The stability of lean premixed turbulent flames and the pollutants emitted in a gas turbine under high pressure
Etude de la stabilité et des émissions polluantes des flammes turbulentes de prémélange pauvre à haute pression appliquées aux turbines à gaz
Résumé
Lean premixed combustion is commonly used to decrease the pollutant emissions in energy production systems, but it leeds by strong instabilities. In order to study these instabilities, we designed a turbulent gas turbine combustion chamber close to an industrial configuration operate on natural gas. The chamber, pressurized up to 5 bar, has two radial inlet air injection : secondary and dilution air. The premixing is created by an injector with an axial swirl and a bluff body. The instability study was carried out for several parameters: inlet temperature of air, flow rate, equivalence ratio, angle of the swirl, presence of a pilot flame, position of primary dilution air and presence of a divergent nozzle. For each configuration we measured the velocity field, pollutant emissions, CH* chemiluminescence and dynamic pressure. The aim result show that the role of the secondary injection air are important and complexes for the flame structure and dynamic in the combustion chamber.
The pressure and CH* temporal spectra showed several fluctuations which we classified in three categories:
- Low frequency fluctuation created by combustion instabilities
- The convective fluctuation which frequencies depend only on the flow rate
- The acoustic fluctuation which frequencies depend only on the temperature of the flow.
The local study of the CH* chemiluminescence shows that the fluctuations is locate differently in the reaction zone. The time lag model, which predicts the favorable conditions for amplification of a convective fluctuation, was applied locally in the reaction zone. The result shows that we can predict the position and amplitude of the convective fluctuation in the reaction zone for different power or inlet temperature. Nevertheless, this model is limited by the interaction between dilution air and reaction zone.
The pressure and CH* temporal spectra showed several fluctuations which we classified in three categories:
- Low frequency fluctuation created by combustion instabilities
- The convective fluctuation which frequencies depend only on the flow rate
- The acoustic fluctuation which frequencies depend only on the temperature of the flow.
The local study of the CH* chemiluminescence shows that the fluctuations is locate differently in the reaction zone. The time lag model, which predicts the favorable conditions for amplification of a convective fluctuation, was applied locally in the reaction zone. The result shows that we can predict the position and amplitude of the convective fluctuation in the reaction zone for different power or inlet temperature. Nevertheless, this model is limited by the interaction between dilution air and reaction zone.
La combustion en mode pauvre prémélangé permet de réduire les émissions polluantes, mais elle est limitée par l'apparition de fortes instabilités. Afin d'étudier ces instabilités, nous avons conçu une chambre de combustion proche d'une configuration industrielle fonctionnant au gaz naturel. La chambre, pressurisée à 5 bar, est munie de deux dispositifs d'injection d'air: air secondaire et air de dilution. Le prémélange est créé par un injecteur constitué d'un swirl axial et d'un bluff body.
L'étude de l'instabilité a été effectuée en fonction de plusieurs paramètres: température d'entrée d'air, débit, richesse de combustion, angle du swirl, présence d'une flamme pilote, position des orifices d'injection d'air secondaire et géométrie du fond de chambre. Pour chaque configuration nous avons mesuré le champ de vitesse, les émissions polluantes, l'émission spontanée du radical CH* et l'évolution temporelle de la pression dans la chambre de combustion. Le résultat principal montre que les injections d'air secondaire jouent un rôle important et complexe dans les chambres de combustion notamment sur la structure et la dynamique de la flamme.
Les spectres temporels de pression et de CH* ont montré plusieurs fluctuations temporelles de la combustion que nous avons classées en trois categories:
- Les fluctuations basses fréquences dues aux instabilités de combustion
- Les fluctuations convectives dont les fréquences ne dépendent que de la vitesse de l'écoulement
- Les fluctuations acoustiques dont les fréquences ne dépendent que de la température de l'écoulement
L'étude locale des émissions de CH* montre que les positions des maximums de fluctuations se situent à des emplacements différents dans la zone de réaction suivant le régime de combustion. Nous avons adapté localement le modèle du temps de retard (time lag) qui permet de connaître les conditions favorables d'amplification d'une perturbation convective. Les résultats montrent que nous pouvons prédire la position et l'intensité des fluctuations convectives dans la zone réactive en fonction de la température d'entré ou de la puissance de l'installation. Toutefois, ce modèle trouve ses limites lorsque l'interaction de l'air de dilution secondaire devient trop importante avec la zone de réaction.
L'étude de l'instabilité a été effectuée en fonction de plusieurs paramètres: température d'entrée d'air, débit, richesse de combustion, angle du swirl, présence d'une flamme pilote, position des orifices d'injection d'air secondaire et géométrie du fond de chambre. Pour chaque configuration nous avons mesuré le champ de vitesse, les émissions polluantes, l'émission spontanée du radical CH* et l'évolution temporelle de la pression dans la chambre de combustion. Le résultat principal montre que les injections d'air secondaire jouent un rôle important et complexe dans les chambres de combustion notamment sur la structure et la dynamique de la flamme.
Les spectres temporels de pression et de CH* ont montré plusieurs fluctuations temporelles de la combustion que nous avons classées en trois categories:
- Les fluctuations basses fréquences dues aux instabilités de combustion
- Les fluctuations convectives dont les fréquences ne dépendent que de la vitesse de l'écoulement
- Les fluctuations acoustiques dont les fréquences ne dépendent que de la température de l'écoulement
L'étude locale des émissions de CH* montre que les positions des maximums de fluctuations se situent à des emplacements différents dans la zone de réaction suivant le régime de combustion. Nous avons adapté localement le modèle du temps de retard (time lag) qui permet de connaître les conditions favorables d'amplification d'une perturbation convective. Les résultats montrent que nous pouvons prédire la position et l'intensité des fluctuations convectives dans la zone réactive en fonction de la température d'entré ou de la puissance de l'installation. Toutefois, ce modèle trouve ses limites lorsque l'interaction de l'air de dilution secondaire devient trop importante avec la zone de réaction.
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