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On the potentials of the integration of pressure gain combustion with a hybrid electric propulsion system

Über die Möglichkeiten der Integration der Druckverstärkungsverbrennung in ein hybrides elektrisches Antriebssystem

  • As the issue of pollutant emissions from aviation propulsion escalates, research into alternative powertrains is gaining momentum. Two promising technologies are the Hybrid Electric Propulsion System (HEPS) and Pressure Gain Combustion (PGC). HEPS is expected to reduce pollutant emissions by decreasing fuel consumption, whereas PGC uses detonation in the combustor to increase the thermal efficiency of engines by elevating the total pressure during combustion. This study extensively explores the integration of these two emerging technologies, thoroughly assessing the advantages that arise from their combination. First, the renowned turboprop engine PW127 is benchmarked and modeled using Gasturb software. The model is integrated into Simulink using the T-MATS tool, with HEPS and pressure gain components added to analyze the thermodynamics of various configurations under different pressure gain values and HEPS parameters. The analysis, conducted up to the cruise phase of the baseline aircraft, reveals that applying pressure gainAs the issue of pollutant emissions from aviation propulsion escalates, research into alternative powertrains is gaining momentum. Two promising technologies are the Hybrid Electric Propulsion System (HEPS) and Pressure Gain Combustion (PGC). HEPS is expected to reduce pollutant emissions by decreasing fuel consumption, whereas PGC uses detonation in the combustor to increase the thermal efficiency of engines by elevating the total pressure during combustion. This study extensively explores the integration of these two emerging technologies, thoroughly assessing the advantages that arise from their combination. First, the renowned turboprop engine PW127 is benchmarked and modeled using Gasturb software. The model is integrated into Simulink using the T-MATS tool, with HEPS and pressure gain components added to analyze the thermodynamics of various configurations under different pressure gain values and HEPS parameters. The analysis, conducted up to the cruise phase of the baseline aircraft, reveals that applying pressure gain combustion through Rotating Detonation Combustion (RDC) results in a more significant increase in efficiency and decrease in fuel consumption compared to HEPS with conventional gas turbines. However, HEPS helps maintain a more uniform combustor inlet condition and reduces the Turbine Inlet Temperature (TIT) at the takeoff phase, where the highest TIT otherwise occurs. The results suggest that integrating HEPS with PGC can be beneficial in maintaining optimal combustor conditions and mitigating turbine efficiency degradation.zeige mehrzeige weniger
  • Da das Problem der Schadstoffemissionen von Flugantrieben eskaliert, gewinnt die Forschung an alternativen Antriebssträngen zunehmend an Dynamik. Zwei vielversprechende Technologien sind das Hybrid Electric Propulsion System (HEPS) und die Pressure Gain Combustion (PGC). Es wird erwartet, dass HEPS die Schadstoffemissionen durch einen geringeren Kraftstoffverbrauch reduziert, während PGC die Detonation in der Brennkammer nutzt, um den thermischen Wirkungsgrad von Motoren durch Erhöhung des Gesamtdrucks während der Verbrennung zu erhöhen. Diese Studie untersucht ausführlich die Integration dieser beiden neuen Technologien und bewertet gründlich die Vorteile, die sich aus ihrer Kombination ergeben. Zunächst wird das renommierte Turboprop-Triebwerk PW127 mithilfe der Gasturb-Software einem Benchmarking unterzogen und modelliert. Das Modell wird mit dem T-MATS-Tool in Simulink integriert, wobei HEPS- und Druckverstärkungskomponenten hinzugefügt werden, um die Thermodynamik verschiedener Konfigurationen unter verschiedenenDa das Problem der Schadstoffemissionen von Flugantrieben eskaliert, gewinnt die Forschung an alternativen Antriebssträngen zunehmend an Dynamik. Zwei vielversprechende Technologien sind das Hybrid Electric Propulsion System (HEPS) und die Pressure Gain Combustion (PGC). Es wird erwartet, dass HEPS die Schadstoffemissionen durch einen geringeren Kraftstoffverbrauch reduziert, während PGC die Detonation in der Brennkammer nutzt, um den thermischen Wirkungsgrad von Motoren durch Erhöhung des Gesamtdrucks während der Verbrennung zu erhöhen. Diese Studie untersucht ausführlich die Integration dieser beiden neuen Technologien und bewertet gründlich die Vorteile, die sich aus ihrer Kombination ergeben. Zunächst wird das renommierte Turboprop-Triebwerk PW127 mithilfe der Gasturb-Software einem Benchmarking unterzogen und modelliert. Das Modell wird mit dem T-MATS-Tool in Simulink integriert, wobei HEPS- und Druckverstärkungskomponenten hinzugefügt werden, um die Thermodynamik verschiedener Konfigurationen unter verschiedenen Druckverstärkungswerten und HEPS-Parametern zu analysieren. Die Analyse, die bis zur Reiseflugphase des Basisflugzeugs durchgeführt wurde, zeigt, dass die Anwendung der Druckverstärkungsverbrennung durch Rotating Detonation Combustion (RDC) im Vergleich zu HEPS mit herkömmlichen Gasturbinen zu einer deutlicheren Effizienzsteigerung und Reduzierung des Treibstoffverbrauchs führt. HEPS trägt jedoch dazu bei, einen gleichmäßigeren Brennkammereinlasszustand aufrechtzuerhalten und reduziert die Turbineneinlasstemperatur (TIT) in der Startphase, wo sonst die höchste TIT auftritt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Integration von HEPS mit PGC dazu beitragen kann, optimale Brennkammerbedingungen aufrechtzuerhalten und die Verschlechterung der Turbineneffizienz abzumildern.zeige mehrzeige weniger

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Verfasserangaben: Majid AsliORCiD, Dongsuk Kim, Klaus Höschler
DOI:https://doi.org/10.3390/aerospace10080710
Dokumentart:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Erstellungsjahr:2023
Datum der Freischaltung:01.09.2023
Freies Schlagwort / Tag:Druckverstärkungsverbrennung; Hybrid-Elektroantrieb; Rotierende Detonationsverbrennung
Hybrid electric propulsion; Pressure gain combustion; Rotating detonation combustion
GND-Schlagwort:Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk; Hybridantrieb; Verbrennung; Schadstoffemission; Emissionsverringerung
Fördermittelgeber (nicht EU):Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / Open-Access-Publikationskosten (2023 -2025) / 512881332
Quelle:Erstveröffentlichung: Kim, Dongsuk; Asli, Majid; Höschler, Klaus: On the Potentials of the Integration of Pressure Gain Combustion with a Hybrid Electric Propulsion System. - Aerospace, 2023, 10, 710. - https://doi.org/10.3390/ aerospace10080710
Fakultät / Fachgebiet:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Flug-Triebwerksdesign
Lizenz (Deutsch):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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