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Open Access
Entwicklung und Demonstration eines integrierten Systems zur Zustandsüberwachung von Gasturbinen
(2010) Lipowsky, Holger; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Die Leistungsfähigkeit von Gasturbinen nimmt im Laufe der Betriebsdauer aufgrund von Alterungsmechanismen und in Folge von Einzelereignissen ab. Das Ziel der Zustandsüberwachung ist es, die Leistungsfähigkeit der Gasturbine zu jedem Zeitpunkt möglichst exakt zu bestimmen und eine Prognose für den zukünftigen Zustandsverlauf zu erstellen. Dabei müssen auftretende Ereignisse zeitnah erkannt (Detektion), die betroffenen Komponenten der Gasturbine bestimmt (Identifikation) und die Leistungsparameter der jeweiligen Komponente berechnet werden (Diagnose). Während sich Alterungsmechanismen in gradueller Weise auf alle Komponenten der Gasturbine auswirken, sind Einzelereignisse dadurch charakterisiert, zeitlich diskret aufzutreten und nur einige wenige Komponenten der Gasturbine zu betreffen. Da die Charakteristiken dieser beiden Mechanismen sehr unterschiedlich sind, gestaltet sich die Durchführung der Zustandsüberwachung mit einem einzelnen Algorithmus sehr schwierig. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Konzept zur Zustandsüberwachung von Gasturbinen entwickelt, welches mehrere Algorithmen miteinander verbindet, um die Anforderungen der verschiedenen Aspekte der Zustandsüberwachung zu erfüllen. Der entscheidende Vorteil dieses integrierten Konzeptes gegenüber bisher in der Literatur dokumentierten Systemen besteht in der funktionalen Trennung von Alterungs- und Einzelereignisdiagnose. Durch die anschließende Zusammenführung der Ergebnisse ist es möglich, Einzelereignisse und alterungsbedingte Verschlechterungen auch dann zu analysieren, wenn sie in überlagerter Form auftreten. Für die automatisierte Erkennung von Einzelereignissen wurde ein neuartiger Detektionsalgorithmus entwickelt, der durch die Anwendung einer speziellen Logik die gegensätzlichen Anforderungen einer schnellen Reaktion und eines hohen Glättungsgrades gleichzeitig erfüllt. Aufgrund der Kombination verschiedener Elemente zur Detektion (Bayes Faktoren, kumulative Bayes Faktoren, Lauflängen) ermöglicht der entwickelte Algorithmus die Detektion von Ereignissen, deren Auswirkungen auf die Messwerte kleiner als das Dreifache ihrer Standardabweichungen sind. Das entwickelte Verfahren zur Diagnose von Einzelereignissen basiert auf kombinatorischen Least-Squares-Lösungen, die mit Hilfe von Fuzzy-Logik-Regeln ausgewertet werden. Durch die spezielle Auswertelogik bedarf es keiner a-priori Informationen über die betroffenen Leistungsparameter, weder über ihre Anzahl noch über ihre Kombination. Darüber hinaus werden keinerlei Annahmen über die Beziehungen zwischen den Leistungsparametern getroffen. Es können beliebige Kombinationen an betroffenen Leistungsparametern diagnostiziert werden, wobei die maximal diagnostizierbare Anzahl an Leistungsparametern der Anzahl der vorhandenen Messwerte entspricht. Die Diagnose ist auf der Basis einzelner Messzeitpunkte durchführbar, d.h. es ist keine zeitliche Beobachtung der Messwerte notwendig. Das Diagnoseergebnis der Methode besteht nicht nur in der Berechnung der Abweichungen der Leistungsparameter, sondern auch aus der Berechnung des Fuzzy Index jedes Parameters. Der Fuzzy Index kann als Wahrscheinlichkeit interpretiert werden, mit der der entsprechende Leistungsparameter vom Fehler betroffen ist. Die Diagnose gradueller Verschlechterungen wurde mit bereits bekannten Verfahren der Nichtlinearen Optimierung durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Definitionen von Nebenbedingungen und eine Startwertsuche mittels eines Genetischen Algorithmus untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass beide Maßnahmen insbesondere für schlecht beobachtbare Leistungsparameter zu deutlichen Verbesserungen des Optimierungsergebnisses führen. Das entwickelte Konzept wurde mit Hilfe von 31680 generischen Testzyklen statistisch bewertet. Dabei wurden Detektionsraten von bis zu 99%, Identifikationsraten von bis zu 96% und Diagnoseraten von bis zu 99% erreicht. Abschließend wurde das Konzept im Rahmen der Entwicklung einer Diagnosesoftware mit dem Namen HealthGT umgesetzt. Durch die Verwendung einer grafischen Benutzeroberfläche verfügt HealthGT über eine einfache Bedienbarkeit. Darüber hinaus gestattet die modulare Programmierweise von HealthGT eine einfache Erweiterung um zukünftige Funktionalitäten.
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Entwurf einer Mehrgrößenregelung zur Sollwertfolge am Höhenprüfstand der Universität Stuttgart
(2011) Bolk, Sebastian; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Am Höhenprüfstand der Universität Stuttgart werden Versuche an Flugtriebwerken und deren Komponenten unter simulierten Höhenbedingungen durchgeführt. Der Prüfstand versorgt den Prüfling mit Luft, die in Druck und Temperatur den Bedingungen bei einem Flug in der Atmosphäre entspricht. Mit Hilfe eines Modells entsteht ein Regelsystem, das die Umgebungsbedingungen des Prüflings selbstätig einstellt. Dazu werden der Druck und die Temperatur der dem Prüfling zugeführten Luft sowie der Druck am Austritt des Prüflings auf vorgegebene Sollwerte geregelt. Der Regler wird ein Teil des Leitsystems des Höhenprüfstands und trägt dazu bei, den Prüfstand mit verbesserter Geschwindigkeit und Genauigkeit zu betreiben.
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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.
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Experimentelle Untersuchungen zur Grenzschichtbeeinflussung hochbelasteter Niederdruckturbinen
(2010) Schumann, Thomas; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Bei der Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist die Erhöhung der Gesamtwirtschaftlichkeit des Systems Flugzeug durch eine Verringerung des Gewichtes des Flugtriebwerks von besonderem Interesse. Um dies zu erreichen, bietet die Niederdruckturbine als größtes integrales Bauteil das höchste Potential. Ziel ist es daher, durch die Erhöhung der aerodynamischen Belastung der Niederdruckturbinenbeschaufelung, die Schaufelzahl zu reduzieren oder sogar die Möglichkeit zu eröffnen, die Stufenzahl der Niederdruckturbine zu verringern. Besonders bei Niederdruckturbinen steigt mit zunehmender Schaufelbelastung die Gefahr einer Grenzschichtablösung auf der Schaufelsaugseite. Somit lässt sich eine weitere Erhöhung der Belastung ohne grenzschichtbeeinflussende Maßnahmen nicht realisieren. Daher wird die Anwendungsmöglichkeit einer Grenzschichtbeeinflussung durch Ausblasen von Luft in die saugseitige Grenzschicht an hochbelasteten Niederdruckturbinenprofilen untersucht, um eine vorhandene Grenzschichtablösung zu unterdrücken. Durch Grenzschichtablösung entstehende Verluste sollen reduziert werden. Im Rahmen der Untersuchung zur Grenzschichtbeeinflussung an hochbelasteten Niederdruckturbinenbeschaufelungen wurden drei unterschiedliche Ausblasekonfigurationen im Nieder-Machzahl-Turbinenprüfstand des Instituts für Luftfahrtantriebe (ILA) der Universität Stuttgart untersucht. Dazu wurde ein Ultra High-Lift Niederdruckturbinenleitrad mit stark verringerter Schaufelzahl aerodynamisch neu ausgelegt. Zur Untersuchung der unterschiedlichen Ausblasekonfigurationen wurde an der Niederdruckturbinenbeschaufelung die Möglichkeit zur Ausblasung von Sekundärluft geschaffen. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Ausblasekonfigurationen konzentrieren sich dabei einerseits auf die Position der Ausblasebohrungen relativ zu einer sich einstellenden Strömungsablösung und andererseits auf die Bereitstellung der zur Grenzschichtstörung benötigten Ausblaseluft. Zusätzlich zu ausgedehnten Strömungsfeldvermessungen über pneumatische Mehrlochsonden und die Aufnahme statischer Profildrücke bei unterschiedlichen Ausblaseraten, erfolgte die Bestimmung der jeweiligen Wirkungsgradänderung der Gesamtturbine. Somit werden Aussagen über das Potential der Grenzschichtbeeinflussung durch Ausblasung zur Wirkungsgradverbesserung ermöglicht. Die Untersuchungen liefern umfassende Ergebnisse zum Verhalten der saugseitigen Grenzschicht bei einer Veränderung der Ausblaserate. Zusätzlich kann das sich ausbildende dreidimensionale Strömungsfeld dargestellt und Aussagen über die durch die Ausblasung entstehenden Wirbelstrukturen getroffen werden. Die untersuchte Grenzschichtbeeinflussung bietet das Potential, die aufgrund der stark verringerten Schaufelzahl abgelöste Grenzschicht zu beeinflussen und zu unterdrücken. Durch die Strömungsablösung zusätzlich generierte Strömungsverluste können verringert werden.
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Eine Methode zur Abschätzung der produktionskostenbezogenen langfristigen Planungsziele ziviler Turboflugtriebwerke
(2011) Arago, Olivia; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund einer wachsenden Internationalisierung nehmen die Dynamik und die Komplexität in den Märkten zu. Dies bedingt einen kontinuierlichen Wertewandel, bemerkbar durch eine stetige Zunahme der Innovationsdynamik und einem beschleunigten technologischen Wandel der Produkte. Eine Konsequenz dessen sind kürzere Produktlebenszyklen und Produktentwicklungszeiten, was die produzierenden Unternehmen bezüglich der Produktplanung vor erhebliche Herausforderungen stellt. Der Erfolg eines Produktes am Markt wird nicht zuletzt über dessen Verkaufspreis und somit indirekt über dessen Herstellungskosten bestimmt. Es ist daher von essenzieller Bedeutung, bereits in der Vorentwicklungsphase eines Produktes die Kosten zu ermitteln und somit langfristig die Planungsziele festlegen zu können. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Abschätzung der langfristigen produktionsbezogenen Planungsziele vorgestellt. Die Herausforderung bei der Produktionskostenbestimmung zukünftiger Technologien besteht in der zielführenden Vereinfachung der Komplexität der Einflussfaktoren bei gleichzeitig zufrieden-stellender Genauigkeit der Kostenergebnisse. An eine Methode zum Vergleich der Produktionskosten in der Vorauslegungsphase sind Anforderungen unterschiedlichster Art geknüpft. Zum einen soll die Methode dazu dienen, unterschiedliche Konzepte zum Zeitpunkt der Vorauslegung anhand der Produktionskosten abzuschätzen und zu vergleichen. Zum anderen soll sie als unterstützendes Werkzeug bei der Bewertung der Produktionskosten neuartiger gegenüber konventionellen Technologien dienen. Die Produktionskosten setzen sich aus Material- und Fertigungskosten zusammen. Zur Abschätzung der Materialkosten wird ein Materialkosten-Model entwickelt. Basis dieses Models bildet die chemische Zusammensetzung der Werkstoffe. Weiterhin wird der Wertschöpfungsprozess des Materials über die einzelnen Herstellverfahren analysiert, um die Materialkosten zu berechnen. Die Fertigungskosten beziehen sich auf die Fertigung der Bauteile beim OEM. Dazu werden die bauteilspezifischen Fertigungsschritte untersucht und die entsprechenden Kostenbestimmungsmethoden aufgestellt. Weiterhin soll das Modell neue Fertigungstechnologien sowie neuartige Materialien abbilden können. Zur Abschätzung der Produktionskosten werden zwei Ansätze verfolgt und im Produktionskostenmodell abgebildet. Dabei handelt es sich um einen verfeinernden Ansatz, den sogenannten Top-Down Ansatz und einen aufbauenden Ansatz, den Bottom-Up Ansatz. Die dem Modell zu Grunde liegende Produktstruktur ist nach triebswerksauslegungsspezifischen Aspekten erstellt und gliedert sich von der Triebwerks-Ebene über die Modul-Ebene bis hin zur Bauteil-Ebene. Anhand bekannter Triebwerksgeometrien der Triebwerke CFM56-5B6 und V2524-A5 wurden die Produktionskosten bestimmt. Beim Vergleich mit den angenommenen Produktionskosten liegen die Ergebnisse im Rahmen der geforderten Genauigkeit. Ebenso können die, für die unterschiedlichen Architekturen der Triebwerke, abgeleiteten Auslegungsparameter aus der Leistungsrechnung bestätigt werden. Es kann gesagt werden, dass das erstellte Produktionskosten-Modell die Abschätzung der Produktionskosten unterschiedlicher Triebwerkstechnologien und –architekturen bereits in der Vorentwicklungsphase erlaubt.
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Modellbasierte Regelung von Gasturbinenbrennkammern zur Optimierung von Stickoxidemissionen und Verbrennungsinstabilitäten
(2009) Schneider, Ernst; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Die magere Vormischverbrennung erlaubt den Betrieb von Gasturbinen mit sehr geringen Schadstoffwerten. Der Brennkammerbetrieb mit Äquivalenzverhältnissen nahe der mageren Löschgrenze ist allerdings mit einer erhöhten Anfälligkeit der Brennkammer für Verbrennungsinstabilitäten verbunden. Verbrennungsinstabilitäten sind ein unerwünschtes Druckpulsationsphänomen, das aus einer Rückkopplung der Brennkammerakustik mit Schwankungen in der Wärmefreisetzung resultiert. Verbrennungsinstabilitäten wirken sich negativ auf die Lebensdauer der Brennkammer aus, sie können den Brennkammerausbrenngrad verschlechtern und im Extremfall zum Versagen der Brennkammer führen. Zur Vermeidung bzw. Kontrolle der Verbrennungsinstabilitäten können passive und aktive Maßnahmen ergriffen werden. Zu den passiven Maßnahmen zählen der Einbau von Hohlraumresonatoren oder Helmholtzdämpfern, aktive Maßnahmnen sind beispielsweise die aktive Brennstoffmodulation und die Brennstoffstufung. Bei der Brennstoffstufung wird der Ort der Brennstoffeinspritzung abhängig von den Vorgaben des Regelungssystems variiert, so dass die Rückkopplung zwischen Brennkammerakustik und Wärmefreisetzung gestört wird. Variationen der Brennstoffstufung wirken sich neben den Pulsationen aber auch auf die stark temperaturabhängigen Stickoxidemissionen aus. Für die Entwicklung, die Optimierung und das Testen von Regelungskonzepten, die eine emissionsarme Verbrennung mit einem niedrigen Pulsationsniveau erlauben, werden akkurate, echtzeitfähige Modelle der Regelstrecke benötigt, welche das Pulsations- und Stickoxidemissionsverhalten der Brennkammer abbilden. Mit einem Modell kann die Regelstrecke simuliert werden und es können kostengünstig und ohne Gefährdung der Brennnkammer unterschiedlichste Szenarien zur Einstellung der Regelparameter untersucht werden. Zudem lassen sich derartige Modelle für modellbasierte Regler heranziehen, die gegenüber klassischen Regelungskonzepten Leistungsvorteile aufweisen. Insbesondere Totzeiteffekte lassen sich beim Einsatz modellbasierter Regelungskonzepte abmildern. Die vorliegende Arbeit stellt ein stochastisches Verfahren ( Gauss'scher Prozess ) vor, welches die Berechnung der Pulsationen und der Stickoxidemissionen basierend auf Größen erlaubt, die von der Standardinstrumentierung der Gasturbine erfasst werden. Die gewählte Modellierungsmethodik ist systemspezifisch, aber Gauss'sche Prozesse lassen sich analog auch für die Modellierung des Pulsations- und Stickoxidemissionsverhaltens anderer Gasturbinen anwenden. Ein Gauss'scher Prozess ist ein mathematisches Modellierungsverfahren, das verwandt ist mit den Neuronalen Netzen, gegenüber diesen allerdings den Vorteil hat, dass es eine vorgegeben Struktur besitzt und nur eine kleine Parameterschar, für deren Einstellung eindeutige Vorgaben existieren. Die Modellierungsergebnisse werden mit Hilfe von Versuchsdaten verifiziert. Das Modell erfasst hinreichend genau das Pulsations- und Stickoxidemissionsverhalten der Brennkammer und weist eine Portabilität zwischen Gasturbinen der gleichen Bauart bei ähnlichen Betriebsbedingungen auf. Basierend auf dem Modell wird ein neues Regelungskonzept der Brennstoffstufung entwickelt. Dabei wird das Pulsations- und Stickoxidemissionsmodell in einer Beobachterstruktur eingebettet in den Regler integriert. Das modellbasierte Regelungskonzept erlaubt die schnelle und zuverlässige Einstellung der Regelgrößen sowohl unter der Einwirkung von Störeinflüssen als auch von Totzeiteffekten. Das entwickelte Regelungskonzept hat im Rahmen von Simulationen sowohl für statische als auch für transienten Betriebspunkte ein gutes Leistungsverhalten aufgewiesen.
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Modulares Leistungsberechnungsverfahren zur automatisierten modellbasierten Leistungsanalyse von Gasturbinen
(2005) Bauer, Michael; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Die Entwicklung moderner Gasturbinen wird durch ein umfangreiches Versuchsprogramm mit Prototypen begleitet. Zur Bewertung des Leistungs- und Betriebsverhaltens werden diese mit einer Vielzahl von Messwertaufnehmern bestückt, mit denen Drücke, Temperaturen, Drehzahlen usw. gemessen werden. Die Auswertung der Meßdaten erfolgt mit Hilfe von Analyseverfahren, die nicht gemessene Größen, wie z. B. Wirkungsgrade der Gasturbinenkomponenten und Turbinentemperaturen, unter Verwendung bekannter Zusammenhänge berechnen. Dabei sind Meßfehler aufgrund von Mängeln der Meßeinrichtung oder aufgrund von falscher Handhabung, sogenannte grobe Meßfehler, zu erkennen und für die Analyse auszuschließen. Eingesetzt werden die Verfahren sowohl für eine detaillierte Bewertung des Prototypen nach Versuchsende (off-line) als auch zur Gewährleistung einer sicheren und effizienten Versuchsdurchführung (on-line). Aufgrund der sich verschärfenden Wettbewerbssituation für Gasturbinenhersteller und der damit verbundenen Forderung Entwicklungskosten und Zeiten kontinuierlich zu senken, gewinnen Anforderungen an die Verfahren hinsichtlich Automatisierung, Genauigkeit, Flexibilität sowie on-line- und off-line-Fähigkeit zunehmend an Bedeutung. Ebenso spielt die Erkennung von Fehlfunktionen der Gasturbine und von groben Meßfehlern bereits während der Versuchsdurchführung eine große Rolle. In der vorliegenden Arbeit wird ein modulares Leistungsberechnungsverfahren vorgestellt, das diese steigenden Anforderungen erfüllt. Diesem Verfahren liegt eine Erwartung in Form eines mathematischen Modells zugrunde, welches das nichtlineare Betriebsverhalten der einzelnen Gasturbinenkomponenten in Form von Kennfeldern bzw. analytischen Gleichungen berücksichtigt. Neben der Berechnung von nicht gemessenen Größen wird ein Vergleich zwischen dem analysierten und dem erwarteten Betriebsverhalten durchgeführt. Dabei werden sogenannte Modifizierer in bezug auf Parameter, die das erwartete Betriebsverhalten der Komponenten beschreiben, bestimmt. Die on-line-Fähigkeit des Verfahrens wird durch Erweiterungen in bezug auf eine automatisierte und numerisch robuste Analyse hergestellt. Dabei werden die Meßdaten auf Plausibilität hin überprüft sowie geeignete Schätzwerte der Iterationsvariablen ausgewählt. Das Verfahren wird in ein modernes Datenerfassungssystem eines Prüfstands integriert. Hierfür wird eine Schnittstelle zwischen dem Prüfstandsprogramm und dem Leistungsberechnungsprogramm entwickelt. Beide Programme werden gemeinsam auf einem herkömmlichen PC unter dem Betriebssystem Windows XP eingesetzt. Das Analyseverfahren läßt sich automatisiert sowohl kontinuierlich (z. B. 4 Hz) als auch bei der Aufnahme eines Meßpunktes aufrufen. Eine on-line-Visualisierung der berechneten Größen ist mit Hilfe des Prüfstandsprogramms möglich. Zur Erkennung von Fehlfunktionen der Gasturbine wie auch von groben Meßfehlern, die vom Betrag her gering und daher von der oben genannten Plausibilitätsüberprüfung nicht erkennbar sind, wird eine in einem Expertensystem implementierbare und on-line einsetzbare Verfahrensweise erläutert. Dabei werden anhand charakteristischer Signaturen'' der Modifizierer Fehlerfälle zu Komponenten oder zu Meßgrößen zugeordnet. Solche Signaturen werden beispielhaft für ein Turboluftstrahltriebwerk mit einer für einen Prototypen typischen Instrumentierung abgeleitet. Dazu werden unterschiedliche Methoden berücksichtigt, mit denen das analysierte und das erwartete Betriebsverhalten der Gasturbinenkomponenten verglichen wird. Die Signaturen beschränken sich auf die Anwesenheit eines einzelnen Fehlerfalls. Da das Auftreten mehrerer Fehlerfälle zum gleichen Zeitpunkt weitgehend ausgeschlossen werden kann, ist dies bei einer kontinuierlichen Überwachung des Gasturbinenzustands und der Messdatenqualität zulässig. Das beschriebene Verfahren wird zur Analyse von Daten eines Turboluftstrahltriebwerks angewandt, die mit Hilfe eines Simulationsverfahrens erzeugt wurden. Diese berücksichtigen Fehlfunktionen einzelner Triebwerkskomponenten sowie grobe Meßfehler. Die numerische robuste Berechnungsweise sowie die Erkennung der Fehlerfälle kann erfolgreich nachgewiesen werden. Das Verfahren wird weiterhin während eines realen Versuchs mit dem gleichen Triebwerkstyp zur kontinuierlichen Überwachung des Zustands der Komponenten und der Meßdatenqualität erfolgreich eingesetzt. Im Gegensatz zu den bisher on-line eingesetzten Verfahren kann eine Vielzahl von groben Meßfehlern schnell und zuverlässig erkannt werden.
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Simulation eines Höhenprüfstands zur Untersuchung der Verdichter-Pumpverhütungs-Regelung
(2010) Köcke, Sabine; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Sowohl bei der Zulassung als auch bei der Validierung des Betriebsverhaltens moderner Triebwerke werden steigende Ansprüche an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Prüfstände gestellt. Um den Betrieb des HP hinsichtlich dieser steigenden Ansprüche zu unterstützen, soll ein besseres Verständnis für das Betriebsverhalten des Prüfstands erlangt werden. Hierfür und als Grundlage zur Auslegung und Optimierung von Regelungssystemen wird eine Simulation des Höhenprüfstands erstellt, die das dynamische Betriebsverhalten ausreichend genau wiedergibt und deren Berechnungen den Anforderungen an Geschwindigkeit und Stabilität genügen. Es wird eine Struktur ausgearbeitet, die den modularen Aufbau und den schematischen und zeitlichen Ablauf der Simulation aufzeigt. Die physikalischen Vorgänge im Prüfstand werden zusammengefasst und in der mathematischen Beschreibung der Komponenten berücksichtigt. Die Gleichungen werden in eine automatisierte Berechnungsumgebung eingebettet und ein geeignetes numerisches Lösungsverfahren auf das aufgestellte Differentialgleichungssystem angewandt. Die Validierung der Simulation erfolgt anhand eines gut abgrenzbaren Teilbereichs des Prüfstands. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sowohl das stationäre als auch das dynamische Verhalten des untersuchten Abschnitts durch die Simulation mit ausreichender Genauigkeit abgebildet wird. Die Berechnungen sind für die Validierungsfälle in allen Betriebsarten schneller als Echtzeit. Im Anschluss an die Validierung wird die Simulation als Basis zur Auslegung und Optimierung einer Pumpverhütungsregelung des im Teilbereich enthaltenen Verdichters verwendet. Im ersten Schritt werden die Regelalgorithmen in der Simulation ergänzt und die Funktionalität mit Hilfe von Beispielrechnungen belegt. Die geringen Abweichungen zwischen Simulationsergebnissen und Messwerten haben gezeigt, dass die Simulation den Zusammenhang der physikalischen Größen ausreichend genau wiedergibt. Im zweiten Schritt wird mit einer Parameterstudie der Einfluss der Regelverstärkungen auf den Verlauf des Verdichterdruckverhältnisses gezeigt. Die Ergebnisse werden zur Bestimmung der optimalen Konfiguration der Reglerparameter verwendet. Neben dem regulären Betrieb werden die Auswirkungen der von der Regelung ausgegebenen Stellgrößen auf das dynamische Prüfstandsverhalten beim Auftreten von nicht einschätzbaren oder plötzlich auftretenden Ereignissen untersucht. Hierbei werden die Wechselwirkungen zwischen Prüfstand und Regelung unter Einfluss verschiedener Verstärkungsfaktoren ermittelt. Die Ergebnisse der Simulation einer blockierenden Bypassklappe und einer auslösenden Berstscheibe haben gezeigt, dass ein für den gewöhnlichen Betrieb auf ein schnellstmögliches Erreichen des Solldruckverhältnisses optimierter Regler beim Auftreten o. g. Ereignisse schlechtere Ergebnisse erzielen kann als ein langsamerer Regler. Bei der Auslegung des Reglers muss folglich abgeschätzt werden, wie groß die Störungen sein können und wie schnell das System unter Berücksichtigung seiner Dynamik und der Begrenzung von Stellgeschwindigkeiten den Vorgaben des Reglers folgen kann. Es verbleibt die Möglichkeit, mit dem zusätzlichen Einsatz einer Anti-Windup-Regelung neben dem weiteren Anwachsen des Integralanteils bei nicht sinnvollen Vorgaben des Reglers auch einen optimalen Wert für den Proportionalanteil zu ermittelt. Mit Hilfe der Simulation können weitere für den Betrieb des Prüfstands genutzte Regelungssysteme optimiert werden. Dies schafft die Möglichkeit, die Sicherheitsabstände zu den Betriebsgrenzen der Komponenten verringern und die Leistungsfähigkeit des Prüfstands in einem höheren Maße nutzen zu können. In der Simulation werden Phänomene wie Rückströmungen angezeigt, die messtechnisch im Prüfstandsbetrieb derzeit nicht erfasst werden können. Die Simulation zeigt die Wechselwirkungen und Abhängigkeiten zwischen Regelparametern, Stellorganen, Betriebspunkt und Betriebsverhalten des Prüfstands auf und bietet die Möglichkeit zur Untersuchung von Fehlfunktionen und sonstigen ungewöhnlichen Ereignissen, die am realen Prüfstand nicht nachgestellt werden können. Des Weiteren kann die Simulation zur Vorhersage der Auswirkungen von Erweiterungen und sonstigen Umbaumaßnahmen genutzt werden und hierdurch den Ausbau und die Modernisierung des Höhenprüfstands unterstützen. Durch die Kopplung der Höhenprüfstands-Simulation mit der Simulation eines Triebwerks können die Versuchskonfiguration vor Eintritt in die Testphase auf deren Leistungsfähigkeit untersucht und eventuell erforderliche Anpassungen ermittelt werden. Die Simulation bietet den besonderen Vorteil, auch kritische Betriebspunkte einstellen zu können, ohne das reale Triebwerk oder den Höhenprüfstand zu gefährden. Der Einsatz der Simulation kann somit wesentlich zu einer optimalen Versuchsdurchführung beitragen und hierdurch eine Erhöhung der zur Verfügung stehenden Betriebszeit des Prüfstands erreichen.
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Simulation und Regelung eines Brennstoffzelle-Gasturbine-Hybridkraftwerks
(2012) Kroll, Florian; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Die Festoxidbrennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) ist eine vielversprechende Technologie für die zukünftige Energieerzeugung. Dieser spezielle Typus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle besitzt diesen Stellenwert aufgrund seines hohen (elektrischen) Wirkungsgrades und seiner geringen Abgasemissionen. Durch die Integration der SOFC in den Gasturbinenprozess lässt sich der Wirkungsgrad nochmals steigern, da die Abwärme der SOFC zur Einsparung von Treibstoff in der Gasturbinen-Brennkammer genutzt wird. Die tatsächliche Wirkungsgradsteigerung hängt von der Integrationsart ab; in erster Linie davon, ob die SOFC unter Druck oder atmosphärisch betrieben wird. Die Optimierung des stationären Auslegungspunktes und dessen Wirkungsgrads, resultiert bisweilen in hoch komplexen Anlagenschemata für ein derartiges Hybridkraftwerk. Aber selbst eine einfache Kopplungsvariante der Hauptkomponenten Gasturbine und Brennstoffzelle führte in der Praxis bereits während der Testphase zu erheblichen Problemen. Somit ist für diesen Kraftwerkstyp ein schlüssiges Betriebs- und Regelungskonzept erforderlich, das alle wesentlichen stationären und instationären Wechselwirkungen und Randbedingungen berücksichtigt. Um die Realisierbarkeit eines solchen Konzeptes in kommerziell nutzbaren Anlagen nachzuweisen, sind einige Zwischenschritte notwendig. Vor dem Aufbau eines Testkraftwerks, mit dem Langzeitstudien erfolgreich zu absolvieren sind, liegt die Optimierung der Hauptkomponenten Gasturbine, Brennstoffzelle und Systemregelung im Hinblick auf deren Kopplung. Hierzu ist wiederum ein dauerhaft gekoppelter Betrieb erfolgreich in die Realität umzusetzen. Dieser Schritt erfordert umfassende theoretische Vorarbeiten von der detaillierten mathematischen Beschreibung elektro-chemischer Vorgänge innerhalb des elektrisch aktiven Teils einer SOFC, bis hin zu dynamischen Simulationen eines Gesamtsystemmodells. Eine derartiges Modell muss neben den drei bereits genannten Hauptkomponenten auch die zur Realisierung benötigten Kopplungselemente wie die Verrohrung und zusätzliche Ventile umfassen. Anhand von Simualtionsergebnissen eines solchen Systemmodells wird eine Bewertung und Optimierung verschiedener Betriebskonzepte und Schaltungsvarianten möglich. Die vorliegende Arbeit stellt ein umfassendes, einheitliches Konzept der nichtlinearen, dynamischen Modellierung aller für die Erstellung eines Gesamtsystemmodells benötigten Komponenten vor. Alle Modelle der einzelnen Komponenten sind dabei entweder direkt an Messdaten validiert, oder anhand von höherwertigen Modellen verifiziert worden. Das ausgearbeitete Regelungskonzept wird vorgestellt und anhand von Simulationen typischer Manöver eines Hybridkraftwerkes verifiziert. Die Einhaltung vorgegebener Randbedingungen, in erster Linie von Eintritts- und Austrittstemperatur der SOFC und der Drehzahl der Gasturbine, fließt mit in die Bewertung des Betriebs- und Regelungskonzeptes ein. Zusätzlich stellen die Simulationsergebnisse eine wichtige Ausgangsbasis für den im Rahmen des Forschungsprojektes geplanten Betrieb einer Mikrogasturbine mit einem SOFC-Simulator dar. Ein derartiger Simulator ermöglicht die Emulation des thermischen und strömungstechnischen Verhaltens einer realen SOFC, ist jedoch deutlich kostengünstiger. Die notwendigen Modellerweiterungen im Hinblick auf diese Hardwarerealisierung werden ebenfalls in den vorliegenden Ausführungen beschrieben.
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Systematic investigation of fuel efficiency restoration during engine overhaul
(2015) Kuschke, Jonathan; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
The increased importance of fuel consumption in the books of aircraft operators has led to a raised focus on the aspect of performance recovery for the engine overhaul process. It follows thus the need for a method to systematically and cost-efficiently investigate the impact of single workscope elements on engine efficiency. A survey of existing studies and methods unearths recently developed methods for a comprehensive maintenance planning. These methods do not yet incorporate the aspect of performance recovery in spite of the high effort made to adapt engine specific workscope for observed hardware conditions. This is due to a lack of a systematic approach to establish a model correlating workscope and performance recovery. Research linking the two has so far been focused on predicting workscope-induced performance recovery based on pre-defined models and comparing the results with measured performance changes. No method for an adaptive model, based on available field data, has yet been established. Furthermore, any conceptual reflections to use field data to assess workscope impact on performance recovery are focused on the use of test cell data, rather than on-wing data recorded during engine operation. To close this existing gap a new methodology is developed, correlating the engine overhaul's workscope and its effect. The workscope is therein defined by the degree of restoration which quantifies the percentage of parts for which a given feature is restored, either by repair or use of new parts. In order for the correlation model's extend to be manageable, the degree of restoration is defined for clusters comprising multiple stages. The workscope effect, in terms of performance recovery, can be analysed using test cell or on-wing data both of which are subject to uncertainty induced by measurements and the engine model. It is demonstrated that the latter leads to lower analysis uncertainty for the high pressure components who are the primary lever for improvements on SFC and EGT-margin. This is explained by the improved accuracy achieved with averaging multiple snapshots. It is demonstrated that using an average of 50 filtered snapshots is a valid approach, since the engine components may be considered to be a system of constant state during the operation time frame. Furthermore, the importance of the proper choice of the core flow analysis method is demonstrated, as well as the potential for analysis accuracy improvement using a more detailed engine model. It is shown that these measures have the potential of improving the analysis accuracy of HPC and HPT by a factor of 1.4 and 3.4 respectively. Analysis of recovered performance of fan and LPT is demonstrated to be more sensitive to installation effects. For these components, better accuracy can be achieved using test cell data, provided a performance test run is carried out prior to the overhaul. In order to correlate workscope and performance recovery, a general functional relation is established to serve as the principal model. The model is then adapted to optimally fit available field data from past engine overhauls through implementation within an appropriate optimisation algorithm. An application to the high pressure components provides plausible results indicating clear distinctions between the leverage that different workscope elements provide for recovering performance. A cross validation using the leave one out algorithm shows the results of the correlation to be sensible. The potential for further improvement, for example by using measured dimension changes of the different features for the workscope description, is discussed. With this investigation, it is understood for the first time what the feasibilities and limitations in correlating workscope and performance recovery are. The established approach provides a basis for systems aimed at systematically planning engine workscopes with respect to performance restoration.
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Untersuchungen zu Energieversorgung und Antrieb einer Leichter-als-Luft-Höhenplattform
(2008) Kotulla, Michael; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Höhenplattformen besitzen ein großes Potential zum Ersatz von bodengebundenen Relaisstationen in der Telekommunikation im Nahbereich. Darüber hinaus sind Anwendungen auf dem Gebiet der Überwachung, zum Beispiel zum Schutz von Staatsgrenzen, durch gefesselte Ballone oder Stratosphärenflugzeuge bereits realisiert worden. Neben diesen Konzepten gibt es mehrere Forschungsprojekte zur Entwicklung stratosphärischer Luftschiffe für lange Einsatzdauern. Dabei ist eine stationäre Positionierung dieser Höhenplattformen und somit ein Ausgleich der in Einsatzhöhe auftretenden Windgeschwindigkeiten eine wesentliche Anforderung. Im Verbundforschungsprojekt AirChain von Universität und DLR Stuttgart wird ein Luftschiff als Gliederkette von fünf gelenkig miteinander verbundenen Prallkörpern untersucht. Dieses Luftschiff soll eine Nutzlast während einer möglichst langen Missionsdauer stationär in der unteren Stratosphäre positionieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Aufbau eines echtzeitfähigen Simulationsmodells für Energieversorgung und Antrieb der Leichter-als-Luft-Höhenplattform behandelt. Aus strukturmechanischen Gründen und zur Stabilisierung des Luftschiffs ist eine Aufteilung auf mehrere Antriebseinheiten notwendig. Für einen effizienten Betrieb des Antriebsstrangs über den breiten Betriebsbereich werden auch die Energieerzeuger auf mehrere Einheiten aufgeteilt. Es werden zu jedem Zeitpunkt nur ebenso viele Energieerzeuger betrieben wie zur Abdeckung des Antriebsbedarfs notwendig ist. Zur Reduktion von Verlusten kann durch Verwendung einer Pufferbatterie der Betrieb eines Energieerzeugers im energetisch ungünstigen Teillastbereich verringert werden. Weiterhin können durch die Pufferbatterie die dynamischen Eigenschaften der Energieerzeuger zur Abdeckung dynamischer Leistungsanforderungen deutlich verbessert werden. Die Auswahl der Subsysteme und Komponenten des Antriebsstrangs basiert auf dem Stand der Technik. Neben elektrisch betriebenen Propellern werden deshalb Gasturbinen und Generatoren für die Energieerzeugung ausgewählt und damit ein nicht-regeneratives System. Das Modell des Antriebsstrangs ist modular aufgebaut, so dass einzelne Komponenten verändert oder durch weiterentwickelte Systeme ersetzt werden können. Dazu verfügen die Komponenten über eigene Regelungseinheiten. Darüber hinaus gibt es einen Gesamtregler des Antriebsstrangs, in welchem wesentliche Entscheidungen über die Betriebsweise der Energieerzeuger in Abhängigkeit des Ladezustands der Pufferbatterie getroffen werden. Als von großem Nachteil erweist sich hierbei die mangelnde Kenntnis über die Dynamik des stratosphärischen Windes, nach der sich einige grundlegende Systemeigenschaften ausrichten müssen. Mit den heute verfügbaren Winddaten ist eine maximale zeitliche Auflösung von sechs Stunden zu gering, um daraus die geforderten Informationen abzuleiten. Daher muss an dieser Stelle von einer hohen möglichen Winddynamik ausgegangen werden. Die Einbindung der Pufferbatterie erfolgt konservativ, so dass der stationäre Betrieb der Antriebe weitgehend ohne Pufferbatterieleistung auskommt und die Pufferbatterie fast nur zur Abbildung der Dynamik verwendet wird. Es ist daher weiteres Potential zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrads über den Rahmen dieser Arbeit hinaus vorhanden. Die erreichbaren Missionsdauern richten sich bei fest vorgegebener Brennstoffmasse nach der jeweiligen Windgeschwindigkeit. Über Mitteleuropa ist diese im Sommer gering, mit den durchgeführten Simulationen kann eine Missionsdauer von bis zu neun Tagen erreicht werden. Durch eine stärkere Einbindung der Pufferbatterie kann diese Zeitdauer noch ausgedehnt werden. In windstarken Wintermonaten verringert sich die Missionsdauer auf fünf bis sieben Tage. Trotz des höheren Antriebsbedarfs können mit dem untersuchten Modell des Antriebsstrangs alle stationären Leistungsanforderungen abgedeckt werden. Bei hoher Winddynamik erweisen sich die zur Umsetzung hoher Vortriebswirkungsgrade groß dimensionierten Propeller als nachteilig. Deren im Vergleich zu den Elektromotoren hohe Massenträgheit führt zu langen Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten. An diesem Beispiel zeigen sich die Herausforderungen, welche für die Entwicklung von Antriebslösungen bei den in der unteren Stratosphäre vorherrschenden extremen Umweltbedingungen bestehen. Mit dem vorliegenden Simulationsmodell wurde hierfür eine mögliche Lösung ausgearbeitet.
Open Access
Untersuchungen zum Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Schädigung und Instandhaltung von Turboluftstrahltriebwerken
(2013) Müller, Matthias H.; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Langfristige Instandhaltungsverträge und der anhaltende Kostendruck haben die Notwendigkeit einer zuverlässigen Vorhersage und einer Reduzierung der Kosten für die Instandhaltung von Turboluftstrahltriebwerken zur Folge. Die Instandhaltungsbedürftigkeit und Zuverlässigkeit von Turboluftstrahltriebwerken wird wesentlich durch die betreibertypischen Betriebsbedingungen und die auftretenden Schädigungsmechanismen beeinflusst. Der Verlauf der Bauteilschädigung wird neben den Betriebsbedingungen durch die mit den Bauteilveränderungen verbundene Leistungsverschlechterung beeinträchtigt. Der Grad der Leistungsverschlechterung ist wiederum von den durchgeführten Instandhaltungsmaßnahmen abhängig. Sowohl die betreibertypischen Betriebsbedingungen als auch die durch den Triebwerkshersteller festgelegte Belastbarkeit der Bauteile sind mit Streuung behaftet. Durch die bestehenden Methoden werden die auftretenden Wechselwirkungen und Einflüsse nicht vollständig erfasst. Die Methoden sind vielmehr auf die Untersuchung einzelner Zusammenhänge beschränkt. In der vorliegenden Arbeit wird eine probabilistische Modellierungsmethodik vorgestellt, die durch ihren iterativen Berechnungsablauf die komplexen Interaktionen der verschiedenen Einflüsse berücksichtigt. Die Modellierung der Bauteilschädigung erfolgt durch eine Trennung der Streuungseinflüsse. Die Variation der Bauteilbelastbarkeit wird durch Verteilungsfunktionen modelliert. Diese geben für jedes Bauteil die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls in Abhängigkeit der Zahl an Referenzzyklen an. Die Modellierung der betreibertypischen Belastungsstreuung erfolgt durch eine Zyklengewichtung anhand von physikalischen Größen. Dazu wird die Bauteilschädigung infolge eines individuellen Flugzyklus auf den Schädigungseffekt eines festgelegten Referenzflugzyklus bezogen. Die Verknüpfung der Betriebsbedingungen mit den zur Zyklengewichtung benötigten Triebwerksleistungsparametern erfolgt mit Hilfe eines in das Modell eingebundenen Leistungsrechnungsprogramms. Zur Festlegung der Zeitpunkte der Triebwerksüberholungen und der Instandhaltungsmaßnahmen ist die Instandhaltungsstrategie im Modell durch logische Abfragen hinterlegt. Durch die Methodik wird die gesamte Betriebsdauer einzelner Triebwerke mit den zugehörigen Bauteilschädigungsverläufen, der Leistungsverschlechterung und den Instandhaltungsmaßnahmen simuliert. Mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation werden ausgehend von betreibertypischen Verteilungsfunktionen für die Betriebsbedingungen die geforderten Ergebnisgrößen für eine Triebwerksflotte, wie beispielsweise die Instandhaltungskosten je Flugstunde und der Ersatzteilbedarf, ermittelt. Die Anwendung der Methodik erfolgt für ein Zweiwellen-Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk. Anhand von Parameterstudien und Szenarien wird der Einfluss einzelner Betriebsbedingungen untersucht. Hinsichtlich der Bedeutung der verschiedenen Überholungsursachen werden mit Hilfe der Methodik die grundlegenden Tendenzen in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen ermittelt. Ebenso werden für die Instandhaltungskosten und die mittlere Dauer zwischen zwei Triebwerksüberholungen generelle Trends über den Betriebsbedingungen abgeleitet. Neben der Instandhaltungsvorhersage wird die Methodik zur Anpassung der Instandhaltungsstrategie an die herrschenden Betriebsbedingungen verwendet. Dazu werden einzelne frei wählbare Instandhaltungsparameter, wie beispielsweise das Triebwerkswaschintervall, variiert und dadurch ein für die vorliegenden Randbedingungen optimaler Wert ermittelt. Die Bewertung potenzieller Neukonstruktionen einzelner Bauteile stellt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Methodik dar. Anhand von Beispielszenarien werden mögliche Konstruktionsvariationen hinsichtlich ihres Nutzens bewertet. Die gezielte Verbesserung der Triebwerkszuverlässigkeit und die Reduzierung der Gesamtkosten ist nur aufgrund des entwickelten ganzheitlichen Modellierungsansatzes möglich.
Open Access
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.
Open Access
Untersuchungen zum Einsatz von Wärmetauschern in zivilen Turboflugtriebwerken
(2008) Gonser, Henrik; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Aktuelle Prognosen deuten darauf hin, dass die geflogenen Passagierkilometer in den nächsten Jahren kontinuierlich ansteigen werden. Bei unverändertem Entwicklungsstand der verwendeten Triebwerke steigen die emittierten Schadstoffe in selbem Maße. Dazu zählen u.a. der Ausstoß der toxischen Gase NOx und CO, das Treibhausgas CO2 und kanzerogene Rußpartikel. Des Weiteren ist zu beachten, dass der nicht erneuerbare Energierohstoff Erdöl eine limitierte Ressource darstellt. Aus diesen Gründen stehen heute im Hinblick auf die prognostizierte kontinuierliche Steigerung des Luftverkehrs vermehrt ökologische Aspekte im Vordergrund der Entwicklung. Zu diesen Aspekten zählen niedrigere Schadstoffemissionen und eine geringere Lärmentwicklung im Vergleich zu derzeit eingesetzten Systemen und damit eine bessere Umweltverträglichkeit von Turboflugtriebwerken. Die Entwicklung hat zum Ziel, den Ressourcenverbrauch vom Anstieg des Flugaufkommens zu entkoppeln. Ohne neue Konzepte bieten jedoch die heutigen Turbofantriebwerke kaum noch Möglichkeiten den spezifischen Treibstoffverbrauch deutlich zu verringern. Deshalb kann die Entkoppelung des Ressourcenverbrauches vom Anstieg des Flugaufkommens nur wirkungsvoll durch den Einsatz neuer Technologien realisiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden die thermodynamischen Kreisprozesse verschiedener Triebwerkskonfigurationen in der Schubklasse eines Mittelstreckenflugzeuges untersucht. Die untersuchten Triebwerke sind als Ersatz des Triebwerkes "V2500" des Mittelstreckenflugzeuges A320 der Firma Airbus gedacht. Die unterschiedlichen Konfigurationen werden auf den geringsten spezifischen Treibstoffverbrauch hin optimiert. Die untersuchten Konfigurationen umfassen den Einsatz von Wärmetauschern als Zwischenkühler und Rekuperatoren mit dem Ziel eine bessere Umweltverträglichkeit als heutige, konventionelle Luftfahrtantriebe zu erreichen. Im Weiteren wird eine Lebenskostenabschätzung der untersuchten Triebwerke durchgeführt. Verglichen werden dabei die Konfigurationen mit dem Einsatz von Wärmetauschern jeweils mit dem Referenztriebwerk konventioneller Bauart. Überprüft wird hierbei, ob die Konfigurationen mit Wärmetauschern, abgesehen von ihren ökologischen Vorteilen, auch wirtschaftlich im zivilen Luftverkehr eingesetzt werden können. Dafür wird eine ökonomische Betrachtung des Einsatzes von Wärmetauschern in Turboflugtriebwerken aus der Sicht einer Fluglinie durchgeführt. Berücksichtigt werden dabei die zusätzlich anfallenden Kosten für Entwicklung und Produktion der Wärmetauscher sowie die Kosten für Wartung und Instandhaltung der Triebwerke mit Wärmetauschern. Nicht nur die zusätzlichen Kosten, die durch die Wärmetauscher entstehen, und die erreichte Treibstoffersparnis wird in der Lebenskostenabschätzung berücksichtigt. Alle zusätzlichen Bauteile zum Einsatz der Wärmetauscher im Turboflugtriebwerk werden anhand der Kreisprozessgrößen ausgelegt. Mit der Dimensionierung steht das Gewicht der Bauteile fest. Dieses Mehrgewicht wird bei der Lebenskostenabschätzung ebenfalls berücksichtigt. Diese Arbeit zeigt auf, dass der zwischengekühlte, rekuperative Kreisprozess bei gegebener Schubanforderung im Vergleich zu den untersuchten Konfigurationen den geringsten spezifischen Treibstoffverbrauch besitzt. Diese Konfiguration besitzt jedoch eine größere Komplexität im Vergleich zu einem konventionellen Triebwerk. Die dabei anfallenden zusätzlichen Kosten sowie das Mehrgewicht der Wärmetauscher müssen von der Fluglinie getragen werden oder durch die Treibstoffeinsparung kompensiert werden. Somit ist der Einsatz von Wärmetauschern im zivilen Luftverkehr vom Kerosinpreis abhängig. Der Einsatz ist erst ab einem Grenzkerosinpreis kostenneutral oder sogar gewinnbringend möglich.
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Untersuchungen zur Prozessregelung beim Plasmaspritzen von Verdichtereinlaufbelägen
(2009) Jakimov, Andreas; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Um den Wirkungsgrad von Flugtriebwerken zu maximieren, müssen die Spalte zwi-schen rotierenden und stationären Teilen minimiert werden. In den unterschiedlichen Betriebszuständen kann es daher zu Berührungen zwischen diesen Bauteilen kom-men. Da es speziell beim Einlaufen von Verdichterlaufschaufeln in das Gehäuse zu kritischen Zuständen kommen kann, wird in vielen Triebwerken ein abreibbarer Ein-laufbelag auf die Gehäuseinnenseite aufgetragen. Zur Herstellung dieser Einlaufbeläge werden Thermische Spritzverfahren wie das Atmosphärische Plasmaspritzen angewendet, bei denen pulverförmiger Werkstoff an- oder aufgeschmolzen und auf ein Bauteil geschleudert wird. Um die Einlauffähig-keit der so erzeugten Schicht zu gewährleisten, muss eine hohe Schichtporosität er-zeugt werden. Dies wird im Falle des in dieser Arbeit betrachteten Einlaufbelags durch die Einbettung von Polyesterpartikeln in die Schicht erzielt, die nach der Be-schichtung mit Hilfe einer Wärmebehandlung ausgebrannt werden. Das dem Spritz-pulver beigemengte Polyesterpulver ist eine Einflussgröße, die mit herkömmlichen Diagnosegeräten zum Zwecke einer Prozessregelung allerdings nicht detektiert wer-den kann. Neben dem Spritzpulver besitzt das Verfahren jedoch noch eine Vielzahl von weiteren Einflussgrößen, die mangels Stellgrößen und Diagnosegeräten weder geregelt noch kontrolliert werden können. Gegenstand dieser Arbeit ist es, den Plasmaspritzprozess eines Verdichtereinlaufbe-lags hinsichtlich seiner Regelbarkeit zu untersuchen und adäquate Systeme zu ent-wickeln, die eine automatisierte Regelung ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden zunächst alle, die Schichteigenschaften signifikant beeinflussenden Größen des Pro-zesses ermittelt und anschließend experimentell analysiert. Es stellte sich heraus, dass die betrachteten Einflussgrößen in sehr unterschiedlichen Größenordnungen auf den Spritzprozess und damit die erzeugten Schichteigenschaften einwirken. Zur Kompensation der Prozessschwankungen und -drifte wird ausschließlich der Ab-stand des Plasmabrenners zum Bauteil verwendet. Durch diesen können Schichtei-genschaften, wie die Porosität, geregelt werden. In näheren Untersuchungen wurde der zu Grunde liegende Mechanismus betrachtet. Es stellte sich heraus, dass der Anteil eingebetteter Polyesterpartikel stark abstandsabhängig ist. Dieser fällt mit stei-gendem Spritzabstand, was in einer Verringerung der Porosität resultiert. Nach den Ergebnissen dieser Arbeit ist die Ursache dieses Effekts eine mit steigendem Spritz-abstand sinkende Haftwahrscheinlichkeit der auftreffenden Polyesterpartikel. Nach der Identifizierung der relevanten Einflussgrößen wurde im nächsten Schritt eine Regelung für das Verfahren auf Basis künstlicher Neuronaler Netze (kNN) ent-wickelt. Hierzu mussten die Einflussgrößen in adäquater Weise quantifiziert werden, um dem kNN die zur Regelung nötigen Informationen über den Spritzprozess zur Verfügung zu stellen. Mit den vorliegenden Möglichkeiten war keine allgemeingültige jedoch eine adaptive Regelung zu verwirklichen. Im Gegensatz zur allgemeingültigen Regelung, die per Definition einmal konfiguriert nicht mehr auf den Prozess kalibriert werden muss, wird die adaptive Regelung in kurzen Intervallen mit Hilfe von Proben- und Bauteilattrappenbeschichtungen auf den aktuellen Prozess angepasst. Die Vali-dierung der adaptiven Regelung mit Beschichtungsdaten eines kompletten Produkti-onsjahres zeigt, dass eine auf kNN basierende, automatisierte Regelung des be-trachteten Spritzprozesses realisierbar ist. Um den Ansatz eines allgemeingültigen Regelungssystems weiter zu verfolgen, ist eine Quantifizierung bisher nicht detektierbarer Einflussgrößen, wie dem geförderten Polyestermassenfluss, unerlässlich. Zu diesem Zweck wurden im Folgenden zwei Diagnosesysteme entwickelt. Sowohl mit einem System basierend auf optischer Emissionsspektroskopie (OES) als auch mit einem System, das die Technik der la-serinduzierten Fluoreszenz nutzt wurden Erfolge erzielt. Die hierbei nachgewiesene technische Machbarkeit bildet im Falle der OES die Grundlage zur zukünftigen Ent-wicklung einer selektiven Ermittlung des Polyestermassenflusses oder im Falle der Fluoreszenztechnologie sogar zur ortsaufgelösten Detektion der Polyesterpartikel im Spritzstrahl. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu zukünftigen Entwicklungen automati-sierter Regelungssysteme für den Plasmaspritzprozesses. Das entwickelte System ist allerdings nicht ohne entsprechende Forschungsarbeit auf andere Schichtsysteme übertragbar. So ist für jede Anwendungen immer eine individuelle Identifikation und Quantifizierung der relevanten Einflussgrößen nötig. Speziell in Hinblick auf Plas-maspritzprozesse zur Herstellung von Einlaufbelägen, deren Porosität mit Polyester-partikeln erzeugt wird, liefert diese Arbeit erste erfolgreiche Ansätze zur Entwicklung oder Modifizierung geeigneter Diagnosesysteme. Vor allem zur Realisierung einer allgemeingültigen Regelung gilt es diese in Zukunft weiterzuverfolgen.