Étude expérimentale de systèmes d'injection innovants à faibles émissions de NOx et de suie pour la technologie de combustion giratoire, utilisant des diagnostics laser avancés

Experimental investigatiοn οf innοvative Lοw ΝΟx / lοw sοοt injectiοn systems fοr spinning cοmbustiοn technοlοgy using advanced laser diagnοstics

• Auteur / Autrice : Andrei-silviu Milea
• Direction : Frederic Grisch, Gilles Cabot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique, Sciences de l'Ingénieur, Matériaux, Énergie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : COMPLEXE DE RECHERCHE INTERPROFESSIONNEL EN AEROTHERMOCHIMIE
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : INSA Rouen Normandie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Cabot, Frederic Grisch, Stéphane Richard, Benedicte Cuenot, Vincent Moureau, Marc Bellenoue, Antonio Andreini, Thomas Behrendt
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Bellenoue, Antonio Andreini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Mots clés libres

Combustion turbulente

Haute-pression

Écoulement diphasique

Diagnostics laser

Pdpa

Piv

Plii

Plif-oh

Plif-no

PLIF-kérosène

Injecteur

Hélicoptère

Spray

Jet A-1

Suie

No

Combustion giratoire

Sct

Safran

Diagnostics couplés

Corrélations

Heron

Coria

Expérimental

Formation des polluants

Rql

Lean

Combustion pauvre

Combustion riche

Instabilité

Turbulent combustion

High-pressure

Two-phase flow

Laser diagnostics

Pdpa

Piv

Plii

Oh-plif

No-plif

Kerosene-PLIF

Fuel injector

Helicopter

Spray

Jet A-1

Soot

No

Spinning Combustion

Sct

Safran

Coupled diagnostics

Spatial correlations

Heron

Coria

Experiments

Pollutant formation

Rql

Lean combustion

Rich combustion

Instabilities

Résumé

Les effets anthropogéniques sur l’environnement posent un défi majeur pour l’industrie aéronautique. Des réglementations de plus en plus strictes et la nécessité de rendre le transport aérien durable orientent les recherches actuelles vers des systèmes propulsifs innovants. Dans ce contexte, Safran Helicopter Engines développe sa technologie brevetée de combustion giratoire (SCT), visant à améliorer les performances des moteurs d’hélicoptères. Déjà implémentée sur le moteur Arrano, cette technologie est davantage optimisée pour réduire significativement les émissions de NOx et de suies. Dans le cadre du programme européen LOOPS, deux nouveaux systèmes d’injection de carburant sont étudiés : l’un conçu pour un régime riche dans une chambre RQL, et l’autre pour une combustion pauvre. Cette thèse évalue expérimentalement ces systèmes à l’aide de diagnostics laser avancés, adaptés aux environnements réactifs à haute pression. Le banc HERON, développé au CORIA, permet d’analyser leurs performances de combustion et évaluer les émissions dans des conditions représentatives des moteurs d’hélicoptères : pressions de 8 à 14 bar, températures d’entrée d’air de 570 à 750 K, et richesses de 0,6 à 1,67. Des diagrammes de stabilité de flamme sont établis, suivis d’analyses des propriétés du spray liquide par PDPA (Phase Doppler Particle Anemometry). Les champs aérodynamiques sont mesurés en conditions réactive et non-réactive par PIV (Particle Imaging Velocimetry) ultra-rapide à 10 kHz. La structure des flammes est caractérisée par PLIF-OH, tandis que la PLIF-kérosène permet d’étudier l’évaporation du carburant en détectant les mono- et di- aromatiques. Les diagnostics couplés simultanément PLIF-NO, PLIF-OH et PLIF-kérosène corrèlent les structures des flammes, les distributions des phases liquide et vapeur, et les zones de formation de NO. De même manière, la PLII (Planar Laser-Induced Incandescence) couplé avec PLIF-OH, PLIF-kérosène permets d’analyser les mécanismes de formation et d’oxydation des suies. Des méthodes spécifiques déterminent des distributions 2D des concentrations de NO, OH et des fractions volumiques de suies. Les résultats montrent une flamme asymétrique pour l’injecteur riche, avec une efficacité de combustion élevé dans la partie supérieure grâce à une injection liquide augmenté localement. Malgré des richesses élevées, les niveaux de suies restent modérés, tandis que le NO se forme principalement près de la flamme, confirmant le mécanisme thermique de Zeldovich. L’injecteur en régime pauvre présente une structure de flamme typique des flammes swirlées stratifiées, malgré la légère asymétrique. Une meilleure évaporation du carburant y favorise une combustion plus efficace, réduisant la longueur de flamme et les NO, grâce à des températures de flamme plus basses. Cependant, des niveaux modérés de suies sont également observés malgré le régime pauvre. Les conditions opératoires influencent fortement les performances. À haute pression, l’atomisation du spray est accélérée, l’angle d’expansion du spray augmente, et les zones de recirculation interne sont renforcées, modifiant la structure des flammes. L’augmentation des émissions de suies par la haute pression est observée pour l’injecteur en régime riche, gardant une richesse constante sur l’ensemble des conditions testées, tandis que les niveaux de NO restent stables. Pour l’injecteur en régime pauvre, les conditions réactives avec une richesse minimale à haute pression atténuent les effets de la pression, stabilisant la production de suies tout en réduisant les concentrations de NO. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des deux systèmes d’injection pour optimiser les performances tout en réduisant les émissions des futurs moteurs d’hélicoptères.

Anthropogenic effects on the environment present a major challenge for the aeronautical industry. Increasingly stringent pollution regulations and the necessity for sustainable air transport are driving the nowadays research toward innovative propulsion systems. In this context, Safran Helicopter Engines is advancing its patented Spinning Combustion Technology (SCT), aimed at improving helicopter engine performance. Already implemented in the Arrano engine, SCT is now being refined to significantly reduce NOx and soot emissions. As part of the European LOOPS program, two novel fuel injection systems are under investigation: one operating in a rich combustion regime tailored for an RQL combustion chamber and the other designed for lean combustion. The scientific activity of this thesis focuses on the experimental characterization of these injection systems using state-of-the-art laser diagnostics optimized for high-pressure reactive environments. The HERON combustion facility at CORIA enables the analysis of combustion and pollutant performance under conditions representative of helicopter engines, with pressures from 8 to 14 bar, air inlet temperatures from 570 to 750 K, and equivalence ratios ranging from 0.6 to 1.67. Initial flame stability maps are established, followed by in-depth analyses of liquid spray properties using Phase Doppler Particle Anemometry (PDPA). High-speed Particle Imaging Velocimetry (PIV) captures aerodynamic fields under reactive and non-reactive conditions at 10 kHz. Flame structures are examined via OH-PLIF fluorescence imaging, while kerosene-PLIF evaluates liquid and vapor fuel distributions, particularly probing aromatic components in Jet A-1 kerosene. Furthermore, NO-PLIF imaging, combined with OH-PLIF and kerosene-PLIF, enables spatial correlations between flame structure, fuel distribution, and NO production zones. Soot formation and oxidation mechanisms are explored through Planar Laser-Induced Incandescence Imaging (PLII), integrated with OH-PLIF and kerosene-PLIF. Specific methods are developed to obtain 2D distributions of quantitative concentrations of NO, OH and soot volume fraction. Results reveal that the rich-burn injector produces an asymmetrical flame with enhanced upper-zone combustion efficiency due to locally intensified liquid fuel injection. Moderate soot levels are observed despite high equivalence ratios, while localized NO production, primarily near the flame, is attributed to the Zeldovich thermal mechanism. Conversely, the lean-burn injector forms a flame structure characteristic of stratified swirl flames, despite the minor asymmetry. Improved fuel evaporation leads to higher combustion efficiency, shorter flame lengths, and a reduction in NO formation, attributed to lower flame temperatures. In spite of the lean combustion conditions, moderate soot levels are measured for the second injector. Operating conditions strongly influence performance. Higher pressures accelerate spray atomization, increase spray expansion angles, and strengthen internal recirculation zones, reshaping flame structures. The increase in soot production at higher pressure is particularly demonstrated by the rich-burn injector due to constant equivalence ratios across all test conditions, while NO levels remain stable. For the lean-burn injector, leaner operation at elevated pressures moderates pressure effects, maintaining consistent soot levels and reducing NO concentrations. These findings highlight the potential of both injection systems for optimizing performance and reducing emissions in future helicopter engines.