Abstrait
Le but de cet article est de mener une recherche expérimentale des émissions de substances dangereuses à la sortie de la chambre de combustion simulée. L’expérience a été réalisée dans une chambre de combustion simulée. La chambre de combustion comprenait un dispositif de brûleur ; un système d’alimentation en combustible liquide ; et un tube de flamme avec deux rangées de trous de mélange et une rangée de trous de refroidissement. Le mode de fonctionnement de la chambre de combustion était = 0,435, = 423 K, et la pression atmosphérique. Le taux de combustion du combustible liquide était de 0,77 g/s. Le rapport de pression dans la chambre de combustion est resté constant à = 3 %. Deux types de carburant ont été utilisés : le kérosène d’aviation de la marque russe TS-1 et le substitut de carburant était un mélange de n-décane (C10H22) avec des ajouts de benzène (C6H6). Les additions de benzène étaient de 5% à 30% (n-décane/benzène : 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 et 70/30).
1. Introduction
Une chambre de combustion est l’une des principales parties d’un moteur à turbine à gaz définissant ses caractéristiques d’émission. A l’heure actuelle, le problème des émissions des moteurs à turbine à gaz a été principalement résolu au moyen de calculs semi-empiriques et du développement expérimental de prototypes. Cette approche demande beaucoup de travail et donne peu d’informations sur les processus à l’intérieur de la chambre, ce qui empêche la mise en œuvre des normes de l’OACI.
Les techniques modernes de conception et de mise au point des chambres de combustion des moteurs à turbine à gaz devraient utiliser la dynamique des fluides numérique (CFD). Les calculs CFD devraient être basés sur la solution simultanée des équations de la dynamique des gaz et de la cinétique chimique détaillée. Avec le niveau actuel de la puissance de calcul, la résolution de tels problèmes dans les prochaines décennies ne semble pas possible. Une autre solution pourrait consister à utiliser des méthodes hybrides. Une méthode hybride est censée résoudre chaque problème individuellement, puis les combiner en un seul algorithme. La simulation de la cinétique chimique n’est pas concevable sans l’utilisation de mécanismes de réaction détaillés et réduits. Pour développer des mécanismes cinétiques, il est nécessaire de connaître la composition exacte du combustible initial. Le principal type de carburant des moteurs de turbines à gaz est le kérosène d’aviation. Le kérosène est constitué de dizaines de composants hydrocarbonés distincts. Sa composition peut varier en fonction des matières premières et des fabricants. La simulation numérique nécessite un mélange constitué des composants connus et contenant un nombre limité de constituants chimiques. Ces mélanges sont appelés substituts. Un substitut doit reproduire les principales caractéristiques du carburant réel.
Un mécanisme cinétique détaillé de l’oxydation du substitut doit imiter les propriétés chimiques essentielles du kérosène. Les mécanismes réduits sont utilisés pour calculer la dynamique des gaz et devraient décrire de manière identique les propriétés physiques du kérosène ainsi que pour prédire avec précision la distribution de la température et la concentration de carburant récupéré dans la chambre de combustion.
Pour développer des méthodes hybrides de simulation CFD de la performance environnementale de la chambre de combustion, il est nécessaire de résoudre deux problèmes principaux :(1)Adapter le substitut du kérosène d’aviation. Le substitut doit reproduire correctement les propriétés chimiques ou physiques du kérosène.(2)Développer des mécanismes détaillés et réduits d’oxydation du substitut.
La solution de ces problèmes (ensemble ou en combinaison) pourrait fournir une base solide pour développer une méthode hybride. Cette recherche s’est concentrée sur la résolution du premier problème.
2. Substitut du kérosène
Tous les composants des carburants complexes peuvent être divisés en plusieurs classes structurelles. Ce sont les alcanes (hydrocarbures saturés ayant une structure linéaire ou ramifiée), les alcènes (hydrocarbures avec des doubles liaisons), les cycloalcanes (hydrocarbures saturés contenant un cycle) et les hydrocarbures aromatiques (molécules contenant des cycles benzéniques) . Le tableau 1 représente la composition moyenne de certains carburants d’aviation. La majeure partie du carburant est constituée d’alcanes : leur quantité totale atteint 65%, et avec les cycloalcanes, ils représentent 79-97%. Une part considérable (jusqu’à 20%) est constituée d’hydrocarbures aromatiques. En revanche, la concentration d’alcènes dans le carburant est insignifiante.
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Plusieurs travaux proposent un grand nombre de substituts au kérosène d’aviation Jet-A qui est couramment utilisé aux USA. Le Jet-A est analogue au kérosène russe TC1. Les travaux ci-dessus présentent des mécanismes cinétiques permettant de simuler l’allumage et la combustion de ces substituts. Les substituts les plus simples sont les carburants monopropulseurs. Les auteurs de simulaient la combustion du Jet-A avec du n-décane comme substitut. Cooke et al. ont utilisé le n-dodécane dans le même but et ont démontré un rôle important des radicaux hydroperoxydes d’alkyle dans l’oxydation lente des hydrocarbures.
Comme le kérosène contient jusqu’à 20% d’hydrocarbures aromatiques ayant leurs propres spécificités dans la cinétique d’oxydation, ces composants sont forcément inclus dans le substitut. Les composés aromatiques suivants peuvent être considérés comme des options possibles : benzène, toluène, triméthylbenzène, n-propyl benzène, n-butyl benzène, et autres. Lindstedt et Maurice ont montré numériquement que la structure de la flamme du kérosène peut être décrite avec une précision raisonnable par un substitut : 89% de n-décane et 11% d’hydrocarbures aromatiques (benzène, toluène et éthylbenzène).
La plupart des travaux sur les substituts traitent de l’étude et de la comparaison de leurs caractéristiques fondamentales : vitesse de la flamme laminaire, temps de retard à l’allumage, et ainsi de suite. Cette recherche a comparé les produits de combustion du kérosène et son substitut lors de la combustion dans un équipement réel. Le substitut était composé de n-décane et de benzène dans différentes proportions : 100 % de n-décane, 95/5 %, 90/10 %, 85/15 %, 80/20 % et 75/25 % de n-décane/benzène.
3. Configuration expérimentale
L’expérience a été réalisée dans une chambre de combustion simulée (figure 1), qui comporte un dispositif de brûleur, un système d’alimentation en combustible liquide et un tube de flamme avec deux rangées de trous de mélange et une rangée de trous de refroidissement. Le mode de fonctionnement de la chambre de combustion était = 0,435, = 423 K, et la pression atmosphérique. Le taux de combustion du combustible liquide est de 0,77 g/s. Le rapport de pression dans la chambre de combustion qui est resté constant à = 3%. est la pression totale à l’entrée de la chambre de combustion (const) ; est la pression totale à la sortie de la chambre de combustion (const).
Des essais expérimentaux ont été réalisés sur le dispositif expérimental à haute température avec une chambre de combustion simulée. Le dispositif expérimental comporte un débitmètre fabriqué par SMC, un étrangleur pneumatique avec des clapets anti-retour, des débitmètres/contrôleurs massiques de la série EL-FLOW® fabriqués par Bronkhorst High-Tech, un système d’alimentation en combustible liquide et un réchauffeur d’air entrant. La vue générale de l’installation à haute température connectée à la ligne de carburant et aux lignes d’air est présentée dans la figure 2.
Pour égaliser le champ de vitesse, un dispositif d’égalisation est prévu à l’entrée du réchauffeur. Pour l’alimentation principale en combustible, il est prévu un système de pompage. Pour l’alimentation en carburant de substitution, il y a un système d’alimentation sous pression. Le système d’alimentation sous pression comprend les éléments suivants : un réservoir de carburant (10 litres), un système de pressurisation et d’alimentation du réservoir de carburant, et un filtre fin pour les propergols composites.
Le système de commande de la pompe haute pression permet de modifier la pression de sortie dans une plage comprise entre 0,4 et 1,5 MPa à un débit d’au moins 250 l/h.
La composition des produits de combustion a été définie par la technique de contact basée sur l’échantillonnage par sonde. Cette méthode est actuellement la plus développée et est largement utilisée dans la pratique expérimentale.
La ligne de prélèvement (figure 6) est constituée d’un échantillonneur (1), d’un absorbeur de Richter (2), d’une pompe (3) intégrée à l’analyseur SICKGMS-810 (4), de pipettes Seger (5) et d’un compteur de gaz GSB-400 (6). Le GSB-400 est utilisé pour estimer le volume , M3 et le débit , M3/c des gaz échantillonnés.
L’échantillon – du point d’échantillonnage aux pipettes Seger – était pompé avec une pompe intégrée à l’analyseur SICKGMS-810. Cette configuration de la ligne d’échantillonnage a permis de pomper simultanément l’échantillon via les pipettes Seger et sa déshydratation et son analyse.
Pendant l’échantillonnage, les produits de combustion ont été pompés via les pipettes Seger au débit de M3/c avec le volume égal à 20 volumes de pipettes. Les échantillons de gaz obtenus ont été analysés par chromatographie en phase gazeuse. L’échantillonnage a été effectué à la sortie de la chambre de combustion simulée. Le tableau 2 indique les conditions initiales pour chaque cas expérimental.
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| Pour chaque expérience, 8 prélèvements ont été effectués. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Résultats
La recherche expérimentale a permis d’obtenir la relation entre la fraction massique du CO2, du CO, des hydrocarbures imbrûlés (CnHm), de l’O2, de l’H2, de l’H20, du N2, et le pourcentage de benzène dans le substitut (figures 3-12). Ces figures montrent également les résultats d’analyse pour les échantillons de combustion de kérosène.
Les figures présentées montrent que les produits de combustion du kérosène ne correspondaient à aucun des cas du mélange en combustion. La température moyenne à la sortie de la chambre de combustion était la même pour tous les cas du mélange. Mais l’efficacité de la combustion a augmenté avec l’augmentation de la teneur en benzène dans le mélange. Le rendement de combustion a été calculé comme le rapport entre l’enthalpie du mélange initial et l’enthalpie des produits de combustion incomplète. est l’enthalpie du mélange (benzène/n-décane/air) ; est l’enthalpie des produits de combustion.
Le mélange composé de benzène et de n-décane a une température d’évaporation inférieure à celle du kérosène. L’augmentation du benzène dans le mélange réduit la température d’évaporation. Par conséquent, l’utilisation du mélange améliore les caractéristiques de pulvérisation et d’évaporation du carburant. Cela a conduit à une combustion plus efficace et a amélioré le rendement de la combustion et n’a pas changé la température moyenne à la sortie et dans la chambre de combustion. La figure 11 montre que l’axe de la température de la chambre de combustion ne diffère pas de plus de 15°. La température diffère de plus de 170° près de la paroi. Ce fait montre le changement de la structure de l’écoulement dynamique des gaz à l’intérieur de la chambre de combustion également. La dynamique des gaz pour le kérosène et le substitut est différente. Pour une prédiction plus précise des produits de combustion, le substitut doit être ajouté à un composant ou à un groupe de composants. Le mélange obtenu devrait reproduire les propriétés physiques du kérosène : viscosité et tension superficielle des gouttes.
5. Conclusions
Ce document a étudié l’effet de l’ajout de benzène dans le mélange de substitution. L’étude expérimentale a été réalisée dans une chambre de combustion simulée. La chambre de combustion simulée incorpore tous les principaux processus se déroulant dans les chambres de combustion commerciales. Une comparaison a été faite pour les produits de combustion du kérosène d’aviation TS-1 et du mélange de substitution. L’étude a révélé que l’utilisation d’un mélange de benzène (20-30%) et de n-décane comme combustible donne des valeurs similaires à celles du kérosène par la distribution de la température. L’efficacité de la combustion est également augmentée de 4 %. L’émission de polluants est très différente. L’émission de polluants est très différente car la dynamique des gaz est très différente en brûlant du kérosène et des mélanges. Les résultats sont la base des données pour la vérification des modèles CFD.
Nomenclature
| CC: | Chambre de combustion |
| CFD: | Dynamique des fluides numérique |
| ICAO: | Organisation internationale de l’aviation civile |
| : | Rapport équivalent |
| : | Température initiale |
| : | Pression initiale |
| : | Taux d’air massique |
| : | Taux de carburant massique. |
Conflits d’intérêts
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun conflit d’intérêts concernant la publication de cet article.
Remerciements
Ces travaux ont été soutenus par le ministère de l’éducation et des sciences de la Fédération de Russie dans le cadre de la mise en œuvre du programme « Recherche et développement sur les orientations prioritaires du complexe scientifico-technologique de la Russie pour 2014-2020 » (RFMEFI58716X0033). L’équipement du centre d’utilisation commune de la technologie CAM (RFMEFI59314X0003) a été utilisé dans ces études.