 20, 22 présentent avantageusement chacune 3051508 6 une section en T avec une première partie conductrice 20A, 22A formant une plaque effleurant à la surface interne de la chambre de combustion et une seconde partie conductrice 20B, 22B, perpendiculaire à la première et en contact électrique avec elle, traversant radialement cette chambre de 5 combustion et destinée à assurer, via des fils électriques de liaison non représentés, la connexion électrique de la plaque conductrice avec le générateur de courant 24 qui va créer la zone de décharge 28. Selon le nombre d'électrodes, cette zone de décharge 28 couvrira un secteur angulaire plus ou moins important de la chambre de 10 combustion et le plaque conductrice 20A, 22A présentera donc une forme allant du sensiblement horizontale (pour soixante-quatre paires et plus) au fortement incurvée (pour huit paires et moins). Toutefois, quel que soit le nombre d'électrodes, la distance entre les deux plaques conductrices de deux électrodes adjacentes est toujours identique et reste de l'ordre d'au 15 plus quelques millimètres pour faciliter le passage (la rotation) du front de détonation d'une paire d'électrodes à une autre. Les électrodes avantageusement en métal et la chambre de combustion avantageusement un matériau composite sont de préférence séparées par une couche 30 d'un matériau isolant et avantageusement 20 d'un matériau céramique pour isoler électriquement l'électrode en T de la structure composite de la chambre de combustion. Le fonctionnement de la chambre de combustion est maintenant décrit en regard des figures 5A à 5D. Il convient tout d'abord à procéder à l'allumage de la chambre 25 de combustion consistant à faire détoner le mélange une première fois, c'est-à-dire à initier un ou plusieurs fronts de détonation 32 en générant des zones de décharges 28 «tournantes» par application séquentielle, à partir du générateur de courant, d'impulsions de courant électrique à chacune des paires d'électrodes de façon à créer une succession de 30 décharges NRP (la figure 5A montre à titre d'exemple les deux premières décharges générées simultanément en opposition dans la chambre annulaire et la figure 5B les deux secondes sur les deux paires d'électrodes adjacentes) qui vont favoriser la détonation lors du passage de l'onde de choc dans le mélange réactif et permettre à une onde de 35 détonation de parcourir en permanence la chambre annulaire (figure 5C). La «rotation» simultanée des deux zones de décharge (illustrée par la 3051508 7 flèche) résultant du basculement successif de l'alimentation d'une paire d'électrodes à une autre (l'alimentation de la paire précédente étant alors coupée du fait de ce basculement) peut être qualifiée de «discrète» puisqu'elle ne correspond qu'à l'application successive du signal électrique 5 à des paires d'électrodes différentes. L'objectif de la création du plasma dans la zone de détonation est de diminuer l'énergie d'activation et en particulier d'éviter le découplage entre l'onde de choc et le front de réaction qui suit le choc. En appliquant de nouvelles impulsions de courant électrique au 10 niveau de la ou des paires d'électrodes disposées juste en avant du front de détonation (figure 5D), on génère une nouvelle zone de décharge 28 puis d'autres encore, en fonction de l'avancement de ce front, en faisant de même aux paires d'électrodes suivantes de manière à toujours précéder le ou les fronts de détonation 32. La zone de décharge 15 «prépare» ainsi la détonation/combustion et lorsque le front se rapproche de la zone de décharge, on applique le signal électrique sur la paire d'électrodes suivantes (l'alimentation de la paire précédente étant alors coupée). Ainsi on maintient chaque front de détonation 32 dans la chambre de combustion. 20 Avec le principe des décharges NRP, la combustion de mélange à fortes énergies d'activation est favorisée. Cela est dû notamment au fait que le procédé génère d'une part de l'oxygène atomique (02 -> 20) qui favorise les réactions chimiques et d'autre part la formation du H2 qui accélère également la combustion. En outre, on peut noter une 25 amélioration de la stabilité de la flamme et une extension de la limite d'extinction pauvre. L'intérêt de l'invention appliqué à la propulsion aérobie est que l'on peut initier et «assister» la détonation par des décharges NRP pour un mélange d'air et de kérosène liquide dont la «détonabilité» n'était a priori pas garantie. 30 REVENDICATIONS1. Chambre de combustion annulaire et du type à onde de détonation continue permettant, à partir d'un mélange d'un combustible et 5 d'un comburant injecté selon une direction axiale F, de délivrer une production continue de gaz chauds issus d'ondes de détonation, la chambre de combustion (10) comportant, pour maintenir lesdites ondes de détonation, au moins une paire d'électrodes (20, 22) alimentée par un générateur de courant (24) lui-même commandé par un dispositif de 10 pilotage (26) pour générer des décharges électriques NRP entre ladite au moins une paire d'électrodes, caractérisée en ce que ledit générateur de courant est configuré pour d'une part alimenter au moins une paire d'électrodes, de façon à générer au moins une zone de décharge (28) puis d'autre part alimenter séquentiellement chacune desdites paires 15 d'électrodes adjacentes à ladite au moins une paire d'électrodes et ainsi permettre à une onde de détonation de parcourir en permanence ladite chambre de combustion annulaire. 2. Chambre de combustion annulaire selon la revendication 1, 20 caractérisée en ce qu'elle comporte, au niveau d'extrémités amont (12A, 14A) respectives de parois externe (12) et interne (14) de ladite chambre de combustion annulaire, une pluralité de paires d'électrodes (20, 22) réparties angulairement de manière uniforme en deux couronnes concentriques, les deux électrodes d'une même paire appartenant 25 chacune à une couronne différente étant alignées radialement. 3. Chambre de combustion annulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit générateur de courant est configuré pour alimenter séquentiellement chacune desdites paires d'électrodes précédant 30 au moins un front de détonation (32) de ladite onde de détonation. 4. Chambre de combustion annulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit générateur de courant est configuré pour arrêter l'alimentation de ladite au moins une paire d'électrodes lorsque 35 ladite au moins une paire d'électrodes adjacente doit être alimentée. 305 1 508 9 5. Chambre de combustion annulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites électrodes présentent chacune une section en T avec une première partie conductrice (20A, 22A) formant plaque effleurant à la surface interne de ladite chambre de combustion annulaire et une seconde partie conductrice (20B, 22B), perpendiculaire à la première, en contact électrique avec elle et traversant radialement ladite chambre de combustion annulaire pour assurer une connexion électrique de ladite plaque conductrice avec ledit générateur de courant. 6. Chambre de combustion annulaire selon la revendication 5, caractérisée en ce que deux plaques conductrices de deux électrodes adjacentes comportent entres elles une distance de l'ordre d'au plus quelques millimètres. 7. Chambre de combustion annulaire selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites électrodes et ladite chambre de combustion annulaire sont séparées par une couche de matériau isolant (30) pour isoler électriquement lesdites électrodes de la structure de la chambre de combustion annulaire. 8. Chambre de combustion annulaire selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit matériau électriquement isolant est un matériau céramique. 9. Chambre de combustion annulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que chaque couronne comporte un nombre d'électrodes compris entre huit et soixante-quatre. 10. Turbomachine comportant une chambre de combustion 30 annulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.