Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Chambres de combustion

Une chambre de combustion doit satisfaire des contraintes sévères :

  • assurer une combustion complète du combustible ;

  • réduire les émissions de polluants ;

  • minimiser la perte de charge (qui représente un surcroît de compression) ;

  • assurer une bonne stabilité de la température d'entrée turbine ;

  • occuper un volume aussi réduit que possible tout en permettant un bon refroidissement des parois.

Le schéma ci-dessous représente la coupe d'une chambre de combustion du type tube de flamme, très communément rencontrée en pratique.

Dans la partie gauche, arrive l'air comprimé qui sort du compresseur. Il se scinde en deux courants, l'un qui assure le refroidissement des parois, l'autre qui pénètre directement dans la chambre de combustion, où il sert de comburant au combustible injecté en partie centrale. Compte tenu du faible excès d'air local, la flamme atteint une haute température (jusqu'à 2500 K) dans la zone primaire. Par des trous disposés à la périphérie des tubes de flamme, l'air extérieur revient se mélanger aux gaz brûlés dans la zone transitoire, où la température redescend autour de 2000 K, puis dans la zone de dilution, où l'on cherche à réaliser un flux de gaz de température aussi stable que possible pour éviter les risques de surchauffe locale ou momentanée.

Dans les chambres à barillet de tubes de flammes, six à douze tubes de ce type sont montés en parallèle autour de l'axe de la turbine à gaz. Ils sont interconnectés de manière à équilibrer les pressions et permettre la propagation de l'allumage.

Deux autres types de chambre existent :

  • les chambres à silos : dans ce cas, les chambres, séparées de l'axe, sont de taille beaucoup plus importante, ce qui permet de mieux maîtriser la combustion, notamment en ce qui concerne les émissions de polluants (NOx) ;

  • les chambres annulaires : la chambre comporte une seule enceinte, annulaire, le carburant étant injecté en de nombreux points. On peut ainsi obtenir une flamme plus courte et un meilleur rendement de combustion.

Les efforts des constructeurs portent essentiellement aujourd'hui sur la réduction des émissions de polluants, en particulier des oxydes d'azote.

Caractéristiques thermodynamiques

En première approximation, les chambres de combustion des turbines à gaz peuvent être considérées comme isobares. Les pertes de charge y sont en effet généralement relativement faibles. En revanche, les combustions qui prennent place dans les moteurs alternatifs à combustion interne ne sont pas isobares. Le paramétrage de la chambre de combustion dépend donc beaucoup de la technologie que l'on cherche à modéliser.

Lorsque la combustion est non stoechiométrique, elle peut être caractérisée de plusieurs manières :

  • soit par l'excès d'air e, qui comme son nom l'indique, représente la quantité d'air en excès

  • soit par le facteur d'air lambda, qui est le terme multiplicateur de l'air dans l'équation de la combustion

  • soit par la richesse R, rapport du nombre de moles (ou de la masse) de combustible contenu dans une quantité déterminée de mélange, au nombre de moles (ou à la masse) de combustible dans le mélange stœchiométrique.

lambda = 1 correspond au mélange stœchiométrique, lambda > 1 à un excès d'air, et lambda < 1 à un excès de combustible

Ces trois grandeurs sont reliées par les relations simples lambda = 1 + e, et R = 1/lambda

Le paramétrage des écrans de combustion se fait en utilisant lambda.

  • la première consiste à se donner la valeur de lambda et à calculer la température de fin de combustion et le débit de combustible nécessaire 

  • la deuxième consiste à à se donner la valeur de la température de fin de combustion et à calculer lambda et le débit de combustible nécessaire 

  • la troisième consiste à à se donner la valeur du combustible et à calculer lambda et la température de fin de combustion 

Références livre

Chapitre 5

 Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris

Séances Diapason disponibles

contenu

étapes

durée de la sonorisation

S15

Thermodynamique de la combustion

16

9 mn 50 s

S16

Technologie des chambres de combustion et des chaudières

9

4 mn

Applet Calculs de combustions Thermoptim-Light

Une applet vous permettant de vous initier aux calculs des combustions est à votre disposition.

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