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Design and optimization of supersonic turbines for detonation combustors

Chinese Journal of Aeronautics 2022年第11期35卷 33-44页

作者： Jorge SOUSA Elena COLLADO-MORATA Guillermo PANIAGUA Flemish InstituteforTechnological Research Mol 2400Belgium Commissariat à lénergie atomique et aux énergies alternatives Le Barp 33114France Mechanical Engineering Purdue UniversityWest-Lafayette IN 47906USA

Detonation-based engines offer a potential surge in efficiency for compact thermal power systems. However, these cycles require ad-hoc components adapted to the high outlet velocity from the detonation combustors. This paper presents the design methodology of turbine stages suitable for supersonic inlet conditions and provides a detailed analysis of optimized turbine geometries. A reduced-order solver examines the supersonic blade rows’ functional design space, quantifies the turbine’s non-isentropic performance, and budgets the turbine loss for different optimized leading-edge designs and chord to pitch ratios. The shock-wave interactions were identified as the predominant contributor to turbine losses, and optimal pitch-chord ratios were determined for various inlet Mach numbers. Finally, with this tool, the specific-power output for a wide range of design configurations was computed;and the metal angle that ensures flow starting and maximizes power extraction was calculated. The detailed numerical study describes the flow interactions in a supersonic turbine and offers new correlations to guide the design of future supersonic turbines.

关键词： Rotating detonation Shock waves Supersonic flow Turbines unstarting

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