Étude expérimentale de la formation et l'oxydation des particules de suie dans des chambres de combustion RQL (Rich-burn, Quick-mix, Lean-burn) fonctionnant à haute pression

Experimental study of the formation and oxidation of soot particles inside Rich-burn, Quick-mix, Lean-burn (RQL) combustion chambers operating at high pressure

• Auteur / Autrice : Aurélien Perrier
• Direction : Frédéric Grisch, Gilles Cabot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et Propulsion
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Yon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Grisch, Gilles Cabot, Pascale Desgroux, Klaus Peter Geigle, Camille Strozzi, Alain Cayre, Félix Collin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascale Desgroux, Klaus Peter Geigle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz à effet de serre -- Réduction

Incandescence induite par laser

Fluorescence induite par laser

Aéronautique

Effets des hautes températures

Effets des hautes pressions

Chambres de combustion

Particules (matière)

Oxydation

Suie

Mots clés libres

Particules fines

Technologie RQL

Diagnostic laser

Fluorescence induite par laser planaire

Soot

Fine particules

Aircraft

Rich-burn, Quick-mix & Lean-burn

Laser diagnostic

Planar Laser Induced Fluorescence

Laser Induced Incandescence

Résumé

L’augmentation du trafic aérien s’accompagne d’un durcissement des réglementations destiné à réduire les émissions de gaz à effet de serre et de polluants. Les objectifs FlightPath visent une réduction des émissions de CO₂ de 75% et de 90% des oxydes d’azote (NOx) l’horizon 2050. Les règlementations mondiales amènent donc les constructeurs de moteurs d’aéronefs à développer des architectures de chambres de combustion toujours plus innovantes. Parmi les solutions envisagées, la technologie RQL, acronyme anglais de Rich-burn, Quick-mix & Lean-burn, suscite l’intérêt du motoriste français Safran Aircraft Engines (SAE). Cette architecture moteur se démarque par une excellente stabilité de flamme associée à un faible taux de production de NOx. Néanmoins, il a été observé que les taux de production de particules de suie étaient plus élevés dans les chambres de combustion RQL, en comparaison d’autres stratégies de combustion faiblement émettrices de NOx. L’objectif de la présente thèse consiste en une étude expérimentale des mécanismes de formation des polluants gazeux et particulaires, sur plusieurs systèmes d’injection aéronautiques RQL fournis par SAE. Les essais sont réalisés au sein du laboratoire français CORIA, sur le banc de combustion aéronautique HERON, capable de reproduire les conditions de pression et de température d’une chambre de combustion aéronautique. Le comportement du système d’injection RQL est étudié au moyen de multiples diagnostics laser avancés. Parmi les mesures effectuées, la quantification des émissions de NOx, l’analyse de la structure de flamme et de l’injection de carburant, est réalisée par la technique optique de Fluorescence Induite par Laser Planaire (PLIF). La distribution spatiale de fraction volumique de suie est mesurée par technique d’Incandescence Induite par Laser (LII). En complément de cette technique optique, la distribution en taille des particules de suie est obtenue par prélèvement et analysée au spectromètre de mobilité électrique (SMPS). Le prélèvement des particules est réalisé au moyen d’une sonde spécialement conçue pour ce projet, laquelle est capable d’extraire des gaz de combustion au cœur même de la chambre de combustion. Outre une meilleure compréhension des mécanismes de formation de suie opérant sur leurs prototypes, la base de données expérimentales obtenue permettra à SAE de développer et valider les modèles de suie qui seront intégrés dans leurs codes de simulation. Dans une plus large mesure, les résultats obtenus permettront d’établir de premières règles de conception des systèmes d’injection RQL qui équiperont les futurs moteurs aéronautiques.

The current growth of the global air traffic must comply with new regulations that aims to reduce the emission of the greenhouse gases and pollutants by the aircrafts. The European strategy for aviation, Flightpath 2050, intends achieve a 75% reduction in CO₂ emissions per passenger kilometre and a 90% reduction in NOx emissions. To meet these challenging objectives aircraft engine manufacturers have to develop increasingly complex and innovative combustion chamber architectures. The Rich-burn, Quick-mix, Lean-burn (RQL) technology is one of the most promising solutions that is currently pursued by the French engine manufacturer Safran Aircraft Engines (SAE). This engine architecture stands out due to its excellent flame stability, coupled with the low NOx production levels. However, RQL combustors tend to have higher soot production rates compared to other low-NOx combustion strategies. The purpose of this work was to investigate formation of gaseous and particulate pollutants generated in an RQL combustion chamber. The RQL injection systems studied in this project were provided by SAE. Experiments were carried out at the French laboratory CORIA, on the aeronautical test rig HERON. This combustion bench is able to reproduce temperature and pressure conditions that occur in aeronautical combustion chambers. The flames generated by the RQL injection systems under study were analysed using multiple advanced laser diagnostic techniques. Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) was used to analyse the flame structure, the fuel injection as well as NOx emissions. The spatial distribution of soot volume fractions was measured by Laser Induced Incandescence (LII). In addition, the size distribution of soot particles was obtained using a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS). The soot particles were extracted from the combustion chamber via a sampling probe that was specially designed to fulfil the needs of this project. The current work will further the understanding of soot formation mechanisms occurring in the SAE RQL prototypes. Moreover, the experimental database obtained will assist SAE in the development and validation of the numerical models of soot formation that will be incorporated into their simulation codes. To a larger extent, these results are essential in the advancement of the design of the RQL injection systems, bringing them closer to the implementation in the SAE engines