Flame extinction performance evaluation in an aeronautical combustion chamber

In the helicopter market the capability of performing fast manoeuvres, i.e. to make fast engine acceleration and deceleration, is one of the top level requirements for the costumers. During the decelerations the amount of fuel injected in the combustion chamber decreases very quickly, making a transient in which a minimum Fuel-Air Ratio (FAR) is met. In this context, lean blowout (LBO) must be avoided. The aim of this work is to assess the impact of some technological details on the extinction performances of the Arrano 1A engine, produced by Safran Helicopter Engines. The latter is the first engine in which Spinning Combustion Technology (SCT) has been implemented. After a general presentation of flame extinction phenomena, together with some relevant results found in the literature, the description of the two main approaches, experimental and numerical, is done. Then, the discussion focused on numerical computations, where Large Eddy Simulations were operated to evaluate the extinction performances. The AVBP software has been used for this purpose. A preliminary 0D study on AVBP focused on evaporation has been carried out, showing relevant correlations between the evaporation time and the boundary conditions applied, notably fuel initial temperature, droplet diameter distribution and air temperature. Finally, two-phase 3D LES have been performed to study the Arrano 1A combustion chamber. In particular the focus was centred on the impact of a leakage between the flame tube and the injector. Two sets of numerical parameters have been used, changing the numerical scheme applied and the Charlette's efficiency coefficient. The first set was found to be not reliable for extinction prediction, while the second one has shown a good agreement with experimental tests. Two operating points have been object of study. In the first case, at lower regime, the leakage enhanced flame stability, bringing to a lower LBO limit. On the contrary at higher regime no remarkable differences in terms of flame extinction performances is observed. Globally, it was demonstrated how the leak pushes the flame far from the liner wall, contrasting the effects of the tangential flow due to SCT. At the end of this work many proposals concerning advanced extinction criteria and design modifications suitable for extinction performances are provided.

Nel mercato degli elicotteri la capacità di compiere veloci manovre, ovvero di effettuare forti accelerazioni e decelerazioni, è uno dei requisiti più apprezzati dai clienti. Durante la decelerazione la quantità di carburante iniettata nella camera di combustione diminuisce molto velocemente, compiendo un transitorio nel quale un rapporto minimo aria-carburante (fuel-to-air-ratio, FAR in inglese) è raggiunto. Lo scopo di questo lavoro è di valutare l'impatto di alcuni dettagli tecnologici sulle performance di estinzione del motore Arrano 1A, prodotto da Safran Helicopter Engines. Quest'ultimo è il primo motore ad implementare la extit{Spinning Combustion Technology} (SCT). Dopo una presentazione generale dei fenomeni di estinzione della fiamma, accompagnata da alcuni rilevanti risultati trovati in letteratura, è stata svolta la descrizione dei due possibili approcci di studio del problema, quello sperimentale e quello numerico. In seguito, la discussione è stata focalizzata sul calcolo numerico, adoperando delle extit{Large Eddy Simulations} (LES) per valutare le performance di estinzione. Il software utilizzato è AVBP. Uno studio preliminare 0D focalizzato sull'evaporazione è stato eseguito, mostrando importanti correlazioni tra il tempo di evaporazione e le condizioni al bordo applicate, quali la temperatura iniziale del combustibile, la distribuzione del diametro delle gocce e la temperatura dell'aria. Per finire, 3D LES bifase sono state svolte su una camera di combustione dell'Arrano 1A. Lo studio si è focalizzato sull'effetto di una fessura tra il tubo a fiamma e l'iniettore. Due set di parametri numerici sono stati oggetto di analisi, utilizzando diversi schemi numerici e coefficienti. Il primo set è risultato non affidabile nella predizione del fenomeno di estinzione, al contrario il secondo è in accordo con i risultati sperimentali. Due punti di funzionamento sono stati oggetto di studio. Nel primo caso, a basso regime, la fessura incoraggia la stabilità di fiamma, abbassando il limite di estinzione. Contrariamente nel secondo caso, a più alto regime, alcuna differenza rimarcabile è stata osservata in termini di performance d'estinzione. Globalmente, è stato dimostrato come la fuoriuscita d'aria spinga la fiamma lontana dalla parete del liner, contrastando l'effetto della corrente tangenziale dovuta alla SCT. In conclusione a questa tesi sono stati proposti dei nuovi criteri avanzati per l'identificazione dell'estinzione ed alcuni design futuri possibili.