Thermodynamic assessment of Pressure Gain Combustion gas turbines in simple- and combined-cycle

The aim of this thesis is to assess the possibility of adopting a new kind of combustion process for gas turbines to increase the net power produced and efficiency in both simple and combined cycle, by implementing a Pressure Gain Combustion process, i.e. PGC, an exothermal reaction in presence of supersonic flows, so that the combustion results in a detonation. This process leads the combustion in a different way from a deflagration type, typical of the modern combustors. In fact, detonations generate shock waves that could be normal or oblique depending on the path that the flow follows. In Rotating Detonation Engine oblique shock waves are exploited in a continuous circular pattern to gain higher thrust out of a confined cylindrical section. The energy content of shock waves propagation generates a total pressure increases from the inlet to the outlet, so that exhaust gasses have theoretically higher expansion ratio from conventional Joule-Brayton cycles. In this work the analysis will be focused on E, F and H classes of gas turbines for power generation purposes. The model and the preliminary results were validated on the work presented in other studies on the subject, defining the thermodynamic properties and operating conditions of each class. The simulation process was made with “GS” (Gas Steam), a modular thermodynamic program written in Fortran and developed within the Department of Energy at Politecnico di Milano and then the results have been treated in MatLab for further analysis. Several relevant aspects related to the model and the process are discussed, for example the need of a booster compressor devoted to supply the bleeding needs for the cooling of the high-pressure stages of the turbine, also considering preliminary design solutions of it. In short, even when considering relevant decrements in efficiency due to the shocks impacting the blades of the first turbine stage blades, GT E, F and H classes experience increases reaching 38%, 42% and 44% in efficiency respectively, while GTCC performances can reach the 64% threshold for class H. At last, the impact of the booster compressor is focused with net power savings of about 26 MW, 44 MW and 62 MW for each class in most demanding conditions. In conclusion, the purpose of the analysis is to present an objective view of possible PGC application for energy production for the defined classes both in GT and GTCC cycles, highlighting both power and efficiency levels increase.

Lo scopo di questa tesi è valutare la possibilità di adottare una nuova tipologia di camera di combustione in diverse classi di turbine a gas, con l’obbiettivo di aumentare la potenza netta prodotta e migliorarne l’efficienza, in configurazione sia di ciclo semplice che di ciclo combinato, implementando un processo noto come Pressure Gain Combustion, i.e. PGC, ovvero una reazione esotermica in presenza di flussi supersonici, tali che la combustione risulti in una detonazione. Il processo di combustione è pertanto diverso da quello seguito nei combustori moderni. Infatti, le detonazioni generano onde d’urto normali o oblique a seconda del percorso seguito dal flusso. Nel motore RDE, i.e. Rotating Detonation Engine, le onde d’urto vengono sfruttate in modo circolare e continuo per ottenere un guadagno di potenza netto all’interno di una sezione cilindrica. Il contenuto energetico dato dalla propagazione delle onde d’urto genera un aumento di pressione totale in uscita rispetto all’ingresso, facendo si che i gas di scarico presentino a livello teorico un rapporto di espansione superiore rispetto ai cicli Joule-Brayton convenzionali. Nel lavoro svolto l’analisi si concentra sulle turbine a gas di classe E, F e H destinate alla produzione di energia elettrica, in ciclo semplice e combinato. Il modello e i relativi risultati ottenuti sono stati convalidati sulla base di lavori precedenti, presentati in altri studi sull’argomento, in particolare sulle proprietà termodinamiche e sulle condizioni operative di ciascuna classe. Il processo di simulazione è stato effettuato con GS, i.e. “Gas Steam”, ovvero un programma modulare scritto in Fortran e sviluppato nel Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano; i risultati sono stati poi elaborati massivamente in MatLab per ulteriori analisi. Diversi importanti aspetti relative alla formulazione del modello e al processo verranno affrontati, come la necessità di avere un compressore ausiliario dedicato esclusivamente per soddisfare i flussi di raffreddamento per le alte pressioni, sia per il modulo di combustione che per gli spillamenti nei primi stadi di espansione. I risultati mostrano che è possibile ottenere un aumento di rendimento anche negli scenari peggiori, con considerevoli decrementi percentuali dovuti al comportamento dinamico degli shock che impattano sulle pale del primo stadio, che porterebbero a forti instabilità di funzionamento. In conclusione, lo scopo di questa analisi è quello di fornire una visione obbiettiva dei benefici in termini di rendimento che si traggono dalla PGC, nelle diverse classi proposte, sia in cicli GT che GTCC.