TU Berlin

Sonderforschungsbereich 1029SFB1029: A03

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A03: Pulsierende stossfreie Verbrennung

TP-Leiter:
(TUB) Prof. O. Paschereit ()
(FUB) Prof. R. Klein ()

(TUB) WM:  Fatma Yücel, M.Sc. (           Tel.   (030) 314 24664

(FUB) WM:  Giordana Tornow, M.Sc. (           Tel.   (030) 838-75368

Zusammenfassung

In TP A03 wird der “shockless explosion combustor” (SEC) entwickelt. Als ein mit quasihomogenen Selbstzündungen getriebenes Rijke-Rohr erzielt dieser nahezu isochore Verbrennung mit stoßfreien Pulsationen ohne verlustbehaftete Deflagrationsbeschleunigung. Der Nachweis, dass hinreichend homogene Selbstzündungen prozesstechnisch darstellbar sind, wurde in Phase I geführt. Um auch die nötige Resonanz von Chemie und Akustik mit verfügbaren Brennstoffen zu realisieren, wird in Phase II ein vollwertiger SEC in einer Hochdruckkammer untersucht. Weiterführende Fragen, z.B. nach Prozessstabilität oder der Durchstimmung von Leerlauf bis Vollast, werden wieder theoretisch-numerisch vorgeklärt.

2. Förderperiode 2016 – 2020

Resonanter Betrieb

Das Ziel der pulsierenden stoßfreien Explosionsbrennkammer ist die Generierung einer druckerhöhenden Verbrennung durch eine quasi-homogene Selbstzündung des Gemisches in der Brennkammer. Da die Brennkammer axial gefüllt wird, ist die Residenzzeit des Gemisches in der Brennkammer nicht konstant. Dies wird durch eine Variation der Zündverzugszeit kompensiert, sodass eine konstante Zündzeit in der gesamten Brennkammer erreicht wird. Hierfür wird das Äquivalenzverhältnis über die Dauer der Eindüsung variiert. Die bei der Zündung entstehende Druckwelle durchläuft das Rohr und wird am offenen Ende als Saugwelle reflektiert, welche dann zur Wiederbefüllung des Rohres mit einem zündbaren Gemisch dient.

Optimierung der Eindüsung am Atmosphärischer Prüfstand

Für die gezielte Steuerung des Äquivalenzverhältnisses ist eine präzise Eindüsung der benötigten Brennstoffkurve notwendig. In der ersten Förderperiode wurde ein Prüfstand für die Untersuchung der Eindüsung und deren Regelung bei atmosphärischen Druckverhältnissen aufgebaut. Zur Minimierung der Zündverzugszeit des Dimethylether-Luft-Gemisches wird die Luft auf bis zu 700°C vorgeheizt. Um die Beobachtung der Selbstzündung in der Brennkammer zu ermöglichen, wird die Strömung angehalten und die nachströmende vorgeheizte Luft über einen Bypass umgelenkt.

In der zweiten Förderperiode wurde der Wärmeverlust zwischen Luftvorheizer und Brennkammer reduziert, wodurch höhere Temperaturen in der Brennkammer und somit geringere eine Zündverzugszeit realisiert werden konnte. Dies ermöglichte den Verzicht auf das Anhalten der Strömung sowie den Bypass. Die Konvektion des Gemisches während der Zündverzugszeit durch die Strömung wird durch ein gerades Rohr kompensiert. Dieser neuartige ‚Single Tube‘ Aufbau der SEC hat eine deutlich erhöhte Ähnlichkeit zum Aufbau der SEC im resonanten Betrieb und ermöglicht Untersuchungen, die zur Auslegung der SEC bei erhöhtem Druck essentiell sind.

Mit der neuen Konfiguration des atmosphärischen SEC-Prüfstandes erfolgte zunächst die Quantifizierung der neuen Eindüsungsgeometrie, wobei die wichtigsten Parameter für die Ermöglichung einer präzisen Eindüsung ermittelt werden konnten. Weitere experimentellen Untersuchungen sollen zeigen, dass die Steuerbarkeit des Zündverhaltens durch eine optimierte Eindüsungsgeometrie verbessert werden kann. Zudem soll die Anhängigkeit zwischen Zündverhalten und resultierender Druckerhöhung bestimmt werden.

Druckerhöhung

Um die SEC in einen resonanten Betrieb zu überführen, ist eine weitere Reduzierung der Zündverzugszeiten notwendig, was durch eine Druckerhöhung erreicht werden kann. Um den Druck in der Brennkammer zu erhöhen und gleichzeitig ein akustisch offenes Ende zur Generierung einer Saugwelle zu gewährleisten, wurde ein Kugelplenum ausgelegt, welches an die Brennkammer angeschlossen wird. Dieser neue Prüfstand soll zeigen, dass der resonante Betrieb der SEC tatsächlich technisch umsetzbar ist.

Software

Die Software, die an der Freien Universität Berlin entwickelt wurde, um die SEC und die pulsierende Detonationsverbrennung (PDC) in quasi-1D zu simulieren, wurde im Laufe der zweiten Förderperiode erweitert und verfeinert. Sie wurde so an die Ansprüche der Nutzer auch aus den anderen Teilprojekten angepasst. Dabei wurden eine adaptive Gitterbewegung sowie die Möglichkeit zur Modellierung komplexerer Systeme durch Kopplung quasi-eindimensionaler Simulationen implementiert. Letztere ermöglicht unter anderem einen Einblick in die Interaktion von beliebig vielen Brennrohren miteinander oder mit einer stark vereinfachten Turbine über ein torusförmiges Plenum. Es können unterschiedliche Konfigurationen in Bezug auf den Radius und die Länge des Plenums, die Verteilung der Brennrohre über die Plenumlänge und deren Einfallswinkel untersucht werden. Vor allem aber steht die Feuersequenz bisher im Mittelpunkt des Interesses und die etwaige Möglichkeit, ein Brennrohr nach einer Fehlzündung mithilfe der anderen Brennrohre wieder zu starten. Diese Interaktionen sollen auch analytisch mit den Mitteln der nichtlinearen Akustik ergründet werden.

Zu den für die Zukunft geplanten Erweiterungen der Software gehört auch die Einbindung der Diffusion. Diese ermöglicht dann zusammen mit bereits fertiggestellten Erweiterungen die Simulation von Turbulenzeffekten. Die Grundlage hierfür bildet das One-Dimensional-Turbulence-Model, welches genutzt wird, um Turbulenz rechenzeitsparend phänomenologisch zu simulieren.

Publikationen

Berndt, P. and Klein, R. In: Modeling the kinetics of the Shockless Explosion Combustion. Combustion and Flame, 16–26, 2017.

Reichel, T. G., Schäpel, J.-S., Bobusch, B. C., Klein, R., King, R. and Oliver Paschereit, C. In: Shockless Explosion Combustion: Experimental Investigation of a New Approximate Constant Volume Combustion Process. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2017

Schäpel, J.-S., King, R., Yücel, F., Völzke, F., Paschereit, C. O. and Klein, R. in: Fuel Injection Control for a Valve Array in a Shockless Explosion Combustor. ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, V006T05A007, 2018

Tornow, G. und R. Klein: A 1D Multi-Tube Code for the Shockless Explosion Combustion. In: Active Flow and Combustion Control 2018, S. 321 – 335. Springer, 2019.

Yücel, F.C., F. Völzke und C. O. Paschereit: Effect of the Switching Times on the Operating Behavior of a Shockless Explosion Combustor. In: Active Flow and Combustion Control 2018, S.121–134. Springer, 2019.

L. Zander, G. Tornow, Rupert Klein, N. Djordjevic: Knock control in Shockless Explosion Combustion by extension of excitation time, Active Flow and Combustion Control 2018, pp. 151-166, Springer, Cham.

1. Förderperionde 2012 - 2016

Zusammenfassung

Versuchsstand zur Untersuchung der homogenen Zündung. Die fluidischen Elemente sind in rot (Schalter) und blau (Diode) eingezeichnet.
Lupe

Die stoßfreie, druckerhöhende Verbrennung (SEC) ist ein neu vorgeschlagener Betriebsmodus für Gasturbinen. Wie auch die von TP A01 untersuchte detonative Verbrennung verspricht die SEC eine signifikante Wirkungsgradsteigerung, allerdings ohne dabei die starken Druckstöße auszubilden. Der Gesamtwirkungsgrad kann dadurch noch einmal gesteigert und die Materialbelastung reduziert werden. TP A03 beschäftigt sich mit der Realisierung der SEC. Das Teilprojekt gliedert sich in zwei Teile:

An der Technischen Universität Berlin wird die technische Realisierbarkeit des Prozesses untersucht. Mischversuche am Wasserkanal sowie Einzelzündungen am heißen Versuchsstand liefern die notwendigen Parameter für die theoretischen Untersuchungen. Ziel ist ein funktionsfähiger Demonstrator für die SEC.

An der Freien Universität Berlin wird der Prozess theoretisch und in 1D-Simulationen betrachtet. Ziel ist dabei, einen Eindüsungsverlauf für die Treibstoffzufuhr zu finden, der zuverlässige, nahezu homogene - und damit stoßfreie - Zündungen im resonanten Betrieb ermöglicht. Zudem werden hier numerische Verfahren für die Simulation der Eulergleichungen thermisch perfekter Gasgemische untersucht.

Druckanstieg in einer quasi-homogenen Zündung. Die horizontale Achse zeigt den Ort in einem eindimensionalen Rohr, die vertikale die Zeit.
Lupe

Die Auswertung der Ergebnisse von Teilprojekt A07 hat ergeben, dass
SEC-geeignete Treibstoffe erst in hohen Druckregimes verfügbar sind.
Anstelle der vollen SEC tritt im Experiment daher zunächst die
Untersuchung der technischen Realisierbarkeit einer homogenen Zündung
unter streng kontrollierten Bedingungen. Dabei garantieren fluidische
Elemente eine hinreichend schnelle Prozesssteuerung. Die dabei gewonnen
Erkenntnisse sollen genutzt werden, um in der kommenden Projektphase
einen Hochdruckversuch anzustreben. Da technische Einschränkungen
lediglich das Experiment betreffen, führt die theoretische Seite
Voruntersuchungen zur Initiierung der stoßfreien Verbrennung aus dem
klassischen Turbinenbetrieb heraus durch.

Publikationen

Berndt, P.: On the Use of the HLL-Scheme for the Simulation of the Multi-Species Euler Equations. Springer Proceedings in Mathematics & Statistics, Finite Volumes for Complex Applications VII: Elliptic, Parabolic and Hyperbolic Problems:809–816, 2014.

Bobusch, B.C.: Fluidic devices for realizing the shockless explosion combustion process. Dissertation, Technische Universität Berlin, 2015.

Bobusch, B.C., P. Berndt, C.O. Paschereit und R. Klein: Shockless Explosion Combustion: An Innovative Way of Efficient Constant Volume Combustion in Gas Turbines. Combustion Science and Technology, 186(10-11):1680–1689, 2014, ISSN 0010-2202.

Bobusch, B.C., P. Berndt, C.O. Paschereit und R. Klein: Investigation of fluidic devices for mixing enhancement for the shockless explosion combustion process. In: Active Flow and Combustion Control 2014, S. 281–297. Springer, 2015, ISBN 3319119664.

Schäpel, J. S., R. King, B. Bobusch, J. Moeck und C.O. Paschereit: Adaptive Control of Mixture Profiles for a Combustion Tube. In: ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, S. V04AT04A005, Monday 15 June 2015.

Wolff, S., J.S. Sch¨ apel, P. Berndt und R. King: State estimation for the homogeneous 1-D Euler equation by Unscented Kalman Filtering. In: Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Conference, 2015.

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