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Towards the implementation of a pulse detonation combustor into a gas turbine

Habicht, Fabian Enrico

FG Experimentelle Strömungsmechanik

Covering the energy demand by using environmentally friendly resources is a major challenge of the present. Gas turbines take a central role in accomplishing this objective, as they allow for bridging periods of a deficit in available renewable energy sources. The application of alternative fuels, such as hydrogen, is particularly desirable to realize an overall climate-neutral energy generation. To minimize the losses on this path, optimizing the thermal efficiency of gas turbines over a broad range of operating conditions is vital. Potentially, this may be achieved by the implementation of a pressure gain combustion process, which can be realized by the integration of a pulse detonation combustor (PDC). The underlaying periodic process is based on the combustion of a fuel–oxidizer mixture by means of a propagating detonation, which induces a considerable pressure increase. However, the cyclic combustion process causes new challenges due to fluctuating boundary conditions for the attached turbomachinery components. Moreover, the efficient realization of deflagration-to-detonation transition (DDT) within a reasonable distance is challenging. To expand the knowledge regarding these two aspects of PDC operation, a number of experimental investigations were conducted in the scope of this thesis. For this, two experimental facilities, i.e. a single-tube PDC and a multi-tube PDC, have been set up at the Chair of Fluid Dynamics at TU Berlin. The single-tube test rig was used for the experimental investigation of detonation initiation by means of two different DDT geometries: a shock-focusing device and a series of orifice plates. Experimental results revealed successful detonation initiation by shock focusing at atmospheric conditions when certain threshold values for the mass flux and the mixture reactivity were exceeded. In addition, the conducted measurements indicated that the operation with the shock-focusing device required a larger volume of flammable mixture to be consumed by deflagration, but on the other hand implied smaller stochastic variations, when compared to the application of a series of orifice plates. Further, the operation behavior of the single-tube PDC was examined at elevated temperature and pressure conditions. The obtained data suggest that applying the shock-focusing device allows for reliable PDC operation at gas turbine relevant conditions. Furthermore, the stratified injection of fuel was proposed and experimentally confirmed as suitable method for realizing stable PDC operation at globally lean mixture conditions, which is desired to ensure the efficient operation of gas turbines with low pollutant emission. The effect of the cyclic PDC operation on attached turbomachinery components was examined experimentally on the multi-tube PDC facility. Pressure measurements upstream and downstream of the combustor allowed for capturing the fluctuation amplitudes with respect to various operation parameters, such as the firing frequency, the firing pattern, and the global equivalence ratio. Recorded pressure histories in an annular plenum downstream of the multi-tube PDC are explained by the excitation of natural acoustic oscillations. The decomposition of pressure signals with regard to the mode shape and oscillation frequency revealed that the amplitude and the number of dominant eigenmodes depended on operation parameters as well as the acoustic boundary conditions. The proper adjustment of these variables allowed for reducing the pressure fluctuations at the turbine inlet. By examining the potential of two DDT geometries, ensuring stable PDC operation at gas turbine relevant conditions, and identifying strategies for reducing pressure fluctuations at the interfaces to turbomachinery components, the present thesis provides a step towards the practical application of a PDC in a gas turbine. Moreover, all experimental investigations were conducted with hydrogen as fuel. Thus, this work contributes to the ongoing research aiming for climate-neutral energy production by highly efficient gas turbines.
Die Deckung des Energiebedarfs durch die Nutzung umweltfreundlicher Ressourcen ist eine der größten Herausforderungen der Gegenwart. Zum Erreichen dieses Ziels ist der verbreitete Einsatz von hocheffizienten Gasturbinen essenziell, da so Zeiträume mit geringer Verfügbarkeit von erneuerbaren Energiequellen überbrückt werden können. Werden hierbei alternative Brennstoffe, wie Wasserstoff, verwendet, kann eine klimaneutrale Bilanz erreicht werden. Um die Verluste auf diesem Weg der Energieerzeugung so gering wie möglich zu halten, ist die Maximierung des thermischen Wirkungsgrades von Gasturbinen über einen breiten Betriebsbereich von großem Interesse. Ein besonders großes Potential bietet der Einsatz eines druckerhöhenden Verbrennungsprozesses, der durch die Integration einer pulsierenden Detonationsbrennkammer (engl. pulse detonation combustor, PDC) realisiert werden kann. Der zugrundeliegende periodische Prozess beruht auf der Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches mittels einer propagierenden Detonationswelle, wodurch ein deutlicher Druckanstieg induziert wird. Neben der möglichen Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades, wurden bei vergangen Untersuchungen jedoch auch einige Herausforderungen bei der Integration in eine Gasturbine identifiziert. Zum einen werden durch den periodischen Verbrennungsprozess schwankende Randbedingung an den Schnittstellen zu Turbomaschinenkomponenten hervorgerufen. Zum anderen ist die effiziente Umsetzung der Transition von Deflagration zu Detonation (engl. deflagration-to-detonation transition, DDT) innerhalb einer akzeptablen Distanz herausfordernd. Um den Kenntnisstand bzgl. dieser beiden Aspekte des PDC-Betriebs zu erweitern wurden eine Reihe von experimentellen Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Hierfür wurden zwei Versuchsaufbauten (ein Einzelrohr-Prüfstand und ein Multirohr-Prüfstand) am Fachgebiet Experimentelle Strömungsmechanik der TU Berlin errichtet. An dem Einzelrohr-Prüfstand wurde der Prozess der Detonationsinitiierung mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Einbauten untersucht: einer stoßfokussierenden Geometrie und einer Reihe von Blenden, welche jeweils in die PDC integriert wurden. Die experimentellen Ergebnisse zeigten die erfolgreiche Detonationsinitiierung durch Stoßfokussierung unter atmosphärischen Bedingungen, falls gewisse Schwellwerte für den Massenstrom und die Mischungsreaktivität überschritten wurden. Zudem ergaben die durchgeführten Experimente, dass bei dem Betrieb mit der stoßfokussierenden Geometrie ein größeres Volumen des brennbaren Gemisches durch eine Deflagration verbrannt wurde, der Prozess jedoch geringeren stochastischen Schwankungen unterlag als bei der Nutzung einer Reihe von Blenden. Darüber hinaus wurde der Betrieb der PDC unter erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen untersucht. Die gewonnenen Daten weisen darauf hin, dass der Einsatz der stoßfokussierenden Geometrie den zuverlässigen Betrieb der PDC unter gasturbinenrelevanten Bedingungen ermöglicht. Des Weiteren wurde die geschichtete Eindüsung des Brennstoffs genutzt um einen stabilen Betrieb mit brenntstoffarmen Gemischen zu erreichen, was für den effizienten Betrieb einer Gasturbine mit geringem Schadstoffausstoß erforderlich ist. Die Auswirkung des zyklischen PDC-Prozesses auf die Randbedingungen angrenzender Turbomaschinen-komponenten wurde experimentell an dem Multirohr-Prüfstand untersucht. Druckmessungen stromauf und stromab der Brennkammer ermöglichten die Erfassung der Schwankungsamplituden in Abhängigkeit der Betriebsparameter, wie der Feuerungsfrequenz, dem Feuerungsmuster und dem globalen Äquivalenzverhältnis. Die aufgezeichneten Druckverläufe in einem annularen Plenum stromab der PDC wurden durch die Anregung von akustischen Eigenschwingungen erklärt. Die Zerlegung der Drucksignale in Bezug auf Modenform und Schwingungsfrequenz ergab, dass die Amplituden und die Anzahl der dominanten Eigenmoden sowohl durch die Wahl der Betriebsparameter als auch durch die akustischen Randbedingungen am Turbineneintritt beeinflusst wurden. Die geeignete Wahl dieser Parameter ermöglichte die Reduktion der Druckschwankungen am Turbineneintritt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten experimentellen Untersuchungen decken mehrere Aspekte ab, die für die praktische Anwendung einer PDC relevant sind. Dazu zählen die Begutachtung des Potentials zwei verschiedener DDT-Geometrien, die Gewährleistung eines stabilen PDC-Betriebs unter gasturbinenrelvanten Bedingungen sowie die Identifizierung von geeigneten Vorgehensweisen zu Reduktion der Druckfluktuationen an den Schnittstellen zu Turbomaschinenkomponenten. Zudem wurde Wasserstoff bei allen Experimenten als Brennstoff verwendet, wodurch diese Arbeit einen Beitrag zu der fortwährenden Forschung an der Realisierung einer klimaneutralen Energieerzeugung durch hocheffiziente Gasturbinen leistet.