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TU Berlin

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TP A01: Pulsierende Detonationsverbrennung in einer Multi-Rohr-Konfiguration

TP-Leiter:
Prof. O. Paschereit (mail [1])
Prof. J. Moeck (mail [2])

WM:  Fabian Habicht, M.Sc. (mail [3])
Tel.   (030) 314 28802

Zusammenfassung

Die pulsierende Detonationsverbrennung wird experimentell an einem Multi-Rohr-Prüfstand untersucht und der Einfluss verschiedener Zündsequenzen auf die Interaktion zwischen Brennrohren und turbinenseitigem Plenum charakterisiert. Experimente im Dauerbetrieb zur Rohr-Querinteraktionen mit variierender Plenumsgeometrie werden durchgeführt. Der Einfluss erhöhter Eintrittstemperatur und erhöhten Betriebsdruckes auf den Übergang von Deflagration zu Detonation wird anhand der Einzelrohrkonfiguration aus der 1. Phase untersucht.

2. Förderperiode 2016 - 2020

Vorarbeiten

Die Arbeitspakete des Teilprojektes A01 beinhalten die Weiterentwicklung des in der ersten Förderperiode entwickelten Einzelrohrprüftandes sowie den Aufbau eines Multirohrprüfstandes. Bereits in der ersten Förderperiode konnte der zuverlässige Betrieb der Detonationsbrennkammer erreicht werden. Für die Erzeugung einer Detonation wurden zwei verschiedene Geometrien verwendet: (1) Durch die Einbringung von Hindernissen, in Form von Blenden wird die Turbulenz und die Flammenstreckung der Deflagrationsfront stark erhöht. Wird dieser Vorgang in regelmäßigen Abständen wiederholt, so schlägt die Verbrennung in eine Detonation um. Dieser Vorgang wird DDT genannt. Die Beschleunigung der Deflagrationsfront durch Hindernisse ist ein vielfach verwendeter Ansatz in der Detonationsforschung um die DDT-Länge zu minimieren. Durch die Querschnittssprünge innerhalb des Rohres wird jedoch ein großer Druckverlust erzeugt, welcher für die Entwicklung einer effizienten Detonationsbrennkammer von Nachteil ist. (2) Ein geringerer Druckverlust kann mit einer konvergent-divergenten Düse erreicht werden. Der durch die Deflagrationsfront entstehende Stoß wird an dieser Düse fokussiert, wodurch lokal ein sehr hoher Druck erzeugt wird, was zur Ausbildung einer Detonationsfront führt.

Zelltstruktur an der Wand des Detonationsrohres, sichtbargemacht durch eine rußbeschichtete Edelstahlfolie
Lupe [4]

Einzelrohr Konfiguration

Für den Einsatz der pulsierenden Detonationsverbrennung ist nicht nur die zuverlässige DDT, sondern auch eine möglichst hohe Feuerfrequenz und eine lange Betriebszeit von zentraler Bedeutung. Jeder Zyklus besteht aus dem Füllen des Detonationsrohrs mit brennbarem Gemisch, der Verbrennung des Gemisches und dem anschließenden Spülen um das heiße, verbrannte Abgas von dem frischen, brennbaren Gemisch des nächsten Zyklus zu trennen. Durch die Anpassung der Eindüsungsgeometrie im Rahmen der zweiten Förderperiode konnte der Spülvorgang optimiert werden, wodurch der Betrieb mit einer Feuerfrequenz von bis zu 30 Hz ermöglicht wurde. Zudem ermöglicht die Installation eines Wasserkreislaufs zur Kühlung des Detonationsrohres einen Betrieb des Prüfstandes über mehrere Minuten hinweg. Während dieser Zeit wird ein thermisches Gleichgewicht erreicht, was durch eine konstante Temperatur im Inneren des Rohres verifiziert werden kann.

Für das Design einer Detonationsbrennkammer in einer Gasturbine ist die Kenntnis über die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Prozesses wichtig. Der Einfluss der initialen Temperatur auf die Eigenschaften der Detonationsfront wurde für Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 500°C untersucht. Die Ergebnisse wurden im Rahmen der AFCC 2018 (Active Flow and Combustion Control) vorgestellt. Die Größe der Zellen, welche sich aufgrund von Instabilitäten in der Detonationsfront ausbilden, ist ein charakteristischer Parameter einer Detonation und gibt Aufschluss über den erforderlichen Durchmesser des Rohres um eine DDT zu ermöglichen. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Detonationszellgröße bei steigender Temperatur linear sinkt. Zudem wurde die initiale Flammenbeschleunigung untersucht, welche mit der DDT-Länge verknüpft ist. Hier konnte gezeigt werden, dass die Beschleunigung der Flamme bei steigender Temperatur vermindert wird, bis sie ab einer Temperatur von ca. 250°C konstant bleibt.

Durch die Anpassung des Prüfstandes ist der Betrieb bei einem erhöhten Initialdruck von bis zu 3 bar über Atmosphäre möglich. Bei zukünftigen Versuchen, soll der Einfluss des Initialdrucks auf die Prozesse der Flammenbeschleunigung und der DDT untersucht werden.

Multirohr Konfiguration

In einem Multirohr-Aufbau, welcher sich aktuell im Aufbau befindet soll die Interaktion zwischen mehreren Detonationsrohren untersucht werden. In Zusammenarbeit mit den Teilprojekten A05 und C01 wird dieser Prüfstand mit einem Plenum verknüpft. Die auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Rohren sollen quantifiziert und für die Regelung eines stabilen und effizienten Betriebs genutzt werden.

Publikationen (2. Phase)

Gray, J. A. T., Lemke, M., Reiss, J., Paschereit, C. O., Sesterhenn, J., & Moeck, J. P. (2017). A compact shock-focusing geometry for detonation initiation: Experiments and adjoint-based variational data assimilation. Combustion and Flame183, 144-156. DOI: 10.1016/j.combustflame.2017.03.014

Bengoechea, S., Gray, J. A., Reiss, J., Moeck, J. P., Paschereit, O. C., & Sesterhenn, J. (2018). Detonation initiation in pipes with a single obstacle for mixtures of hydrogen and oxygen-enriched air. Combustion and Flame198, 290-304. DOI: 10.1016/j.combustflame.2018.09.017

Völzke, F. E., Yücel, F. C., Gray, J. A., Hanraths, N., Paschereit, C. O., & Moeck, J. P. (2019). The Influence of the Initial Temperature on DDT Characteristics in a Valveless PDC. In Active Flow and Combustion Control 2018 (pp. 185-196). Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-319-98177-2_12

1. Förderperiode 2012 - 2016

Druckerhöhung in Brennkammern durch pulsierende Verbrennung

Zusammenfassung

Das Arbeitsprogramm des Teilprojektes A01 umfasst den Aufbau eines Leitexperimentes innerhalb des SFBs in Form einer pulsierenden Detonationsbrennkammer. Zur Realisierung eines zuverlässigen periodischen Betriebes bei hohen Feuerungsfreuenzen werden in Zusammenarbeit mit den numeri­schen, theoretischen und regelungstechnischen Teilprojekten Methoden zur Beschleunigung des Überganges von Deflagration zu Detonation und zur geeigneten Brennstoff- und Luftzufuhr erarbeitet und im Experiment umgesetzt. Die dabei gemessenen  Daten dienen anderen Teilprojekten im Rahmen des SFB als Randbedingungen.

Abb. 1: Laserschnitttomographie von einer Flamme, die von einer Blende (links) und einer Platte (rechts) beschleunigt wird.
Lupe [5]

In Vorarbeiten wurden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Flammenvisualisierung mittels Laserschnitttomographie durchgeführt. Der Zweck dieser Versuche war die Bestimmung der initialen Flammenausbreitung und -beschleunigung bei unterschiedlichen Strömungshindernissen. Hierbei wurde festgestellt, dass die Form der Hindernisse von untergeordneter Bedeutung ist im Vergleich zum Einfluss des Verblockungsverhältnisses.

Die Flammenausbreitung für zwei verschiedene Strömungshindernisse (eine Platte und eine Blende) ist in Abb. 1 dargestellt. Weitere beispielhafte Versuchsergebnisse werden in Abb. 2 gezeigt. Auf Grundlage der Versuche wurde eine Ausgangsgeometrie für einen neuen Prüfstand bestimmt. Dieser Prüfstand ist im neuen Energielabor des Fachgebiets für Experimentelle Strömungsmechanik untergebracht, das von der TU Berlin finanziert und in Januar 2014 eröffnet wurde. Damit wurden neben dem Labor für die Teilprojekte A01 und A03 des SFB auch weitere Labore geschaffen. Ein Labor wird für die Untersuchung von thermoakustischen Instabilitäten in stationären Gasturbinen und Luftfahrtantrieben genutzt. Weiterhin wurde ein Labor für eine komplette Gasturbine eingerichtet, um thermodynamische Zyklen von innovativen Prozessen wie dem Einsatz vom Wasserdampf in der Verbrennung zu erforschen.

Abb. 2: Wellengeschwindigkeit bei unterschiedlicher Anzahl von Blenden und variablen Abständen.
Lupe [6]

Für die aktuelle Detonationsbrennkammer stehen zwei wesentliche Aufbaumöglichkeiten zur Verfügung. Eine Möglichkeit besteht aus einem modularem Aufbau von Rohrabschnitten und Blenden, wobei sowohl die Anzahl der Blenden als auch deren Abstände  flexibel variiert werden können. Der Druck kann mit Hilfe von schnellen piezoelektronischen Druckaufnehmern erfasst werden, um die Geschwindigkeit von Detonationswellen zu ermitteln. Der Aufbau des Prüfstands ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3: Detonationsprüfstand mit 7 Blenden und eingebautem Druckaufnehmer.
Lupe [7]

Im alternativen Aufbau des Prüfstands sind zwei Seiten der Brennkammer aus Acrylglas gefertigt, um einen optischen Zugang zu ermöglichen. Als optische Messverfahren kommen hochzeitaufgelöste Schlieren- und Schattenverfahren zum Einsatz. Verschiedene Einsätze können in die obere und untere Wand eingebracht werden, um Effekte von Hindernissen und dynamischer Eindüsung auf die Flammenbeschleunigung zu untersuchen. Beispiele von Schattenbildern für laminare und turbulente Einlassbedingungen sind in Abb. 4 zu sehen.

Abb. 4: Schattenbilder von einer Flamme mit turbulentem Einlass (oben) und einer Flamme im ruhendem Medium (unten). Die Flamme wird in einem quadratischen Kanal mit einer doppelseitigen Querschnittsverengung beschleunigt.
Lupe [8]

Publikationen

Gray, J., J. Moeck und C. Paschereit: Non-reacting investigations of a pseudo-orifice for the purpose of enhanced deflagration to detonation transition. In Roy, G.D. and Frolov, S.M. ed. International Conference on Pulsating and Continuous Detonations, Torus Press, 2014.

Gray, J., C. Paschereit und J. Moeck: An Experimental Study of Different Obstacle Types for Flame Acceleration and DDT. In: Active Flow and Combustion Control 2014, S. 265–279. Springer, 2015.

Gray, J., J. Moeck und C. Paschereit: Effect of initial flow velocity on the flame propagation in obstructed channels. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition. Orlando, USA, 2015.

Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch
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Geschäftsführer

Steffi Stehr
E-Mail-Anfrage [10]

Sekretariat

Steffi Stehr
Sekr. ER 2-1
Raum 107
Hardenbergstr. 36a
10623 Berlin
Tel: 314 23110
E-Mail-Anfrage [11]
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