Ontwikkeling van een hoge-temperatuur testopstelling

Onderwerp

In de ontwikkeling van hoge-temperatuur componenten voor bijvoorbeeld gasturbines en raketmotoren is er behoefte aan componenten die bestand zijn tegen hoge temperaturen, en tegen snelle temperatuurwisselingen tussen hoge- en lage temperatuur. Dit betekent dat de eisen aan dit soort componenten streng zijn, en dat deze componenten getest moeten worden in hoeverre ze aan de gestelde eisen kunnen voldoen. Voor dat doel zijn er specialistische testopstellingen ontwikkeld.

Een consortium, waar onder andere Mateq Process en de Universiteit Twente onderdeel van uit maken, is gevraagd een ontwerp te realiseren voor zo’n testopstelling. Deze testopstelling dient een hete gasjet te genereren met snelheden tot dicht bij de geluidssnelheid, bij temperaturen tot boven de 16000 °C. Een te onderzoeken specimenen wordt dan door deze hete gasjet bewogen, en – afhankelijk van het type test – daarna weer afgekoeld aan een andere, koude, gasjet. Tevens moeten kleine deeltjes – typisch zand of zouten – in de hete gasstroom gedoseerd kunnen worden.

Figuur 1, typische ontwerp van een hoge-temepratuur gasjet generator, met (A) het genereren van heet gas middels een brander; (B) eventuele menging met koudere gassen om zo een gasstroom (C) te genereren met de juiste snelheid en temperatuur.

Één van de opdrachten van het project was het genereren van een procesontwerp waarmee aan de eisen kan worden voldaan. Daarnaast diende dit ontwerp middels Computational Fluid Dynamics (CFD) worden getoetst en eventueel geoptimaliseerd.

Met de gecombineerde ervaring van gasturbines en atmosferische branders en warmte-overdrachtsprocessen was Mateq Process een ideale partner in het team. Samen met de Universiteit Twente is dit deel van het project – het uitwerken en toetsen van het procesontwerp – opgepakt en uitgewerkt.

Analyse

Één van de uitdagingen van het project was de complexe fysica van het ontwerp. Met verbranding, warmte-overdracht en zowel lage als zeer hoge snelheden in één enkel fysisch domein was een uitgekiende keuze hoe de CFD validatie op te zetten een behoorlijke uitdaging. Dit ook omdat er zowel rekening moest worden gehouden met de processen ín de gasgenerator, als in de processen in de vrije atmosfeer.

Het doel van dit deel van het project lag in het uitwerken van een basisontwerp. Vandaar dat gekozen is te focussen op de interne processen in de gasgenerator, en de processen in de vrije lucht in een volgende fase op te pakken.

Als basisontwerp is gekozen voor een hete gasstroom, die door een gasturbine-achtige brander werd gegenereerd, op de juiste temperatuur te brengen middels koudere luchtjets die vanuit de zijkant de hete gasstroming doorbreken, zie ook Figuur 1.

Vervolgens werd de stroming in de gasgenerator gesimuleerd middels CFD.

Figuur 2, typische weergave van menging jets in hoofdstroom van gasgenerator in een tussentijdse ontwerpstap.

In de optimalisatie werd gekeken naar de vorm van de contractie, en naar de positionering en dimensionering van de koude lucht jets aan de zijkant van de gasgenerator. Ook is gekeken naar de temperaturen van de wanden en de gasnozzle.

Figuur 3, typisch resultaat van warmte-overdrachtsberekening en temperaturen heet gasnozzle, in een tussentijdse ontwerpstap.

Deze studie heeft geleid tot een validatie van het procesontwerp, waarmee dus op basis van een aantal invoerparameters de hoofdafmetingen goed kunnen worden voorspeld. Daarnaast is het aantal en de positionering van de koude luchtjets geoptimaliseerd. Tenslotte is hiermee aangetoond dat het mogelijk is op deze manier een heet gas generator te ontwerpen die aan de gestelde eisen voldoet.

De volgende fase is de detailengineering en -optimalisatie van de heet gas generator. Ook bij deze fase zal Mateq Process betrokken worden.

Conclusies

Een complex vraagstuk – de ontwikkeling van een testopstelling met heet gas generatie van hoge snelheid en temperatuur – is uitgewerkt in een aantal deelopdrachten. Mateq Process heeft in belangrijke mate bijgedragen aan het realiseren en optimaliseren van het basisontwerp, en heeft voldoende aangetoond dat het uiteindelijke ontwerp kan voldoen aan de gestelde eisen.

De combinatie van kennis en know-how van hoge-druk gasturbine branders en atmosferische stromings- en warmte-overdrachtsprocessen bleken van toegevoegde waarde voor dit project. Het vertrouwen in Mateq Process uit zich mede in het feit dat we ook in de detailengineering fase worden ingeschakeld voor de realisatie van het uiteindelijke ontwerp.

Signature cases

Overview of ongoing projects

Case 01

Heat exchanger root-cause analysis and design improvement

Coming soon

Case 02

Redesign analysis gas turbine bypass stack

Coming soon

Case 03

Analysis of gas turbine burners and combustion chamber

Coming soon

Case 04

Development of a high-temperature test rig

Coming soon

Contact us

Stay informed of our developments in the area of combustion and heat transfer know-how.

Consultancy

Mateq Process heeft een integrale kennis van energiesystemen, van ‘grijze’ tot groene energie.

Haar focus ligt op het procesontwerp; met uitgebreide kennis en know-how van stroming, verbranding en warmteoverdracht in industriële heat transfer equipment. Dit zijn bijvoorbeeld stoom- of warmwaterketels, fornuizen, gestookte warmtewisselaars, maar ook afgassenkanalen, ducting, mengers etc.

Lees Meer

Een uitgebreide praktijkervaring wordt gecombineerd met jarenlange expertise in
Computational Fluid Dynamics, en een gedegen kennis van de onderliggende processen, die over de afgelopen 20 jaar verzameld is. Dit wordt versterkt met ons uitgebreide netwerk van universiteiten, kennisinstituten en gespecialiseerde bedrijven.

Kennis en kunde is één ding; Mateq Process erkent en herkent als geen ander dat de werkelijke toegevoegde waarde ligt in het juist vertalen van die kennis. We kennen ons publiek, en zijn goed in staat onze know-how te delen op elk niveau in uw organisatie.

Voorbeelden waarmee we u van dienst kunnen zijn:

  • Impact en optimalisatie van ontwerpwijzigingen
  • Procesontwerp en process (reverse) engineering
  • Root Cause Analyse (RCA) – inclusief uitwerken en toetsen van ontwerpverbeteringen
  • Veranderingen van brandstofsamenstelling op uw (verbrandings)processen
    – bijvoorbeeld overgaan op groene(re) brandstoffen
  • Schaaleffecten in combustion & heat transfer process equipment
    – bijvoorbeeld overgaan naar grotere of juist kleinere ontwerpen
  • Ontwikkeling en procesontwerp van nieuwe of gebruikerspecifieke toepassingen

Technology Management

Optimaliseren van teams en processen in technologie-gedreven bedrijven

Mateq Process heeft ervaring in velerlei bedrijfsprocessen, van MKB bedrijf tot internationaal conglomeraat, van technologie tot sales en general management. Analytisch en gedreven, is Mateq Process in staat om snel en goed een overzicht te hebben van uw veelal complexe technische- en menselijke processen. Een teamspeler zonder verlies van focus op de ultieme doelen van uw bedrijf, en een sterke communicator in alle geledingen, stelt ons in staat om snel, gedegen en effectief uw processen naar uw wensen te optimaliseren.

Lees Meer

Ervaringsvoorbeelden waar we waarde kunnen toevoegen zijn:

  • Opzetten en optimaliseren van waardeketens
  • Optimaliseren van engineering en R&D processen
  • Opzetten, verkrijgen en beheren van overheids-gesubsidieerde ontwikkeltrajecten, zowel nationaal als internationaal
  • Uitwerken van Engineered-to-Order en Configure-to-Order waardeketens
  • Enthousiasmeren en smeden van goede teams

Documentation

Stay informed of our developments in the area of combustion and heat transfer know-how.

~|file-pdf-o~|font-awesome~|outline

Ultra-low NOx combustion

Contact data
+31(0)6 20 66 26 75
info@mateqprocess.com

terms of delivery
privacy (in Dutch)
cookiebeleid
©Mateq Process