Mesures de compositions locales dans les flammes vià plasma induit par laser

Laurent Zimmer, Shigeru Tachibana
unpublished
Afin de réduire les émissions toxiques des turbines à gaz, la combustion prémélangée offre une solution attractive. Néanmoins, en pratique, la qualité du mélange peut-être délicate à assurer et il faut recourir à des techniques capables d'effectuer des mesures locales et instantaneés du rapport entre carburant et oxydant. Afin de fournir de telles données, une technique utilisant un laser Nd:YAG, focalisé vià une lentille sphérique afin de créer un plasma local a été utilisée. Cette technique
more » ... . Cette technique est connue sous le nom de spectroscopie plasma induite par laser (Laser Induced Plasma Spectroscopy; LIPS). Chaque molécule se trouvant initialement dans le volume de mesure est décomposée en atomes et ainsi l'émission du plasma permet d'accéder à la composition locale du gaz. En utilisant le rapport entre l'émission d'hydrogène (carburant) et celle de l'azote ou de l'oxygène (représentant l'oxydant), il est possible de remonter à la richesse locale. Cependant, différents problèmes doivent être pris en compte, comme par exemple le degré d'ionization du plasma ou encore la position exacte du plasma. L'ionization du plasma est déterminée dynamiquement par le rapport d'émissions entre deux raies d'hydrogène. Deux applications de cette technique sont présentées ici. Il est ainsi montré que des jets d'air secondaires utilisés pour la stabilisation de la flamme vont réduire localement la richesse du mélange initial. Cette technique a aussi permit de tester l'efficacité de deux types de mélangeur et de les comparer avec une méthode plus standard reposant sur une longueur de mélange plus importante. Abstract : In order to reduce pollutant emissions from gas turbines, premixed combustion offers an attractive solution. However, in practical cases, the quality of the mixing may be difficult to assess and one need techniques to actually measure the local and instantaneous ratio between fuel and oxidizers. To provide such data, a technique was used that uses a Nd:YAG laser, focused through a spherical lens to create a local plasma. This technique is known as Laser Induced Plasma Spectroscopy (LIPS). Each molecule within the initial probe volume is decomposed into its fundamental atomic components and therefore the emission of the plasma will give a clear evidence of the local composition. Using ratio of hydrogen (representing fuel) versus oxygen or nitrogen (representing oxidizers), it is possible to retrieve the equivalence ratio information. Different cautions have to be taken however, like the degree of ionization of the plasma as well as the actual position of the plasma. Ionization is determined dynamically looking at the ratio between two hydrogen emission lines. Applications of this technique are shown in two different configurations. Fundamental flames have been investigated and the effects of dilution induced by secondary air jets used to stabilize the flame on the main mixture were clearly shown. Two different mixing devices were investigated as far as their mixing efficiency is concerned and compared with a more standard way to achieve mixing, using longer mixing length. Introduction : With the actual regulations on emissions, it is common to run combustors in lean premixed modes. In land-based turbines, the mixing section dimension is not as crucial as in aircraft design. However, rapid mixing is a key parameter and a proper evaluation of the properties of the mixture has to be available to designers in order to improve or validate the new mixing devices. It is relatively easy to achieve qualitative characterization of mixing using for instance tracers to see where the fuel is actually injected. However, quantitative measurements remain a challenging issue (see [Schulz and
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