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Spécial “ Acoustics’08 ” - Part II
65
Acoustique
&
Techniques n° 54-55
Influence des conditions aux limites
acoustiques sur le bruit de combustion en
configuration confinée
e bruit produit par les moteurs d’avions au décollage
et à l’atterrissage représente une nuisance sonore
extrêmement gênante pour les riverains, une question qui
est devenue récemment d’une importance particulièrement
cruciale. Pendant de nombreuses années, le bruit de
combustion a été étudié d’un point de vue fondamental,
principalement dans des situations non confinées [1-4].
Dans les situations confinées, le bruit large bande émis
par les flammes stables est bien moins documenté [5].
Cela est principalement dû au fait qu’il est très difficile de
construire des conditions acoustiques propres dans les
brûleurs, ce qui génère un fort couplage entre la flamme
et les modes acoustiques de la chambre de combustion
susceptible de provoquer la destruction du moteur ou de
l’installation expérimentale. Ces instabilités sont étudiées
depuis une cinquantaine d’années et les mécanismes de
couplage sont maintenant pour la plupart connus [6]. Il a
été montré récemment par Tran et al. [7] que faire varier
la condition acoustique amont du brûleur est une méthode
très efficace pour amortir les instabilités de combustion
et créer des conditions idéales pour l’étude du bruit de
combustion. Ce système original de contrôle passif utilisé
dans cette étude est décrit dans la suite du document.
L’influence d’une condition acoustique amont bien adaptée
sur les émissions sonores dans l’injecteur et la chambre
est ensuite présentée. Le banc d’essai, les différents
diagnostics utilisés pour enregistrer les fluctuations de
pression et les oscillations du taux de dégagement de
chaleur sont tout d’abord décrits. Le banc est un brûleur
à flamme stabilisée par swirl (écoulement tourbillonnaire),
connecté à une chambre de combustion rectangulaire,
équipé de ports à microphone pour les mesures
acoustiques. Ce banc est représentatif des systèmes de
combustion utilisés dans les turbines à gaz (aéronautique,
génération d’électricité). Un photomultiplicateur muni
d’un filtre bien choisi mesure l’émission spontanée du
radical CH* qui est fortement corrélée aux fluctuations du
taux de dégagement de chaleur de la flamme. Plusieurs
microphones sont utilisés pour mesurer les fluctuations
de pression dans le système d’injection et la chambre
de combustion. Une étude systématique des points de
fonctionnement du brûleur est effectuée afin d’identifier
les régimes les plus stables. Des analyses spectrales
des signaux de pression et de dégagement de chaleur
sont conduites pour diverses impédances amont et
paramètres d’injection. Le présent article montre
l’influence de paramètres essentiels comme la richesse
en combustible et la répartition de celui-ci entre les
différents étages (étagement) sur le comportement du
banc d’essai. Ces résultats sont utilisés pour sélectionner
les points de fonctionnement optimaux pour l’étude du
bruit de combustion.
Ammar Lamraoui,
Franck Richecoeur,
Thierry Schuller,
Sébastien Ducruix
Laboratoire EM2C
CNRS
Ecole Centrale Paris
92295 Châtenay Malabry CEDEX
E-mail : sebastien.ducruix@ecp.fr
Résumé
Le bruit de combustion est étudié sur un brûleur de 40 kW composé de deux étages
identiques alimentés avec de l’air et du propane. Le but de l’étude est de caractériser
le bruit de combustion en fonction de l’impédance acoustique amont du brûleur et des
conditions d’injection (la richesse, l’étagement et le débit d’air total). Dans un montage
expérimental de haute puissance, le couplage entre la combustion et l’acoustique peut
facilement générer une forte instabilité. L’amplitude et la fréquence de ces instabilités
dépendent des points de fonctionnement, mais aussi des conditions aux limites
acoustiques, ce dernier point est un problème rarement étudié. Les travaux présentés
dans cet article montrent que le point de fonctionnement et les conditions aux limites
en entrée de brûleur peuvent être ajustés afin de créer les meilleures conditions
expérimentales pour l’étude de bruit de combustion.
Abstract
Combustion noise is experimentally investigated on a 40 kW burner composed of two
identical stages fed with air and propane. The purpose of the study is to characterize
combustion noise depending on the boundary impedances and injection conditions (i.e.
staging ratio, equivalence ratio and air mass flow rate). Noise study can only be accurately
performed if the test bench provides a broadband spectral sound emission. However in
such laboratory high power experiment, combustion and acoustics may easily couple to
generate strong instabilities. The amplitude and frequency of these instabilities depend on
the operating points but also on the acoustic boundary conditions, an issue that is rarely
investigated. Work presented in this paper shows that operating point and inlet boundary
conditions can be adjusted to create the best experimental conditions for investigation of
combustion noise.
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