Loading…
Reduction in the run-up distance for the deflagration-to-detonation transition and applications to pulse detonation combustion
Gray, Joshua Allen Terry
Pressure-gain combustion has been a topic of research interest for severald ecades. Due to the potential of pressure-gain thermodynamic cycles of increasing gas turbine effciency by more than 10%, they offer a strategy to combat the growing problem of continually scarcer resources by simultaneous enforcement of ever stricter emissions controls. Furthermore, when hydrogen is used as a fuel, emissions of CO2, a known greenhouse gas, are eliminated. Hydrogen can also be obtained using electrolysis powered by renewable energy sources. In times of less demand, excess energy can be used to produce hydrogen, which can then later be used for combustion-based energy generation when demand once again rises. Gas turbines offer an ideal platform for this technology, due to their fast response times when compared to other sources of combustion-based energy.
One type of pressure-gain combustion is known as pulse detonation combustion. Using this cyclical concept, the fuel is combusted by means of a detonation wave propagating at around 2000 m/s. Because of the speed of propagation, there is no time for the gas to expand during the combustion process and almost the entirety of the energy release is directed towards increases in pressure and temperature. This cycle is known as the Fickett-Jacobs cycle. Due to energy considerations, a flame is typically ignited by a low-energy ignition source and accelerated until it transitions to a detonation. This process is called the deflagration-to-detonation transition (DDT) and is the main focus of this work. Reducing the run-up distance to detonation has a direct impact on effciency. Thus, it is worthwhile to achieve this transition over as short a distance as possible.
In this thesis, various methods of shortening the run-up distance to DDT using obstacles are investigated. Experiments to characterize the initial flame acceleration caused by a single obstacle concluded that the geometry of the obstacle plays only a minor role when compared to its blockage ratio. Furthermore, when multiple orifice plates are used, the optimal separation
distance was found to be just over two tube diameters. Experiments on a separate test bench confirmed this finding also in regards to DDT and found that a tube diameter of around 40mm is necessary to obtain reliable DDT over a reasonable run-up length using orifice plates. The results of these initial studies aided in designing a modular pulse detonation combustion test bench. Using oxygen enrichment to simulate the operating conditions of a micro gas turbine, DDT was achieved using only 2-3 orifice plates when a wave-reflecting geometry was used at the inlet of the detonation chamber to support initial flame acceleration. Further investigations on a shock-focusing nozzle were successful in producing reliable DDT over a length of just 158 mm. Using this nozzle, a local explosion is initiated ahead of a fast accelerating turbulent flame by reflection and focusing of the leading shock. The result is a pressure increase in the region of focus in excess of 50 bar. The process is also found to be very deterministic. Therefore, this geometry presents a very promising means of producing DDT for pulse detonation combustion applications.
Seit einigen Jahrzehnten ist die druckerhöhende Verbrennung ein aktiver Forschungsgegenstand. Aufgrund des Potenzials den Wirkungsgrad von Gasturbinen um mehr als 10% zu steigern, bietet sie eine Möglichkeit immer knapper werdende Ressourcen zu sparen und stetig verschärfte Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Wenn Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, lässt sich sogar die Bildung des Treibhausgases CO2 völlig vermeiden. Wasserstoff kann durch Elektrolyse mit Hilfe erneuerbarer Energien gewonnen werden. Bei geringem Energiebedarf kann Wasserstoff auf Vorrat produziert und dann bei höherem Energiebedarf verfeuert werden. Aufgrund ihrer kurzen Lastwechselzeiten sind Gasturbinen ideal für einen solchen flexiblen Betrieb geeignet. Eine Art der druckerhöhenden Verbrennung stellt die pulsierende Detonationsverbrennung dar. Bei diesem zyklischen Prozess wird der Brennstoff durch eine Detonationswelle, die sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2000 m/s ausbreitet, verbrannt. Wegen der kurzen Verbrennungszeit findet keine Expansion des Gases statt und die gesamte freiwerdende Energie führt zu einer Erhöhung des Drucks und der Temperatur. Dies ist als Fickett-Jacobs-Zyklus bekannt. Typischerweise wird eine Flamme mit einer schwachen Zündquelle initiiert und so lange beschleunigt bis diese in eine Detonation übergeht. Dieser Vorgang heißt Deflagration-zu-Detonations-Transition (DDT) und ist das Hauptthema dieser Arbeit. Die Reduzierung der Detonationsanlaufstrecke hat einen direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad. Daher ist es erstrebenswert die Anlaufstrecke so kurz wie möglich zu gestalten.
In dieser Dissertation werden diverse Methoden zur Verkürzung der Anlaufstrecke diskutiert. Experimentelle Untersuchungen der initialen Flammenbeschleunigung durch ein Hindernis zeigten, dass das Verblockungsverhältnis der maßgebliche geometrische Parameter für dieses Hindernis ist. Bei Verwendung mehrerer Hindernisse zeigte sich, dass der optimale Abstand zwischen diesen bei knapp über zwei Rohrdurchmessern liegt. Untersuchung an einem anderen Prüfstand bestätigten diese Ergebnisse. Weiterhin stellte sich heraus, dass ein Rohrdurchmesser von ca. 40 mm nötig ist, um die DDT innerhalb einer angemessenen Anlaufstrecke zu garantieren. Die Ergebnisse dieser Vorstudien halfen einen modularen Prüfstand für die pulsierende Detonationsverbrennung zu entwerfen. Das Gas wurde mit Sauerstoff angereichert, um die Betriebsbedingungen in einer Kleingasturbine zu simulieren. Dabei konnte eine DDT mit nur 2-3 Blenden erreicht werden, wenn der Detonationskammereinlass reflektierend geformt wurde, um die initiale Flammenbeschleunigung zu begünstigen. Weitere Untersuchungen mit einer stoßfokussierenden Düse ermöglichten eine zuverlässige DDT auf einer Länge von 158 mm. Bei dieser Düse wird eine lokale Explosion vor einer stark beschleunigenden turbulenten Flamme durch Reflektion und Fokussierung des führenden Stoßes eingeleitet. Dadurch wird der Druck in der Umgebung des Fokus um mehr als 50 bar erhöht. Dieser Vorgang erwies sich als überaus deterministisch. Die Anordnung stellt daher ein vielversprechendes Mittel zur Erzeugung der DDT für Anwendungen mit pulsierender Detonationsverbrennung dar.
