Browsing by Author "Köhli, Robert"

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    Untersuchungen zum Einfluss der Modellbildung auf das Trend Monitoring von Fluggasturbinen
    (2016) Köhli, Robert; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
    Eine kostenoptimierte Wartung von Fluggasturbinen setzt ein möglichst frühzeitiges Erkennen von mechanischen Veränderungen in der Gasturbine voraus. Mechanische Veränderungen der Gasturbine führen zu Änderungen der Leistungsparameter, die sich wiederum in Veränderungen der messbaren Größen bemerkbar machen. Das Trend Monitoring von Fluggasturbinen ermöglicht das Erkennen von Veränderungen in den messbaren Größen der Gasturbine durch den Vergleich mit Erwartungswerten. Ab wann solche Veränderungen erkannt werden können, hängt maßgeblich von der Qualität der Erwartungswerte ab, die wiederum von der Qualität des zu Grunde liegenden Vorhersagemodells definiert wird. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Modellqualität auf die Ergebnisse des Trend Monitoring von Fluggasturbinen untersucht. Dazu wird ausgehend von einem Beispieltriebwerk gezeigt, welche Schritte notwendig sind, um ein hinreichend genaues Vorhersagemodell basierend auf frei zugänglichen Informationen zu erstellen. Die Auswirkungen einzelner Modellierungsschritte auf die Vorhersagequalität des Modells werden untersucht und dargestellt. Nichtlineare Verfahren zur Zustandsvorhersage von Gasturbinen bieten die größtmögliche Genauigkeit und Flexibilität. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit ein nichtlineares Vorhersagemodell erstellt. Üblicherweise decken die frei zugänglichen Informationen nicht alle benötigten Informationen ab. Einige Parameter werden daher entsprechend dem Stand der Technik abgeschätzt bzw. durch Technologiegrenzen eingeschränkt. Messwerte von Abnahmetests werden verwendet, um die abgeschätzten Modellierungen und Kennfelder zu bewerten und anzupassen. Zusätzliche Korrekturen sind notwendig, um die Einflüsse von Reynoldszahl, Schaufelspitzenspalt und variabler Abblasung zu berücksichtigen, die in den auf Machähnlichkeit basierenden Kennfeldern nicht enthalten sind. Um die produktions- und lebenszyklusbedingten Schwankungen im Betriebsverhalten der einzelnen Fluggasturbine zu berücksichtigen, wird das zunächst noch allgemeine Modell für eine spezielle Gasturbine spezifiziert. Auf Grund des beschränkten Instrumentierungsumfangs im Serieneinsatz und der Vielzahl an anpassbaren Leistungsparametern ergibt sich ein unterbestimmtes System, mit theoretisch unendlich vielen möglichen Lösungen. Um das unterbestimmte System eindeutig lösen zu können, werden bestimmte Teilsysteme aufgestellt, indem die Anzahl der anpassbaren Leistungsparameter auf die Anzahl der vorhandenen Messgrößen reduziert wird. Über eine Beobachtbarkeitsuntersuchung werden die möglichen Teilsysteme bewertet. Ein besonders geeignetes und ein besonders ungeeignetes Teilsystem werden ausgewählt und für die Analyse der Serienmessdaten verwendet. Die analysierten Leistungsparameter werden dann in das allgemeine Modell implementiert. Bereits bei der Betrachtung der analysierten Leistungsparameter fällt zwischen den beiden Teilsystemen ein deutlicher Unterschied in der Streuung auf. Das aus der Beobachtbarkeitsuntersuchung als geeigneter hervorgegangene Teilsystem führt zu geringeren Streuungen in den analysierten Leistungsparametern. Ähnliches gilt auch für den Vergleich des an Abnahmetests angepassten allgemeinen Modells mit einem einfachen, unangepassten allgemeinen Modell. Die zusätzlichen Korrekturen für Reynoldszahl und Schaufelspitzenspalt reduzieren die Streuung vor allem punktuell, die Reynoldszahlkorrektur z.B. zwischen Betriebspunkten mit unterschiedlichen Flughöhen und damit unterschiedlichen Reynoldszahlen. Mit den spezifischen Modellen werden dann die weiteren Serienmessdaten überwacht, d.h. die Modelle liefern abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen Vorhersagewerte für die messbaren Größen. Die Differenzen zwischen Vorhersage- und Messwerten werden über der Messpunktnummer aufgetragen, und bilden damit einen Trend der Veränderungen der Fluggasturbine. Das Trend Monitoring, also die Überwachung dieser Differenzen, stellt eine einfache Möglichkeit dar, mechanische Veränderungen einer Fluggasturbine frühzeitig zu erkennen. Es ist zudem die Voraussetzung für weiterführende, komplexere Monitoring- und Diagnosesysteme, die aus den Differenzen zwischen Vorhersage- und Messwert Rückschlüsse auf die zu Grunde liegenden mechanischen Veränderungen ziehen. Diese Systeme sind allerdings nicht Teil dieser Arbeit. Für das Trend Monitoring werden Genauigkeitsanforderungen an die Vorhersagewerte gestellt und für die unterschiedlichen Modelle überprüft. Dabei wird gezeigt, dass das angepasste Modell, spezifiziert für eine spezielle Gasturbine mit dem geeignetsten Teilsystem und unter Verwendung der Korrekturmodelle für Reynoldszahl und Schaufelspitzenspalt, die Genauigkeitsanforderungen erfüllt. Von besonderer Bedeutung für die Vorhersagegenauigkeit zeigt sich der Einfluss des für die Spezifizierung verwendeten Teilsystems, d.h. der zur Anpassung freigegebenen Leistungsparameter.