Hoge-temperatuur testopstelling

Ontwikkeling van een hoge-temperatuur testopstelling

Een consortium is gevraagd een ontwerp uit te werken voor een hoge-temperatuur testopstelling van gasturbine en straalmotor componenten. Mateq Process heeft in dit traject de berekeningen uitgevoerd aan de heet-gas generator van deze opstelling, en mede het ontwerp geoptimaliseerd en gevalideerd aan de eisen.

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. Deze testopstelling dient een hete gasjet te genereren met snelheden tot dicht bij de geluidssnelheid, bij temperaturen tot boven de 1500 C.

Een consortium, waar Mateq Process onderdeel van uitmaakte, is gevraagd een ontwerp te realiseren voor zo’n testopstelling. Dit ontwerp diende vervolgens middels Computational Fluid Dynamics (CFD) worden getoetst en eventueel geoptimaliseerd.

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.

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.

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.

Conclusie

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.

Partnerships

Combustion2 is een joint venture van Mateq Process en SUSCOMB.
Combustion2 levert verbrandingsapparatuur voor circulaire energiesystemen.