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TU Berlin

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Detonationsrohr-Plenum-Wechselwirkungen bei pulsierender Verbrennung

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Für die zukünftig stabile Energieversorgung in Deutschland, aber auch weltweit, ist der Einsatz von Gasturbinen unerlässlich. Zusätzlich bedarf der global wachsende Luftverkehr eine steigende Anzahl von Gasturbinen als Antriebstechnik. Ein mögliches Konzept für eine vergleichsweise drastische Effizienzsteigerung setzt an dem Verbrennungsverfahren an, das den grundlegendsten Schritt in der Energiewandlung einer Gasturbine darstellt. Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches an der Technischen Universität Berlin (SFB1029) soll die klassische Gleichdruckverbrennung durch ein näherungsweises Konstant-Volumen- Verbrennungsverfahren (Constant Volume Combustion) ersetzt werden. Dies kann unter anderem durch den Einsatz einer pulsierenden Detonation (Pulsed Detonation Combustion, PDC) realisiert werden. Hierbei ist der Verbrennungsvorgang nahezu abgeschlossen, bevor sich das Gas ausdehnt. 

Das Konzept der PDC 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 ermöglichen, soll die Maschine mit einem Plenum ausgestattet werden. In Abbildung 1 sind die wesentlichen Baugruppen einer PDC-betriebenen Gasturbine schematisch dargestellt. 

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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 untersucht werden. Hierzu sollen unter anderem Particle-Image-Velocimetry, Schlieren, Background-Oriented-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, soll anschließend eine Optimierung der Geometrien im Hinblick einer Effizienzsteigerung erfolgen. Darüber hinaus dienen die experimentell gewonnenen Daten der Validierung numerischer Simulationen, die von einem Partnerprojekt im Rahmen des SFB1029 an der Freien Universität Berlin durchgeführt werden. Aus der Zusammenarbeit mit den numerischen Partnern sollen zum einen fundierte Vorschläge für experimentelle Designstudien hervorgehen und zum anderen tiefergehende Aufschlüsse über die zu Grunde liegenden gasdynamischen Zusammenhänge gewonnen werden. 

 

Publikationen:

M Rezay Haghdoost, M Nadolski, D Edgington-Mitchell, R Klein, and K Oberleithner. Experimental and numerical investigation of the exhaust flow of a pulse detonation combustor. Poitiers : International Constant Volume and Detonation Combustion Workshop, 2017.

 

M. Nadolski, M. Rezay Haghdoost, J.A.T. Gray, D. Edgington-Mitchell, K. Oberleithner, and R. Klein. Validation of Under-resolved Numerical Simulations of the PDC Exhaust Flow based on High Speed Schlieren. Active Flow and Combustion Control : Springer. 2018.

 

Mohammad Rezay Haghdoost, Jonas Förster, Daniel Edgington-Mitchell, Kilian Oberleithner. Experimental Investigation of Solid Tracer Particle Response Across a Mach Disk by PIV and Schlieren. Lisabon : International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, 2018.

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