Luftfahrtantriebe

SFB 1029 (TurbIn), D01

Gesamtheitliche Bewertung und Verbesserung einer Gasturbine mit periodisch druckerhöhender Verbrennung

Das Forschungsvorhaben stellt ein Teilprojekt innerhalb des Sonderforschungsbereichs 1029 TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen dar.

Vielfältigste Anstrengungen haben dazu geführt, dass in Gasturbinen heute Gesamtwirkungsgrade von circa 40 Prozent erreicht werden. Der größte Teil der primär eingesetzten Energie geht aber nach wie vor unter Erzeugung von Treibhausgasen und anderen Schadstoffen verloren. Bleibt man in der Gasturbine beim heutigen Verbrennungsprinzip, sind Verbesserungen jedoch enge Grenzen gesetzt. Ohne grundlegenden Systemwechsel sind zukünftig nur noch inkrementelle und asymptotisch verlaufende Effizienzsteigerungen möglich. Eines der zentralen Ziele des Sonderforschungsbereichs liegt daher im Aufbrechen dieser Grenzen. Unsere Vision besteht in der "Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen um mehr als 10 Prozent durch Beherrschung und Ausnutzung der Kombination innovativer, instationärer Verbrennungskonzepte und instationärer Maschinencharakteristika".


Möglich gemacht werden soll diese Steigerung vor allem durch den thermodynamisch motivierten Übergang von der heute verwendeten Verbrennung bei konstantem Druck zu einer druckerhöhenden, stoßbehafteten beziehungsweise stoßfreien Verbrennung bei näherungsweise konstantem Volumen. Bei einem solchen Verbrennungskonzept wird die Brennkammer Quelle sehr stark instationärer Effekte, insbesondere von pulsierenden Druckwellen sein. Diese laufen sowohl in den Verdichter als auch in die Turbine. Die thermodynamischen Vorteile einer isochoren Verbrennung können daher nur ausgenutzt werden, wenn es gelingt, diese stark instationären Belastungen in anderen Maschinenteilen zu beherrschen. Die dazu verwendeten Methoden der passiven und der geregelten Strömungsbeeinflussung sollen gleichzeitig so aufgebaut werden, dass sie bereits ohne die druckerhöhende Verbrennung zu einer Wirkungsgradsteigerung auch in konventionellen Gasturbinen
führen.


Das Projekt „Gesamtheitliche Bewertung und Verbesserung einer Gasturbine mit periodisch druckerhöhender Verbrennung“ befasst sich mit der thermodynamischen Bewertung von Gasturbinen-Kreisprozesse mit pulsierender Gleichraumverbrennung.  Das konventionelle Leistungsrechnungsprogramm GTlab wird dazu weiterentwickelt, so dass die gasdynamischen, instationären Vorgänge nachgebildet werden können. Um das Konzept der periodisch druckerhöhenden Verbrennung im geschlossenen Kontext der Gasturbine weiterführend zu bewerten, werden sowohl die beteiligten Turbokomponenten als auch das Sekundärluftsystem in einer Vorentwurfsbetrachtung ausgelegt.

Ansprechpartner: M.Sc. Nicolai Neumann

 

Sonderforschungsbereich 1029 „TurbIn“, Teilprojekt D01, 2016/2021

Fachgebietsleitung

Referenzen

2023

Neumann, N.; Peitsch, D.
Holistic Performance Evaluation of a Turbofan Featuring Pressure Gain Combustion for a Short-Range Mission
CEAS Aeronautical Journal, 14 (4)
November 2023
Herausgeber: Springer
ISSN: 1869-5590

2022

Neumann, N.; Rähse, T.; Stathopoulos, P.; Peitsch, D.
Numerical Analysis of Unsteady Compressor Performance Under Boundary Conditions Caused by Pulsed Detonation Combustion
In King, Rudibert and Peitsch, Dieter, Editor, Active Flow and Combustion Control 2021Band152ausNotes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Seite 272–287
In King, Rudibert and Peitsch, Dieter, Editor
Herausgeber: Springer International Publishing, Cham
2022
ISBN
978-3-030-90727-3

2021

Asli, M.; Garan, N.; Neumann, N.; Stathopoulos, P.
A Robust One-Dimensional Approach for the Performance Evaluation of Turbines Driven by Pulsed Detonation Combustion
Energy Conversion and Management, 248 :114784
November 2021
Herausgeber: Elsevier Ltd.
ISSN: 0196-8904
Neumann, N.; Asli, M.; Garan, N.; Peitsch, D.; Stathopoulos, P.
A Fast Approach for Unsteady Compressor Performance Simulation Under Boundary Condition Caused by Pressure Gain Combustion
Applied Thermal Engineering, 196 :117223
September 2021
Herausgeber: Elsevier Ltd.
ISSN: 1359-4311
Neumann, N.; Berthold, A.; Haucke, F.; Peitsch, D.; Stathopoulos, P.
Pulsed Impingement Turbine Cooling and its Effect on the Efficiency of Gas Turbines with Pressure Gain Combustion
Band 143
Herausgeber: ASME
April 2021

2019

Neumann, N.; Woelki, D.; Peitsch, D.
A Comparison of Steady-State Models for Pressure Gain Combustion in Gas Turbine Performance Simulation
In GPPS, Editor
September 2019
Neumann, N.; Peitsch, D.
Introduction and Validation of a Mean Line Solver for Present and Future Turbomachines
In ISABE, Editor
September 2019
Neumann, N.; Peitsch, D.
Potentials for Pressure Gain Combustion in Advanced Gas Turbine Cycles
Journal of Applied Sciences, 9 (16) :3211
August 2019
Creative Commons Attribution 4.0 International License CC-BY 4.0
Herausgeber: MDPI
ISSN: 2076-3417