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TU Berlin

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High-Speed-Diagnostik der Stoßdynamik in Pulsdetonationsbrennkammern

Kontakt: Mohammad Rezay Haghdoost

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-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.

Abb. 1: Das Konzept der PDC-betriebenen Gasturbine
Lupe

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 wurden bereits unter anderem Particle-Image-Velocimetry, Schlieren sowie Druckmessungen eingesetzt. Dadurch könnten die Auswirkungen verschiedener Betriebsparameter erfasst und die dabei auftretenden physikalischen Zusammenhänge untersucht werden (s. unten angegebene Publikationen).

 

Die experimentell gewonnenen Daten wurden zusätzlich zur Validierung numerischer Simulationen eingesetzt, die von einem Partnerprojekt im Rahmen des SFB1029 an der Freien Universität Berlin durchgeführt werden. Hierzu wurde die Ausströmung einer 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.

Abb. 2: Experimentelle und numerische Schlieren-Aufnahmen sowie Machzahl von der Ausströmung aus einem Detonationsrohr.
Lupe

Nach umfassender Untersuchung der PDE-Einzelrohrkonfiguration wurden Untersuchungen am PDE-Multirohrprüfstand durchgeführt. Um die Pulsationen aus den Brennkammern zu reduzieren, wurde zunächst ein Plenum entwickelt, das stromab von den Detonationsrohren angebracht ist (s. Abb. 3(a)). Abbildung 3 stellt die Entwicklung des statischen Druckverlaufs im Plenum innerhalb eines Zyklus dar. Hierzu wurde der Druck an verschiedenen axialen sowie radialen Positionen an der Plenumswand gemessen. Wie aus der Abbildung 3 hervorgeht, wird der Druckpeak entlang des Plenums signifikant reduziert, was zu einer Minimierung der Pulsationen im pulsierenden Betrieb führen kann. Darüber hinaus ist eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den numerischen und experimentellen Daten zu erkennen. Zukünftig sollen aus der Zusammenarbeit mit den numerischen Partnern zum einen fundierte Vorschläge für experimentelle Designstudien hervorgehen und zum anderen tiefergehende Aufschlüsse über die zu Grunde liegenden gasdynamischen Zusammenhänge gewonnen werden. Weiterhin soll durch eine Drosselung des Plenumsaustrittes das Anbringen einer nachgeschalteten Turbine simuliert werden. Hierzu werden Blenden mit unterschiedlichen Verblockungsgraden eingesetzt, um den Einfluss der Querschnittsverkleinerung experimentell zu untersuchen.

Video: Entstehung der Detonation und die Ausströmung aus dem Detonationsrohr

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