Contrôle du retour de flamme dans le prémélangeur des turbines à gaz.

Ces dernières années, plusieurs recherches ont porté sur l'étude du potentiel des chambres de combustion prémélangées opérant avec des mélanges pauvres à réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx) en comparaison aux chambres de combustion avec flamme de diffusion largement utilisées dans les domaines du transport et industriel. Toutefois, le fait que les carburants et le comburant soient mélangés en amont de la zone de réaction rend les chambres de combustion prémélangées sujettes à la propagation de la flamme dans le prémélangeur qui n'est généralement pas conçu pour soutenir de hautes températures. De plus, un intérêt grandissant est porté par l'industrie vers les turbines à gaz pouvant fonctionner avec une multitude de carburants, dont ceux contenant de l'hydrogène, ainsi qu'avec du gaz naturel provenant de différentes sources. Cependant, une chambre de combustion qui est originalement conçue pour opérer avec un carburant à cinétique lente, comme le gaz naturel, peut souffrir de certains problèmes d'opération, particulièrement le retour de flamme, lorsqu'opérée avec un carburant à cinétique rapide, par exemple l'hydrogène. Il y a donc un besoin réel pour un système de contrôle du retour de flamme qui préviendra d'onéreux dommages à la chambre de combustion et agrandira la plage d'opération des turbines à gaz. Le retour de flamme est défini comme la propagation de la flamme à partir de la chambre de combustion au travers du prémélangeur se traduisant par une importante génération de chaleur dans cette partie du réacteur. Des recherches antérieures ont montré qu'il se produit si la vitesse locale de l'écoulement est inférieure à la vitesse de flamme. Il semble donc possible qu'en modifiant de façon judicieuse l'écoulement dans le prémélangeur à l'aide de dispositifs comme les décharges à barrière diélectrique (DBD) on puisse y prévenir le retour de flamme. Les DBD, aussi connues sous le nom d'actionneur plasma, sont des appareils électrofluidiques comprenant deux électrodes placées de façon asymétrique de part et d'autre d'un matériau isolant (diélectrique). Lorsqu'une tension alternative de haute fréquence et de plusieurs kilovolts est appliquée entre les électrodes, l'air dans leur voisinage est partiellement ionisé ce qui génère du plasma. En raison de la présence du champ électrique, les particules chargées dans cette mince région sont accélérées et transfèrent leur quantité de mouvement aux molécules neutres avoisinantes par des collisions entraînant une accélération nette de l'écoulement près de la surface

Abstract

In recent years, many studies have demonstrated the potential of lean-premixed (LP) combustors in reducing NOx emissions in comparison to diffusion-type combustors operating at higher flame temperatures. However, since the fuels and oxidizers are mixed upstream of the combustion zone, LP-type combustors are prone to upstream flame propagation (i.e., flashback) in the premixer, which is not typically designed to sustain high temperatures. Moreover, there is a recent demand for fuel-flexible gas turbines that can operate on hydrogen-enriched fuels such as Syngas and with natural gas from various supplies. Combustors originally designed for slower kinetics fuels like natural gas can potentially encounter flashback if operated with faster burning fuels like those containing hydrogen as a constituent. Hence, there exists a clear need in fuel-flexible lean-premixed combustors to control flashback that will not only prevent costly components damage but will also enhance the operability margin of engines. Flashback is defined as the propagation of the flame, from the combustion chamber into the premixer, causing a significant heat release in this section of the combustor. It occurs if the local flow velocity is lower that the flame speed. Hence it seems possible to prevent flashback by properly modifying the flow field in the premixer with flow control devices as Dielectric Barrier Discharges (DBD). DBD actuators, also known as plasma actuators, are electro-fluidic devices comprising two offset electrodes placed on each side of a dielectric (insulating) material. When a high-frequency AC electric signal of several kilovolts is applied to the electrodes, the gas in their vicinity gets partially ionized generating plasma. Due to the electric field, the charged particles in this thin region are accelerated and they transfer their kinetic energy via collisions to the neutral gas molecules around them resulting in a net flow acceleration near the surface (ionic wind). In opposition to other flow control devices, DBD do not involve the introduction of additional fluid flow. The momentum is only increased through the rise of flow velocity induced by the body force imparted on the fluid by the plasma actuator. In the present research, a low-power DBD actuator was designed, fabricated and integrated into a premixer made out of quartz. The actuator was tuned to produce a low magnitude ionic wind in the downstream direction in order to modify the velocity profile in the