Fluidic devices for realizing the shockless explosion combustion process
Bobusch, Bernhard Christian
Die Entwicklung einer effizienten, ressourcenschonenden und damit kostengünstigen Stromerzeugung treibt seit bereits mehr als 100 Jahren die Forschung an. Gerade im Bereich der Gasturbinen werden immer größere Anstrengungen unternommen, um den Wirkungsgrad der Energieumwandlung weiter zu erhöhen. Hierfür verspricht die Gleichraumverbrennung eine enorme Wirkungsgradsteigerung. Die bisher vorgeschlagenen Prozesse der Gleichraumverbrennung haben jedoch einige Nachteile. Der neue und innovative Prozess der Stoßfreien Explosionsverbrennung (Shockless Explosion Combustion, SEC) umgeht einiger dieser Nachteile durch eine innovative Prozessführung. Neben den enormen Vorteilen bringt dieser Prozess aber auch einige Herausforderungen mit sich, die mit traditionellen Bauteilen nicht realisierbar sind. Fluidische Bauteile bieten hierfür enormes Potential, da sie robust sind, ohne bewegliche Teile auskommen und somit eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer aufweisen. Außerdem sind diese Bauteile in der Lage, Strömungen mit sehr hohen Temperaturen und Frequenzen zu steuern und zu kontrollieren. In der vorliegenden Arbeit wird der neue Verbrennungsprozess der Stoßfreien Explosionsverbrennung im Detail vorgestellt. Außerdem werden die Vorteile und die Herausforderungen dieses innovativen Verbrennungskonzepts dargelegt und mit den bereits bekannten Konzepten verglichen. Der Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung von drei fluidischen Bauteilen, die den Prozess der Stoßfreien Explosionsverbrennung ermöglichen. Getrieben von den größten Herausforderungen des neuen Verbrennungskonzepts, nämlich: Sehr gute Mischung von Luft und Brennstoff, Strömungsgleichrichtung am Einlass des Verbrennungsrohres sowie die Reflektion der für den Prozess benötigten Druck- und Saugwellen werden fluidische Bauteile experimentell und numerisch untersucht. Für die Verbesserung der Luft-Brennstoff- Vermischung werden fluidische Oszillatoren eingesetzt. Die in dieser Arbeit vorgestellte detaillierte experimentelle und numerische Untersuchung des eingesetzten Oszillators erklärt den zu Grunde liegenden Oszillationsmechanismus und liefert die Sensitivität der Oszillation auf Veränderungen der Geometrie. Eine Untersuchung der Mischungsqualität zeigt die Überlegenheit dieses Eindüsungskonzepts für die SEC. Für die Strömungsgleichrichtung am Einlass der Brennkammer wird im Rahmen dieser Arbeit eine fluidische Diode entwickelt und untersucht. Die spezielle Geometrie dieses Bauteils sorgt nicht nur für die Strömungsgleichrichtung, sondern auch für die nötige Reflektion der Saug- und Druckwellen innerhalb der Brennkammer. Außerdem wird im Rahmen dieser Arbeit ein atmosphärischer Prüfstand für die Untersuchung der dem Prozess zu Grunde liegenden Selbstzündung entwickelt. Aufgrund der langen Zündverzugszeiten bei atmosphärischem Druck, muss für diesen Prüfstand ein heißer Luftstrom in sehr kurzer Zeit zum Stillstand gebracht werden, während der elektrische Lufterhitzer weiter durchströmt werden muss. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein fluidischer Schalter entwickelt und untersucht. Der Aufbau und die Inbetriebnahme des Prüfstandes zur Untersuchung von Selbstzündungsprozessen mit ersten Zündversuchen bilden den Abschluß dieser Arbeit. Basierend auf den entwickelten Bauteilen und mit Hilfe des neuen Prüfstandes ist es möglich Selbstzündungsprozesse mit Hinblick auf die Stoßfreie Explosionsverbrennung schnell und effizient zu untersuchen. Das erarbeitete Verständnis der fluidischen Bauteile trägt außerdem zu einer schnelleren und effizienteren Auslegung dieser Bauteile bei und ermöglicht somit nicht nur den Prozess der Stoßfreien Explosionsverbrennung, sondern auch die Anpassung dieser Bauteile an andere Prozesse.
The depletability of resources as well as the efficient and economic generation of electrical power is driving the scientific community since more than 100 years. Especially in the field of gas turbines, the efforts to even further increase the efficiency of such systems are tremendous. The constant volume combustion (CVC) is one possibility to create a step–change in the efficiency of gas turbine systems. By utilizing a completely new process it enables new possibilities for future optimizations. However, most of the known CVC processes imply significant drawbacks. In the presented thesis the new and innovative shockless explosion combustion (SEC) is introduced. Employing naturally occurring unsteady effects in the combustor it overcomes most of the detriments of known systems. The SEC process is shown and discussed in detail in the first sections of this thesis. Even though the SEC avoids several drawbacks, new challenges arise from the SEC as well as it is making strict demands on the mixing quality and the flow rectification at the upstream end of the combustion tube. Due to the hot gases and the high frequencies involved in the SEC process, traditional parts are not able to fulfill these requirements for a sufficiently long time. However, fluidic devices are able to withstand the harsh environment of such a combustor and fulfill the requirements of the SEC. By abandoning any moving parts in their setup they provide a very high reliability at an almost infinte lifetime. In the presented thesis three fluidic devices are developed and investigated to match the requirements of the SEC process. In order to create the necessary mixing quality of fuel and air fluidic oscillators are used. The presented detailed experimental and numerical investigation reveals the underlying oscillation mechanism and the influence of the main geometrical parameters on the overall performance of the device. A mixing investigation is subsequently showing the ability of the fluidic oscillator to fulfill the high demands on the mixing quality. For the challenge of the high–frequency flow rectification a fluidic diode is developed and investigated. It is shown that the device is able to create the required performance and to reflect the pressure and suction waves needed by the process. Additionally, a test rig for the investigation of auto–ignition events is designed and developed. In order to investigate the ignition behavior of relevant fuels it is necessary to stop a high temperature stream of air within a very short time. Since no valve is able to withstand this temperature and fulfill this task, a fluidic switch is developed and investigated. This device is able to switch the hot main air flow between two separate flow paths in 7 ms. Combining all the developed devices in the new test rig the first ignition tests within this SEC ignition test rig are conducted and presented. Based on the presented results and by employing the new test rig it is possible to investigate the auto–ignition behavior of relevant fuels flexibly and efficiently. The created deeper understanding of the different fluidic devices not only enables the SEC process but also allows for a faster and more efficient adaption of these devices to different tasks and applications.
