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LuftfahrtantriebeGesamtheitliche Bewertung und Verbesserung einer Gasturbine mit periodisch druckerhöhender Verbrennung

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SFB 1029 (TurbIn), D01

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Gesamtheitliche Bewertung und Verbesserung einer Gasturbine mit periodisch druckerhöhender Verbrennung

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.


Sonderforschungsbereich 1029 „TurbIn“

Ansprechpartner: M.Sc. Nicolai Neumann

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Referenzen

Numerical Analysis of Unsteady Compressor Performance Under Boundary Conditions Caused by Pulsed Detonation Combustion

N. Neumann, T. Rähse, P. Stathopoulos, D. Peitsch
(TU Berlin)

Active Flow and Combustion Control 2021,
Springer International Publishing, Cham, Switzerland,
Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design,
vol 152, 2022, pp. 272-287
DOI: 10.1007/978-3-030-90727-3_17

Paper Contributed to the Conference “Active Flow and Combustion Control 2021”,

September 28–29, 2021, Berlin, Germany


A Robust One-Dimensional Approach for the Performance Evaluation of Turbines Driven by Pulsed Detonation Combustion


M. Asli, N. Garan, N. Neumann, P. Stathopoulos
(TU Berlin)

Energy Conversion and Management, Elsevier Ltd.,
Vol. 248, November 2021, 114784
DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114784


A Fast Approach for Unsteady Compressor Performance Simulation Under Boundary Condition Caused by Pressure Gain Combustion

N. Neumann, M. Asli, N. Garan, D. Peitsch, P. Stathopoulos
(TU Berlin)

Applied Thermal Engineering, Elsevier Ltd.,
Vol. 196, September 2021, 117223
DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117223


Pulsed Impingement Turbine Cooling and its Effect on the Efficiency of Gas Turbines with Pressure Gain Combustion

N. Neumann, A. Berthold, F. Haucke, D. Peitsch, P. Stathopoulos
(TU Berlin)

Journal of Turbomachinery, Vol. 143, April 2021, TURBO-20-1344
DOI: 10.1115/1.4050361

Also published as GT2020-15344, ASME Turbo Expo 2020,
DOI: 10.1115/GT2020-15344



Introduction and Validation of a Mean Line Solver for Present and Future Turbomachines


N. Neumann, D. Peitsch
(TU Berlin)

24th ISABE Conference, International Symposium on Air Breathing Engines,
Canberra, Australia, Sep 23-27 2019, ISABE-2019-24441


A Comparison of Steady-State Models for Pressure Gain Combustion in Gas Turbine Performance Simulation

N. Neumann, D. Woelki, D. Peitsch
(TU Berlin)

Proceedings of Global Power and Propulsion Society Conference Beijing 2019,
Beijing, China, Sep 16-18 2019, GPPS-BJ-2019-198


Potentials for Pressure Gain Combustion in Advanced Gas Turbine Cycles

N. Neumann, D. Peitsch
(TU Berlin)

Journal of Applied Sciences, Energy, Section Energy
MDPI, Volume 9, Issue 16, August 2019, 3211
https://doi.org/10.3390/app9163211

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