Browsing by Author "Nagy, Daniel"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Erweiterung eines Zustandsüberwachungssystems für Gasturbinen unter besonderer Berücksichtigung der Beobachtbarkeit
(2014) Nagy, Daniel; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Die Leistungsfähigkeit einer Gasturbine nimmt über die Betriebszeit ab. Ursache hierfür sind einerseits Einzelereignisse wie z. B. Fremdkörpereintritte und andererseits Alterungsmechanismen wie z. B. Verschleiß. Ziel der Zustandsüberwachung der Gasturbine ist es, die Leistungsfähigkeit der Gasturbine zu jeder Zeit so exakt wie möglich zu bestimmen, um eine Prognose über die zu erwartende Restbetriebszeit zu gewinnen. Die Zustandsüberwachung gliedert sich in die Teilbereiche Detektion (Erkennen von Schäden), Identifikation (Zuordnung von Schäden zu den jeweiligen Komponenten), Diagnose (Berechnung der quantitativen Verschlechterung der Leistungsparameter) und Prognose. Sie ist von der Anzahl der Messgrößen und deren Position abhängig. Für den Fall, dass Messgrößen während der Betriebszeit ausfallen, sinkt die Güte der Detektion, Identifikation, Diagnose und zwangsläufig der Prognose. Um zumindest eine Abschätzung des vom Schaden betroffenen Komponentenbereiches der Gasturbine zu erhalten, bedarf es Identifikationsalgorithmen, die sowohl robust gegenüber Messrauschen als auch gegenüber Messgrößenausfällen sind. Voraussetzung ist die Detektion eines Schadens in der Gasturbine. Daraus ergibt sich die Forderung nach einem Identifikationsbackup-System, welches parallel zur Kausalkette der Zustandsüberwachung arbeitet. Der sich daraus ergebende Vorteil ist, dass trotz einer ungünstigen Instrumentierung der Gasturbine für die Zustandsüberwachung ein Anhaltspunkt für die Schadensuche an die Wartungsingenieure gegeben wird. In dieser Arbeit wird ein Konzept für eine robuste Identifikation entwickelt. Das Konzept umfasst mehrere Algorithmen um die maximale Anzahl an zu Verfügung stehenden Informationen zu verwenden. Diese Informationen sind Messgrößen unterschiedlicher Herkunft. Der entscheidende Vorteil dieses Konzeptes ist, dass es robust gegenüber Messgrößenausfällen ist und sowohl modellbasierte als auch nicht modellbasierte Erwartungswerte zur Identifikation in Betracht gezogen werden. Für die robuste Identifikation anhand modellbasierter Erwartungswerte wird ein Fusionsverfahren vorgestellt. Dieses Verfahren verbindet ein modellbasiertes und nicht modellbasiertes Verfahren. Das erste Verfahren ist ein Verfahren, welches kombinatorisch ein lineares Gasturbinenmodell auswertet. Aus den Lösungen der einzelnen Kombinationen erfolgt die Schätzung der betroffenen Komponenten der Gasturbine. Die anderen verwendeten Verfahren basieren auf der Mustererkennung anhand simulierten Signaturen von Schäden. Die erhaltene Lösung aus den Verfahren wird auf ihre physikalische Glaubwürdigkeit mittels einer Systemsensitivität überprüft. Die endgültige Identifikation erfolgt durch eine Rangliste an möglichen Schäden gewichtet mit einer Zugehörigkeitswahrscheinlichkeit. Für vorhandene aber nicht modellierbare Erwartungswerte, beispielsweise wie Vibrationsgrößen, Abgaskonzentrationsgrößen oder Öldaten, wird eine Expertendatenbank herangezogen, welche durch ein statistisches Verfahren zur Mustererkennung ausgewertet wird. Die Zugehörigkeitswahrscheinlichkeit der gemessenen Messgrößensignatur zu einem Schaden aus der Expertendatenbank wird mittels der Schätzung der Wahrscheinlichkeitsdichte errechnet. Die Expertendatenbank ist nach dem Konzept des fallbasierten Schließens (Case Based Reasoning) implementiert und wächst kontrolliert. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, dass trotz weniger Einträge im Anfangsstadium der Datenbank eine Identifikation durch die gewichtete Fusionierung zum modellbasierten Identifikationsverfahren möglich ist. In Anbetracht der schlechten Eignung heutiger Serieninstrumentierungen für die Zustandsüberwachung wird abschließend ein Vergleich zwischen drei unterschiedlichen Ansätzen für die Auswahl von Messgrößen für eine Serieninstrumentierung vorgestellt und basierend auf der Beobachtbarkeitsanalyse diskutiert. Für die neuartige Messgrößenauswahl der optimalen Beobachtbarkeit wird ein Sortieralgorithmus vorgestellt, welcher über eine Vielzahl an Betriebspunkten eine Kompromisslösung zwischen den bekannten Beobachtbarkeitskriterien findet. Es wird gezeigt, dass ein betriebspunktabhängiges Messgrößenauswahlverfahren, bedingt durch die besseren Beobachtbarkeitseigenschaften über die Betriebspunkte hinweg, robuster gegenüber leichten Störungen im Messvektor ist. Die Umsetzung der Konzepte erfolgt durch die Erweiterung eines bestehenden Zustandsüberwachungssystems (HealthGT®). Es wird gezeigt, wie das Backup-System für die Identifikation bei diversen Messgrößenausfällen eine Abschätzung der betroffenen Komponenten ermöglicht. Zusätzlich wird ein durch das Verfahren der optimalen Beobachtbarkeit erhaltenes Set an Messgrößen für die Zustandsüberwachung von Gasturbinen diskutiert und wichtige Messgrößen für die Zustandsüberwachung von Gasturbinen identifiziert.