EP0349384B1 - Procédé et dispositif de contrôle actif des instabilités de combustion - Google Patents

Procédé et dispositif de contrôle actif des instabilités de combustion Download PDF

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EP0349384B1
EP0349384B1 EP89401754A EP89401754A EP0349384B1 EP 0349384 B1 EP0349384 B1 EP 0349384B1 EP 89401754 A EP89401754 A EP 89401754A EP 89401754 A EP89401754 A EP 89401754A EP 0349384 B1 EP0349384 B1 EP 0349384B1
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François Lacas
Jean Chambon
Denis Veynante
Arnaud-Christophe Trouve
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/16—Systems for controlling combustion using noise-sensitive detectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply

Definitions

  • the present invention relates to a device for active control of combustion instabilities.
  • FR-A- 1 155 063 describes a device making it possible to detect combustion instabilities in a combustion chamber and comprising a microphone sensitive to the characteristics of fluctuation of the acoustic frequency which accompanies the production of the flame and a photoelectric cell sensitive to flame light fluctuation characteristics.
  • a device making it possible to detect combustion instabilities but not to carry out active control thereof.
  • GB-A-1 495 015 describes a device for active control of combustion instabilities in a combustion chamber connected to a fuel supply line, comprising detection means for detecting combustion instabilities in said combustion chamber, a membrane compression chamber, having inlet and outlet ports respectively connected to upstream and downstream portions of said fuel supply line, and means for vibrating the membrane so as to vary the volume of the chamber compression and control the flow of fuel injected into said compression chamber, and control means connected to the vibration means and receiving the signal delivered by said detection means.
  • another signal namely a square basic signal having the same frequency, and delivered by a separate electronic circuit. The phase difference between the square basic signal and the output signal of the detection means is measured and the modified basic signal is delivered to the means causing the membrane of the compression chamber to vibrate.
  • the known device is not self-regulating because it is necessary to know beforehand the oscillation frequency of the square basic signal in order to check the combustion instabilities.
  • the present invention proposes to provide a simpler and more reliable device for active control of combustion instabilities by carrying out direct modulation of the fuel flow rate by the signal delivered by the detection means.
  • the detection means may include, for example, a microphone mounted in the combustion chamber, or an optical sensor mounted to detect the oscillations of the flame in this chamber.
  • the compression chamber which has at least one bottom wall constituted by a membrane, and means for vibrating the membrane so as to vary the volume of the chamber, comprises a plurality of inlet ports and outlet ports formed symmetrically radially in the side wall of the chamber.
  • This characteristic makes it possible to avoid stressing the acoustic modes of the cavity.
  • variable volume compression chamber is completely independent of the burner and can be mounted at a certain distance from the latter. Consequently, its installation does not require any structural modification of the combustion chamber and does not change its characteristics or its performance.
  • the means making it possible to vibrate the membrane can be constituted by an electromagnetic device or by any mechanical device capable of reaching the frequencies of instability of the flame, generally of the order of a few hundred Hertz.
  • the chamber has a symmetrical shape around an axis of revolution, for example substantially cylindrical.
  • FIG. 1 represents a combustion chamber 1 supplied with air by a suction pipe 2 and with fuel by a supply line 3 connected to a burner 4.
  • microphones 5, 5 ′ are mounted in this chamber and on the duct 2 respectively and are connected to control means 6 such as a delay ring or a computer whose output is applied to the input of an amplifier 7 commander the flow control means 8 mounted on the fuel supply line 3.
  • control means 6 such as a delay ring or a computer whose output is applied to the input of an amplifier 7 commander the flow control means 8 mounted on the fuel supply line 3.
  • the control means 8 are constituted by an actuator forming a cylindrical chamber 10 having a rigid bottom wall 11 and another bottom wall 12 constituted by an elastic membrane capable of vibrating under the effect of an electromagnet connected to the amplifier output 7.
  • the arrival and departure of the fuel in the chamber 10 takes place via orifices 14 distributed symmetrically with respect to the axis 15 of the chamber 10 in the same plane perpendicular to this axis.
  • These orifices are formed by radial nozzles 16 engaged in the side wall 17 of the chamber.
  • the inlet nozzles are all connected to the upstream part of the supply line 3 while the outlet nozzles are all connected to the downstream part of this line.
  • the oscillations detected by the microphone 5 are therefore sent back to the supply line 3 via the delay line 6, so as to modulate the flow of fuel injected into the chamber by the burner 4.
  • This figure represents the noise level measured in Pascals as a function of the delay time in milliseconds applied by the delay line 6.
  • the noise level was 200 Pa (about 140 dB acoustic) and the frequency of the instability was 280 Hz (a period of 3.6 ms).
  • the noise is reduced by half over a very wide range of phase shift values.
  • This range (from 13 to 14.2 ms) corresponds approximately to 1/3 of the period of the phenomenon, and shows that the system is not very sensitive to variations in parameters.
  • the invention makes it possible to extend the operating range of the burner, in particular towards very low powers.

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Description

  • La présente invention concerne un dispositif de contrôle actif des instabilités de combustion.
  • Les instabilités de combustion sont des oscillations de forte amplitude qui apparaissent dans les chambres de combustion d'installations telles que des moteurs d'avion, des moteurs fusées, des fours ou des brûleurs industriels. Ces oscillations sont extrêmement nocives et peuvent entraîner la baisse des performances du système, l'augmentation du bruit émis, et même, dans certains cas, la destruction complète du foyer par suite des vibrations engendrées.
  • FR-A- 1 155 063 décrit un dispositif permettant de détecter des instabilités de combustion dans une chambre de combustion et comprenant un microphone sensible aux caractéristiques de fluctuation de la fréquence acoustique qui accompagne la production de la flamme et une cellule photo-électrique sensible aux caractéristiques de fluctuation de la lumière de la flamme. Il s'agit dans ce document d'un dispositif permettant de détecter des instabilités de combustion mais non pas d'en réaliser le contrôle actif.
  • GB-A-1 495 015 décrit un dispositif de contrôle actif des instabilités de combustion dans une chambre de combustion connectée à une ligne d'alimentation en carburant, comprenant des moyens de détection pour détecter des instabilités de combustion dans ladite chambre de combustion, une chambre de compression à membrane, possédant des orifices d'entrée et de sortie connectés respectivement à des parties amont et aval de ladite ligne d'alimentation en carburant, et des moyens pour faire vibrer la membrane de manière à faire varier le volume de la chambre de compression et contrôler le débit de carburant injecté dans ladite chambre de compression, et des moyens de commande connectés aux moyens de vibration et recevant le signal délivré par lesdits moyens de détection. Dans ce document, il est prévu d'utiliser en plus du signal fourni par les moyens de détection un autre signal, à savoir un signal de base carré ayant la même fréquence, et délivré par un circuit électronique séparé. On mesure la différence de phase entre le signal de base carré et le signal de sortie des moyens de détection et l'on délivre le signal de base modifié aux moyens faisant vibrer la membrane de la chambre de compression.
  • Outre le fait qu'il est nécessaire de prévoir un circuit distinct pour produire le signal de base carré le dispositif connu n'est pas auto-régulé car il est nécessaire de connaître préalablement la fréquence d'oscillation du signal de base carré afin d'effectuer un contrôle des instabilités de combustion.
  • La présente invention se propose de réaliser un dispositif plus simple et plus fiable de contrôle actif des instabilités de combustion en réalisant une modulation directe du débit de carburant par le signal délivré par les moyens de détection.
  • Les caractéristiques de l'invention font l'objet des revendications 1 et 2.
  • Les moyens de détection peuvent comprendre, par exemple, un microphone monté dans la chambre de combustion, ou un capteur optique monté pour détecter les oscillations de la flamme dans cette chambre.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la chambre de compression qui posséde au moins une paroi de fond constituée par une membrane, et des moyens pour faire vibrer la membrane de manière à faire varier le volume de la chambre, comporte une pluralité d'orifices d'entrée et d'orifices de sortie formés symétriquement radialement dans la paroi latérale de la chambre.
  • Cette caractéristique permet d'éviter de solliciter les modes acoustiques de la cavité.
  • En outre, la chambre de compression à volume variable est totalement indépendante du brûleur et peut être montée à une certaine distance de ce dernier. En conséquence, son installation ne nécessite aucune modification structurelle de la chambre de combustion et ne change ni ses caractéristiques ni ses performances.
  • En ce qui concerne les moyens permettant de faire vibrer la membrane, ils peuvent être constitués par un dispositif électromagnétique ou par tout dispositif mécanique susceptible d'atteindre les fréquences d'instabilité de la flamme, généralement de l'ordre de quelques centaines de Hertz.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la chambre possède une forme symétrique autour d'un axe de révolution, par exemple sensiblement cylindrique.
  • On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention,
    • La figure 2 est une vue éclatée de la chambre à volume variable et,
    • la figure 3 est un diagramme représentant les résultats obtenus avec un dispositif de ce type.
  • La figure 1 représente une chambre de combustion 1 alimentée en air par un conduit d'aspiration 2 et en carburant par une ligne d'alimentation 3 connectée à un brûleur 4.
  • Afin de supprimer les instabilités de combustion dans la chambre 1, des microphones 5, 5' sont montés dans cette chambre et sur le conduit 2 respectivement et sont reliés à des moyens de commande 6 tels qu'une bague à retard ou un calculateur dont la sortie est appliquée à l'entrée d'un amplificateur 7 commandant les moyens de contrôle de débit 8 montés sur la ligne d'alimentation en carburant 3.
  • Les moyens de contrôle 8 sont constitués par un actionneur formant une chambre cylindrique 10 possédant une paroi de fond rigide 11 et une autre paroi de fond 12 constituée par une membrane élastique susceptible de vibrer sous l'effet d'un électro-aimant connecté à la sortie de l'amplificateur 7.
  • Une bride 13 permet la fixation de cette membrane.
  • L'arrivée et le départ du carburant dans la chambre 10 s'effectuent par l'intermédiaire d'orifices 14 répartis symétriquement par rapport à l'axe 15 de la chambre 10 dans un même plan perpendiculaire à cet axe.
  • Ces orifices sont constitués par des buses radiales 16 engagées dans la paroi latérale 17 de la chambre.
  • Dans l'exemple représenté aux dessins, trois buses d'entrée de carburant et trois buses de sortie de carburant ont été prévues, les buses d'entrée et les buses de sortie étant par exemple intercalées.
  • Bien entendu, les buses d'entrée sont toutes raccordées à la partie amont de la ligne d'alimentation 3 tandis que les buses de sortie sont toutes raccordées à la partie aval de cette ligne.
  • Les oscillations détectées par le microphone 5 sont donc renvoyées à la ligne d'alimentation 3 par l'intermédiaire de la ligne à retard 6, de manière à moduler le débit de carburant injecté dans la chambre par le brûleur 4.
  • On a pu constater qu'un tel dispositif permet de supprimer totalement les instabilités de combustion dans le cas d'un brûleur laminaire.
  • La figure 3 montre les résultats obtenus dans le cas d'un brûleur turbulent.
  • Cette figure représente le niveau de bruit mesuré en Pascals en fonction du temps de retard en millisecondes appliqué par la ligne à retard 6.
  • En l'absence de dispositif de contrôle, le niveau de bruit était égal à 200 Pa (soit environ 140 dB acoustiques) et la fréquence de l'instabilité était de 280 Hz (soit une période de 3,6 ms).
  • Par contre, lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre, le bruit est réduit de moitié sur une très large gamme de valeurs de déphasage. Cette gamme (de 13 à 14,2 ms) correspond environ à 1/3 de la période du phénomène, et montre que le système est peu sensible à des variations de paramètres.
  • En fait, une analyse spectrale non représentée révèle que le bruit résiduel est dû à la combustion turbulente mais que l'instabilité à 280 Hz a disparu. De plus, une observation de la chambre de combustion par strioscopie ultrarapide (10000 images/seconde) montre que les oscillations des flammes qui étaient la source de l'instabilité ont aussi disparu.
  • Il a en outre été constaté que l'invention permettait d'étendre le domaine de fonctionnement du brûleur, notamment vers les très faibles puissances.
  • D'autres moyens de contrôle du débit de carburant pourraient être utilisés, par exemple une vanne rotative ou une restriction réglable dans la canalisation 3.

Claims (8)

  1. Dispositif de contrôle actif des instabilités de combustion dans une chambre de combustion (1) connectée à une ligne d'alimentation en carburant (3), comprenant des moyens de détection (5,5') pour détecter des instabilités de combustion dans ladite chambre de combustion (1), une chambre de compression (8) à membrane (12), possédant des orifices d'entrée et de sortie (14) connectés respectivement à des parties amont et aval de ladite ligne d'alimentation en carburant (3), et des moyens pour faire vibrer la membrane de manière à faire varier le volume de la chambre de compression et contrôler le débit de carburant injecté dans ladite chambre de compression (8), et des moyens de commande (6) connectés aux moyens de vibration et recevant le signal délivré par lesdits moyens de détection (5,5'), caractérisé par le fait que les moyens de commande (6) comprennent une ligne à retard, reçoivent comme seul signal d'entrée le signal délivré par les moyens de détection (5,5'), retardent ce signal et délivrent le signal retardé aux moyens de vibration.
  2. Dispositif de contrôle actif des instabilités de combustion dans une chambre de combustion (1) connectée à une ligne d'alimentation en carburant (3), comprenant des moyens de détection (5,5') pour détecter des instabilités de combustion dans ladite chambre de combustion (1), une chambre de compression (8) à membrane (12), possédant des orifices d'entrée et de sortie (14) connectés respectivement à des parties amont et aval de ladite ligne d'alimentation en carburant (3), et des moyens pour faire vibrer la membrane de manière à faire varier le volume de la chambre de compression et contrôler le débit de carburant injecté dans ladite chambre de compression (8), et des moyens de commande (6) connectés aux moyens de vibration et recevant le signal délivré par lesdits moyens de détection (5,5'), caractérisé par le fait que les moyens de commande (6) comprennent un micro-ordinateur qui reçoit comme seul signal d'entrée le signal délivré par les moyens de détection (5,5'), traite ce signal par une fonction de transfert et délivre le signal traité aux moyens de vibration.
  3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits moyens de détection (5,5') comprennent un microphone monté dans la chambre de combustion (1), ou en amont de celle-ci, pour détecter les variations de pression dans ladite chambre de combustion (1).
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens de détection (5,5') comprennent un capteur optique monté pour détecter les oscillations de la flamme dans la chambre de combustion (1).
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens de vibration comprennent au moins un électro-aimant.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les orifices d'entrée et de sortie (14) sont formés symétriquement radialement dans la paroi latérale (17) de la chambre de compression (8).
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite chambre de compression (8) possède une forme symétrique autour d'un axe de révolution (15).
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la chambre de compression (8) est sensiblement cylindrique.
EP89401754A 1988-06-22 1989-06-21 Procédé et dispositif de contrôle actif des instabilités de combustion Revoked EP0349384B1 (fr)

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