Commissioning and preliminary results of a supersonic wind tunnel for linear cascade testing in rotating detonation engine applications

Pressure Gain Combustion (PGC) is an alternative to conventional combustion that has the potential to improve cycle performance when integrated with gas turbines and offers a lower mechanical complexity in the architecture of the combustion chamber. The interest in this type of combustion derives from new and more stringent environmental regulations, coupled with a high level of optimization in Brayton thermodynamic cycle machines, leading to a plateau in technological advancements and derived benefits. The rotating detonation engine (RDE) is the most promising application of PGC thus far, using a rotating detonation to achieve a pressure gain that can be used to augment cycle output or reduce engine size. The supersonic and highly unsteady outlet flow field obtained is a factor influencing the performance and development of supersonic turbine stages following the engine. The trade-off between the benefits of the increased efficiency of the PGC cycle and the high losses experienced by the turbine is still an object of study and is the factor determining the feasibility of real-life applications of RDEs. The aim of this work is the commissioning and presentation of preliminary results of a wind tunnel designed for the study of a linear cascade of supersonic blades, intended for use in the first stages downstream of a rotating detonation engine. The preparation process begins with the assembly of the wind tunnel itself, which includes a procedure for selecting and calibrating both slow and fast pressure transducers, to be used based on the expected pressure fields. Subsequently, the types of experimental tests to be carried out are defined. The control and data acquisition code is then implemented using LabVIEW software. This is followed by the design and construction of an optical bench for Schlieren visualizations, with the aim of complementing the experimental data with the images obtained. Once the wind tunnel and Schlieren setup are completed, verification tests are conducted to ensure the correct operation of the systems and all involved instruments. The results are then carefully analyzed and discussed.

La pressure gain combustion (PGC) è un’alternativa alla combustione convenzionale che ha il potenziale di migliorare le prestazioni del ciclo termodinamico quando integrata con turbine a gas, offrendo al contempo una minore complessità nell’architettura della camera di combustione. L’interesse per questo tipo di combustione deriva da nuove e più stringenti normative ambientali, unite ad un elevato livello di ottimizzazione delle macchine basate sul ciclo termodinamico Brayton, che ha portato a un rallentamento dei progressi tecnologici e dei benefici conseguenti. Il motore a detonazione rotante (rotating detonation engine, RDE) rappresenta finora l’applicazione più promettente della PGC, utilizzando una detonazione rotante per ottenere un guadagno di pressione che può essere impiegato per aumentare il lavoro prodotto dal ciclo o ridurre le dimensioni del motore. Il campo di flusso in uscita ottenuto, supersonico e altamente instabile, è un fattore che influenza le prestazioni e lo sviluppo degli stadi di turbina supersonica successivi al motore. Il compromesso tra i benefici derivanti dall’aumento di efficienza del ciclo PGC e le elevate perdite subite dalla turbina è ancora oggetto di studio e rappresenta il fattore determinante per le applicazioni reali dei motori RDE. Lo scopo di questo lavoro è la messa in servizio e l’illustrazione di risultati preliminari di una galleria del vento progettata per lo studio di una schiera lineare di palette supersoniche, pensata per l’impiego nei primi stadi all’uscita di un combustore a detonazione rotante. Il processo di preparazione parte dall’assemblaggio della galleria stessa, all’interno della quale è compresa una procedura di selezione e calibrazione di trasduttori di pressione di tipologia lenta e veloce da impiegare a seguito dell’analisi dei campi di pressione previsti. Successivamente, sono definite le tipologie di prove sperimentali da svolgere. Il codice di gestione e acquisizione dei dati è quindi implementato sul software LabVIEW. Segue la realizzazione di un banco ottico destinato a visualizzazioni Schlieren con l’intenzione di affiancare le immagini così ottenute ai dati sperimentali. Ultimato il setup di galleria e banco Schlieren, vengono effettuati alcuni test di verifica del funzionamento degli stessi e di tutti gli strumenti coinvolti. I risultati sono dunque analizzati e discussi con attenzione.