Pressure-gain combustion for gas turbines based on shock-flame interaction

Abstract

One method to significantly improve the performance of gas turbine engines is to use the thermodynamically more efficient unsteady, pressure-rise combustion. In this work it is proposed to exploit the interaction of shock waves with a pre-mixed flame to achieve a time-averaged, combustion-induced pressure rise. The physical phenomena occurring in the course of shock-flame interaction are very complex and yet not understood in detail. In order to shed additional light onto the underlying mechanism and to gain understanding of the changes in gas state achievable due to a single interaction event, passage of shock waves through a pre-mixed flame was studied both experimentally and analytically. Pre-mixed combustion of a nearly-stoichiometric methane-oxygen-argon mixture was used in the experiments performed on a shock tube test rig. It was shown that both the heat release rate of the flame and the pressure are temporally amplified due to passage of a shock wave through the flame. Both the increase in pressure and the heat release of the flame were demonstrated to grow parabolically with the Mach number of the incident shock. Considerably higher increases in pressure and heat release were observed when the shock approached the flame from the burned gas side (called fast-slow mode of interaction) for the same incident shock strength. Further, the existence of regions with positive coupling between unsteady pressure and heat release oscillations was demonstrated after each transition of a shock wave through the flame front. Subsequently, an analytical quasi-one-dimensional model of the interaction between a shock wave and a sinusoidal flame was developed. Given known initial flow field and flame geometries as well as the incident shock Mach number, the model allows the calculation of a fully defined one-dimensional flow field that is formed at the end of a single shock-flame interaction event. The analytical model was successfully verified using experimental data. It was found that a single shock-flame interaction event generates a dramatic increase in pressure compared to isobaric combustion with the same unburned gas conditions. In contrast, the according increase in temperature remains at a relatively moderate level. Further, the combustion entropy is significantly reduced through a single shock-flame interaction event compared to the reference isobaric combustion process. The resulting changes in pressure, temperature and entropy rise with increasing incident shock strength and growing curvature of the flame front. They are significantly stronger in the fast-slow mode of interaction. This is a consequence of higher rates of gas compression and flame surface growth in this interaction type. Finally, a theoretical configuration of a shock-combustor enhanced high-pressure engine core was proposed and applied to two types of baseline engines: a twin-spool industrial gas turbine and a twin-spool high-bypass turbofan engine. The performance of the topped engines was evaluated using two variables: the combustor pressure ratio Π and the fraction of the core mass flow used to generate shock waves ξ. Generally, the performance of the topped engines rises for growing Π and deteriorates with increasing ξ. Already for relatively moderate combustor pressure ratios (Π ≤ 1.4) and relatively high ξ (ξ ≤ 0.1) the specific fuel consumption and the thermal efficiency of the topped engines are forecast to improve by up to 13 % and 5 percentage points compared to the baseline engines, respectively.

Der Einsatz instationärer Verbrennung mit Druckaufbau stellt eine Methode zur maßgeblichen Steigerung der Leistungsfähigkeit von Gasturbinen dar. In der vorliegenden Arbeit wird der Vorschlag untersucht, die Verdichtungsstoß-Flammen-Interaktion dazu zu nutzen, einen mittleren, verbrennungsinduzierten Druckanstieg zu erzeugen. Die bei der Verdichtungsstoß-Flammen-Interaktion auftretenden physikalischen Phänomene sind sehr komplex und noch nicht hinreichend genau verstanden. Um die zugrundeliegenden Mechanismen näher zu beleuchten sowie neue Erkenntnisse über die thermodynamischen Zustandsänderungen infolge eines einzelnen Interaktionsvorgangs zu erlangen, wurde der Durchgang von Verdich-tungsstößen durch eine vorgemischte Flamme experimentell und analytisch untersucht. Bei den Experimenten, die an einem Stoßrohr-Prüfstand durchgeführt wurden, wurde die vorgemischte Verbrennung einer nahezu stöchiometrischen Methan-Sauerstoff-Argon-Mischung verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl der Druck als auch die Wärmefreisetzungsrate der Flamme infolge des Stoßdurchganges durch die Flammenfront verstärkt werden. Die Anstiege des Druckes und der Wärmefreisetzungsrate der Flamme wachsen parabolisch mit der Mach-Zahl des einfallenden Verdichtungsstoßes. In den Fällen, in denen der einfallende Verdichtungsstoß von der Seite der verbrannten Gase auf die Flamme traf („schnell-langsam“-Interaktionsrichtung), wurde ein deutlich stärkerer Anstieg der Wärmefreisetzung der Flamme beobachtet. Darüber hinaus konnten Gebiete positiver Überlagerung zwischen den Druck- und Wärmefreisetzungsschwankungen unmittelbar nach jedem Durchgang eines Verdichtungsstoßes durch eine Flamme nachgewiesen werden. In diesen Gebieten findet eine Anfachung der Druckschwankungen statt, was zu einer Verstärkung der sich fortpflanzenden Druckwellen führen kann. Zusätzlich wurde ein quasi-eindimensionales, analytisches Berechnungsmodell der Verdich-tungsstoß-Flammen-Interaktion entwickelt. Das Berechnungsmodell erlaubt die Ermittlung eines vollständig definierten, eindimensionalen Strömungsfeldes, das sich ausgehend von gegebenen Ausgangsströmungsfeld und Flammengeometrie sowie der Mach-Zahl des einfallenden Stoßes nach einem Interaktionsvorgang einstellt. Das Berechnungsmodell wurde anhand von Versuchsdaten verifiziert. Mit Hilfe der Berechnungsergebnisse konnte gezeigt werden, dass eine einzelne Verdichtungsstoß-Flammen-Interaktion im Vergleich zur isobaren Verbrennung bei gleichen Ausgangsströmungsbedingungen zu einem hohen Druckanstieg führt. Der Temperaturanstieg des verbrannten Gases fällt hingegen relativ moderat aus. Des Weiteren sinkt die Verbrennungsentropie infolge eines Interaktionsvorgangs im Vergleich zum isobaren Vergleichsverbrennungsprozess deutlich ab. Die resultierenden Änderungen des Druckes, der Temperatur und der Entropie steigen mit der Stärke des einfallenden Verdichtungsstoßes und der Wölbung der Flammenfront. Diese Effekte sind deutlich stärker im Fall von „schnell-langsam“-Interaktionen. Dies ist auf stärkere Kompressionseffekte sowie auf schnelleres Anwachsen der Flammenoberfläche bei dieser Interaktionsart zurück zu führen. Anschließend wurde eine mögliche Konfiguration für einen mit einer Verdichtungsstoß-Brennkammer modifizierten Gasgenerator für Gasturbinen vorgestellt und untersucht. Der modifizierte Gasgenerator wurde in einem Leistungsrechnungsprogramm analytisch umgesetzt und in zwei Typen von Gasturbinen implementiert – eine stationäre Gasturbine und ein Zweiwellen-Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk. Die Leistung der beiden modifizierten Gas-turbinen wurde in Abhängigkeit von zwei Variablen beurteilt – das Brennkammerdruckverhältnis Π und der Anteil des Kernmassenstroms, der zur Stoßerzeugung verwendet wird ξ. Die Leistungsparameter der modifizierten Gasturbinen verbesserten sich mit wachsendem Π und verschlechterten sich mit steigendem ξ. Es wurde ermittelt, dass bereits für relativ moderate Brennkammerdruckverhältnisse (Π ≤ 1,4) und relative hohe Werte von ξ (ξ ≤ 0,1) eine Verbesserung des spezifischen Brennstoffverbrauchs um bis zu 13 % und des thermischen Wirkungsgrades von bis zu 5 Prozentpunkte im Vergleich zum jeweiligen Ausgleichstriebwerk erreicht werden kann.