Meanline design and analysis of a supersonic centrifugal turbine for rotating detonation engines

The continuous growth of energy demand and the impossibility of fully meeting it through renewable sources, due to their limited dispatchability, still make the use of fossil fuels necessary. In order to reduce their environmental impact and make the exploitation of non-renewable energy sources more sustainable, the development of new technologies characterized by high efficiency is essential. In the context of gas turbines, it has been demonstrated that the adoption of thermodynamic cycles alternative to the Joule–Brayton cycle, such as those based on the detonation process, can lead to a theoretical efficiency increase of up to 25%. The exhaust flow of this type of combustor is supersonic and highly unsteady and non-uniform, making the adoption of the state of the art of modern turbine stages unfeasible. This leads to the need to design an innovative turbine operating with supersonic inlet flow, capable of extracting a large amount of work without penalizing overall performance. A configuration particularly suitable for this purpose, although rarely employed in the field of turbomachinery, is a centrifugal turbine fully developed along the radial direction. The increase in the flow area along the meridional coordinate makes this type of machine highly accelerating, with the possibility of obtaining large tangential velocity components (and therefore work) even with small flow deflections, as well as reducing blade row starting issues. The feasibility of this type of turbine was investigated in this work by means of a meanline code. Particular attention was devoted to satisfying the fluid-dynamic constraints associated with the supersonic nature of the flow, such as channel starting conditions and the formation of collective shock waves upstream of the blade row. At the same time, the high operating temperatures to which the turbine is subjected require minimum blade thicknesses in order to ensure adequate cooling. The models implemented in the meanline code for the estimation of fluid-dynamic losses include those related to the prediction of the shock-wave pattern within the channel and profile losses, suitably adapted to the centrifugal configuration. The design space was mapped as a function of dimensionless parameters and turbine size scaling, in order to identify optimal operating conditions. Finally, through CFD simulations, it was possible to analyze the machine characteristics in detail from an aerodynamic perspective.

Il continuo incremento della domanda energetica e l’impossibilità di soddisfarla interamente mediante fonti rinnovabili, a causa della loro limitata dispacciabilità, rendono tuttora necessario il ricorso ai combustibili fossili. Al fine di ridurne l’impatto ambientale e rendere più sostenibile l’utilizzo delle fonti non rinnovabili, risulta fondamentale lo sviluppo di nuove tecnologie caratterizzate da elevati rendimenti. Nello scenario delle turbine a gas, è dimostrato come l’adozione di cicli termodinamici alternativi al Joule Bryton, come quelli basati su processi detonanti, possano comportare un incremento teorico dell’efficienza fino al 25%. Il flusso allo scarico di questo tipo di combustore è supersonico e altamente non-stazionario e non-uniforme, il che rende impossibile l’adozione dello stato dell’arte dei moderni stadi di turbina. Ne consegue la necessità di progettare un’innovativa macchina ad ingresso supersonico, in grado di estrarre una grande quantità di lavoro senza penalizzare le performance. Una configurazione particolarmente idonea allo scopo, seppure raramente impiegata in ambito turbomacchinistico, è quella di una turbina centrifuga. L’incremento della sezione di passaggio lungo la coordinata meridiana rende infatti questo tipo di macchina altamente accelerante, con la possibilità di ottenere grandi componenti tangenziali di velocità (e quindi di lavoro) anche a fronte di piccole deflessioni, oltre che ridurre le problematiche di avviamento della schiera. La fattibilità di questo tipo di turbina è stata analizzata in questo lavoro attraverso un codice di meanline. Grande attenzione è stata posta nel rispettare vincoli i fluidodinamici legati alla natura supersonica del flusso, come quelli di avviamento del canale e della formazione di onde d’urto collettive di fronte alla schiera. Allo stesso tempo, le alte temperature alle quali la turbina deve sottostare richiedono degli spessori minimi della pala per garantirne il raffreddamento. I modelli utilizzati nel codice di meanline per la stima delle perdite fluidodinamiche sono quelli relativi alla previsione del pattern di onde d’urto all’interno del canale e delle perdite di profilo, opportunamente adattati alla configurazione centrifuga. Il campo di design è stato mappato in funzione di parametri adimensionali e della scala dimensionale della turbina, al fine di identificare le condizioni di ottimo utilizzo. Infine, tramite simulazioni CFD, è stato possibile analizzare nel dettaglio le caratteristiche della macchina in una prospettiva aerodinamica.