High-Speed-Diagnostik der Stoßdynamik in Pulsdetonationsbrennkammern

Für die zukünftig stabile Energieversorgung sowie Antriebstechnik im Luftverkehr ist der Einsatz von Gasturbinen unerlässlich. 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.

Das Konzept der PDC zielt darauf ab, eine Druckerhöhung zwischen Verdichter- und Turbinenplenum mittels pulsierender Detonation zu erzielen. Für die Implementierung der PDC ist es unabdingbar, dass die aus der PDC austretende Strömung für die stromab angebrachte Turbine angepasst wird. Dies ist erforderlich, um eine effiziente Energieumwandlung aus dem pulsierenden und mit hohem Druck und hoher Temperatur ausgestatteten Heißgas in Wellenleistung zu ermöglichen. Das primäre Ziel dieses Projekts ist die Erfassung der aus der PDC austretenden Strömung sowie Erarbeitung von Maßnahmen für eine Reduzierung der Strömungsfluktuationen. Dies soll bspw. durch die Anbringung eines Plenums stromab von der PDC gewährleistet werden. In Abbildung 1 sind die wesentlichen Baugruppen einer PDC-betriebenen Gasturbine mit solch einem Plenum schematisch dargestellt.

In diesem Projekt werden vorrangig experimentelle Methoden, wie Particle-Image-Velocimetry, Schlieren sowie Druckmessungen, eingesetzt. Die experimentell gewonnenen Daten werden zusätzlich zur Validierung numerischer Simulationen eingesetzt, die von einem Partnerprojekt im Rahmen des SFB1029 an der Freien Universität Berlin durchgeführt werden. Die Methoden wurden zunächst angewandt, um die Ausströmung aus dem PDC zu erfassen.

Anschließend wurden Methoden, wie das Plenum sowie Stoß-Verteiler (Divider), entwickelt und untersucht, um die Fluktuationen aus der PDC zu minimieren. Der Divider zielt darauf ab, die starken transienten Stöße in schwächere Stöße zu verteilen, bevor sie in die Turbine hineingehen. Das wesentliche Ziel des Plenums ist nicht nur, die Stärke der transienten Stöße zu reduzieren, sondern die gesamte Instationarität der PDC-Ausströmung zu verkleinern.

Die untere Abbildung (a) zeigt die PDCs sowie das stromab angebrachte Plenum mit der Sensorik. Die Abbildungen (b) und (c) zeigen beispielhaft die experimentell und numerisch gewonnenen Druckdaten nach Passieren einer Detonationswelle im Plenum, die eine gute Übereinstimmung der numerischen und experimentellen Daten aufweisen. Es konnte gezeigt werden, dass das Plenum eine Minimierung des Druckpeaks bis zu 89% herbeiführen kann. Darüber hinaus konnte im Rahmen einer Machbarkeitsstudie gezeigt werden, dass der Divider die führende Stoßwelle in mehrere schwächere Stöße aufteilen kann. Somit wurden Methoden erarbeitet, die eine effiziente Implementierung der PDC in einer Gasturbine erleichtern können.

Das untere Video zeigt eine Animation mit numerisch und experimentell gewonnenen Daten, die die Entstehung der Detonation sowie die Ausströmung aus der PDC veranschaulichen soll.