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TU Berlin

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C01: Experiment und Numerik zu Brennrohr-Plenum-Wechselwirkungen bei pulsierendere Verbrennung

TP-Leiter
Prof. Dr.- Ing. Rupert Klein ()
Prof. Dr. Kilian Oberleithner ()

WM: Maikel Nadolski ()

WM: Mohammad Rezay Haghdoost ()

1. Förderperiode 2016 - 2020

Zusammenfassung

Das Konzept der PDC-betriebenen Gasturbine zielt darauf ab, eine Druckerhöhung zwischen Verdichter- und Turbinenplenum mittels pulsierender Detonation zu erzielen. Erstrebenswert ist, dass die zum Einsatz kommenden Verdichter, Turbinen und andere Bauteile der Gasturbine weitgehend baugleich mit denjenigen sind, die auch in herkömmlichen Gasturbinen zum Einsatz kommen. Um dies zu ermöglichen, muss die aus der PDC austretende Strömung für die stromab angebrachte Turbine angepasst werden. Dies ist erforderlich, um eine effiziente Energieumwandlung aus dem pulsierenden und mit hohem Druck und hoher Temperatur ausgestatteten Heißgas in Wellenleistung zu ermöglichen. Um dies zu realisieren, soll die Maschine mit einem Plenum ausgestattet werden. In Abb.1 sind die wesentlichen Baugruppen einer PDC-betriebenen Gasturbine schematisch dargestellt. 

PDC betriebene Gasturbine
Lupe

Die primäre Aufgabe des Plenums ist, die zu erwartenden Pulsationen der Strömungsgrößen zeitlich und räumlich zu minimieren. Gleichzeitig soll die bei der pulsierenden Verbrennung entstehende kinetische Energie aus dem Detonationsrohr möglichst effizient in die Turbine zur Arbeitsumsetzung weitergeleitet werden. Die Bewältigung der in dem Plenum auftretenden Wechselwirkungen und Verlustprozesse ist von besonderer Relevanz für die Umsetzung eines effizienten Gesamtprozesses. 

Im Fokus dieser Arbeit steht die Erarbeitung der grundlegenden thermodynamischen und strömungsmechanischen Zusammenhänge für die Auslegung solch eines Plenums. Dies soll vorrangig erreicht werden, indem verschiedene Designstudien an einem PDC experimentell und numerisch untersucht werden. Hierzu sollen auf der experimentellen Seite vorranging Particle-Image-Velocimetry, Schlieren und Druckmessungen eingesetzt werden. Dadurch können die Auswirkungen verschiedener Geometrien systematisch erfasst und die dabei auftretenden physikalischen Zusammenhänge beschrieben werden. Sind die Einflüsse der unterschiedlichen Designs hinreichend bekannt, kann anschließend eine Optimierung der Geometrien im Hinblick einer Effizienzsteigerung erfolgen. Darüber hinaus dienen die experimentell gewonnenen Daten der Validierung numerischer Simulationen.

Ein Schwerpunkt der bereits durchgeführten Arbeiten handelte von der Weiterentwicklung der Simulationen und deren Validierung anhand der experimentell gewonnen Daten. Hierzu wurde die Ausströmung eine Einzelrohrkonfiguration für einen Zyklus detailliert untersucht. Dafür wurde bereits ein umfassender Datensatz experimentell erhoben. Räumlich und zeitlich hochaufgelöste PIV, Schlieren und Druckmessungen stellen eine solide Grundlage für die Validierung der numerischen Simulationen dar. Abb. 2 stellt die Entwicklung der Ausströmung der PDC anhand einer zeitlichen Abfolge von Schlieren-Bildern dar. Auf der linken Seite sind numerisch und auf der rechten Seite experimentell erfasste Bilder dargestellt. Der Vergleich der Abbildungen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung der numerischen und experimentellen Daten.

Numerische und experimentelle Schlieren-Bilder am Auslass des PDC
Lupe

Um den Betrieb der Gesamtmaschine zu untersuchen, wurde ein Plenum für den Multirohrkonfiguration ausgelegt (Abb. 3). Diese simple Konfiguration ermöglicht einen direkten Vergleich mit Voruntersuchungen aus der Einzelrohrkonfiguration und ermöglicht konsistente Rückschlüsse anhand der gewonnen Erkenntnisse aus den bereits durchgeführten Untersuchungen an der Einzelrohrkonfiguration. Darüber hinaus bietet das modulare Design des Plenums die Möglichkeit verschiedene Einlassgeometrien für das Plenum zu untersuchen. Hierbei soll neben konvergenter, divergenter und gerader Düsen auch eine speziell für diese Anwendung ausgelegte Geometrie zum Einsatz kommen. Dieser sogenannte „Divider“ (s. Abbildung 4) hat das primäre Ziel, die Pulsation der Strömung zu minimieren, in dem aus einem Stoß, mehrere schwächere Stöße generiert werden.  Zurzeit werden in einer Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe an der Monash University unterschiedliche Designstudien für die Auslegung eines solchen Dividers durchgeführt. Abschließend soll eine optimierte Geometrie sowohl experimentell als auch numerisch an dem Multirohrprüfstand untersucht werden.

Multirohrprüfstand
Lupe
Divider teilt einen (a) starken Stoß in (b) zwei schwächere Stöße
Lupe

Publikationen

B. Thethy, M. Rezay Haghdoost, K. Oberleithner, D. Honnery and D. Edgington-Mitchel: Influence of Nozzle Geometry on Detonation-Driven and Shock-Driven Transient Supersonic Jet Flow; ISABE - International Society for Air Breathing Engines 2019.

Bluemner R., Paschereit C., Oberleithner K.: Generation and transport of equivalence ratio fluctuations in an acoustically forced swirl burner, Combustion and Flame, 2019.

Gokhale N., Nikiforakis N., Klein R.: A dimensionally split Cartesian cut cell method for hyperbolic conservation laws, Comput. Phys., pp. 186 - 208, 2018.
https://arxiv.org/abs/1711.11493

Bennett W.P., Nikiforakis N., Klein R.: A Moving Boundary Flux Stabilization Method for Cartesian Cut-Cell Grids using Directional Operator Splitting, Comput. Phys., pp. 333 - 358, 2018.

Gokhale N., Nikiforakis N., Klein R.: A dimensionally split Cartesian cut cell method for the compressible Navier-Stokes equations, Comput. Phys., 1205 - 1219, 2018.

Nadolski, M.; Haghdoost, M. Rezay; Gray, J. A. T.: Edgington-Mitchell, D.; Oberleithner, K.; Klein, R.: Validation of Under-Resolved Numerical Simulations of the PDC Exhaust Flow Based on High Speed Schlieren. In: Active Flow and Combustion Control 2018 141, S. 237-253. DOI: 10.1007/978-3-319-98177-2_15, 2019.

Rezay Haghdoost, Mohammad and Edgington-Mitchell, Daniel M and Paschereit, Christian O and Oberleithner, Kilian (2019). Investigation of the Exhaust Flow of a Pulse Detonation Combustor at different Operating Conditions based on High-Speed Schlieren and PIV.  AIAA Scitech 2019 Forum, 1512.

Rezay Haghdoost, Mohammad and Förster, Jonas and Edgington-Mitchell, Daniel and Oberleithner, Kilian (2018). Experimental Investigation of Solid Tracer Particle Response Across a Mach Disk by PIV and Schlieren.  19th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, July 16-19, Lisbon, Portugal

Rezay Haghdoost, Mohammad and Nadolski, Maikel and Edgington-Mitchell, Daniel and Klein, Rupert and Oberleithner, Kilian (2017). Experimental and numerical investigation of the exhaust flow of a pulse detonation combustor.  International Constant Volume and Detonation Combustion Workshop, Poitiers, France. International Constant Volume and Detonation Combustion Workshop.

Lang, H and Oberleithner, Kilian and Paschereit, C. O. and Moritz, Sieber (2017). Measurement of the fluctuating temperature field in a heated swirling jet with BOS tomography.  Experiments in Fluids. Springer Nature, 88.

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Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch

Geschäftsführer

Steffi Stehr

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