06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Analysis of the non-periodic oscillations of a self-excited friction-damped system with closely spaced modes(2021) Woiwode, Lukas; Vakakis, Alexander F.; Krack, MalteIt is widely known that dry friction damping can bound the self-excited vibrations induced by negative damping. The vibrations typically take the form of (periodic) limit cycle oscillations. However, when the intensity of the self-excitation reaches a condition of maximum friction damping, the limit cycle loses stability via a fold bifurcation. The behavior may become even more complicated in the presence of any internal resonance conditions. In this work, we consider a two-degree-of-freedom system with an elastic dry friction element (Jenkins element) having closely spaced natural frequencies. The symmetric in-phase motion is subjected to self-excitation by negative (viscous) damping, while the symmetric out-of-phase motion is positively damped. In a previous work, we showed that the limit cycle loses stability via a secondary Hopf bifurcation, giving rise to quasi-periodic oscillations. A further increase in the self-excitation intensity may lead to chaos and finally divergence, long before reaching the fold bifurcation point of the limit cycle. In this work, we use the method of complexification-averaging to obtain the slow flow in the neighborhood of the limit cycle. This way, we show that chaos is reached via a cascade of period-doubling bifurcations on invariant tori. Using perturbation calculus, we establish analytical conditions for the emergence of the secondary Hopf bifurcation and approximate analytically its location. In particular, we show that non-periodic oscillations are the typical case for prominent nonlinearity, mild coupling (controlling the proximity of the modes), and sufficiently light damping. The range of validity of the analytical results presented herein is thoroughly assessed numerically. To the authors’ knowledge, this is the first work that shows how the challenging Jenkins element can be treated formally within a consistent perturbation approach in order to derive closed-form analytical results for limit cycles and their bifurcations.Item Open Access Application of neural networks and transfer learning to turbomachinery heat transfer(2022) Baumann, Markus; Koch, Christian; Staudacher, StephanModel-based predictive maintenance using high-frequency in-flight data requires digital twins that can model the dynamics of their physical twin with high precision. The models of the twins need to be fast and dynamically updatable. Machine learning offers the possibility to address these challenges in modeling the transient performance of aero engines. During transient operation, heat transferred between the engine’s structure and the annulus flow plays an important role. Diabatic performance modeling is demonstrated using non-dimensional transient heat transfer maps and transfer learning to extend turbomachinery transient modeling. The general form of such a map for a simple system similar to a pipe is reproduced by a Multilayer Perceptron neural network. It is trained using data from a finite element simulation. In a next step, the network is transferred using measurements to model the thermal transients of an aero engine. Only a limited number of parameters measured during selected transient maneuvers is needed to generate suitable non-dimensional transient heat transfer maps. With these additional steps, the extended performance model matches the engine thermal transients well.Item Open Access Coupled simulation of turbomachinery flutter and forced response blade vibrations using nonlinear frequency domain methods(2024) Berthold, Christian; Krack, Malte (Prof. Dr.)The central topic of this work is the simulation of nonlinear blade vibrations in turbomachinery. Two main causes of blade vibrations are flutter, denoting self-excited vibrations of the blades, and forced response due to e.g. aerodynamic rotor-stator interactions. During operation, the vibration levels of the blades must not exceed critical values in order to prevent high cycle fatigue or immediate failure of the engine. This motivates the development of numerical methods for the prediction of blade vibrations in order to evaluate the robustness of mechanical designs against flutter and forced response. In this work, the focus is laid on bladed turbine disks with interlocked shrouds, which represent a challenging task for numerical simulation. While interlocked shrouds introduce friction (and thus damping) into the structural system, possibly reducing the level of vibrations, they can alter the vibration shape and vibration frequency with increasing amplitude. This in turn makes the aerodynamic damping of the blade motion a nonlinear function of the vibration amplitude. Thus, the mechanical system is bidirectionally coupled, since the two physical domains (fluid and solid) interact with each other. Current numerical analysis tools like the energy method or the use of influence coefficients have deficits in resolving these nonlinear fluid-structure interactions. This motivates the development of improved numerical methods for the simulation of nonlinear blade vibrations. In this work, a refined energy method and a bidirectionally coupled fluid-structure solver are suggested for this purpose. For both approaches, the Harmonic Balance method is employed, which approximates a periodic motion of the blades very efficiently in the frequency domain. The novel methods are applied to numerical test cases of low pressure turbines to demonstrate the methods' capabilities and to investigate the potential influence of nonlinear contact forces on the blade vibrations. Here, the refined energy method allows to gain valuable insight on the impact of shroud contact interfaces on the aerodynamic damping. It is found, that the nonlinear structural contact forces can give rise to stable limit cycle oscillations as well as stability limits, which mark the amplitude level where blade vibrations become unstable if it is exceeded. Furthermore, the coupled solver reveals the complex interaction between a vibrating blade with shroud contact interfaces and a shock motion. For the analysis of forced response, the coupled solver is embedded into a path continuation procedure with a sequential and a parallel variant. The coupled method not only demonstrates the influence of nonlinear friction on the forced response but also reveals, that the superposition assumption regarding the aerodynamic wake excitation and the blade vibration induced aerodynamic forces can lead to inaccurate results.Item Unknown 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.Item Unknown 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.Item Unknown 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.Item Unknown Experimental and numerical investigation into the effect of surface roughness on particle rebound(2022) Altmeppen, Johannes; Sommerfeld, Heike; Koch, Christian; Staudacher, StephanErosion damage and particle deposition are crucial wear phenomena in gas turbine engines. As a result, compressor efficiency decreases, stability margin reduces, and maintenance cost increases. Hence, predicting these phenomena in an accurate manner is of paramount importance for a cost-efficient, safe, and sustainable operation. Erosion and particle deposition in the annulus are affected by particle transportation in the fluid and particle-wall interaction. The latter involves the particle impact, the potential damage of the surface and/or the particle, and the particle rebound. Particle rebounds are statistical in nature due to the target surface roughness, the variability in particle sizes, and superimposed effects caused by particle shapes as well as particle rotation and particle break-up during contact. Multiple studies investigated the statistics of particle rebound, providing empirical-based models for median and spread. However, modeling the particle-wall interaction and its data spread on a transparent physical basis allows separating the effect of target roughness from superimposed effects. The presented article pursues this objective by assessing the statistical spread of particle rebound data through multiple techniques and utilizing their interdependencies. It combines experimental, numerical, and analytical considerations. For the first time, coherent boundary conditions for the experimental, numerical and analytical setup allow the distinction of the effect of roughness from the integral effect of the superimposed phenomena. A sandblast test rig equipped with laser measurement equipment was used to measure particle rebound from flat titanium and stainless steel plates at different angles. The numerical setup is developed under OpenFOAM 6 using a RANS solver for transient simulations with compressible media in combination with one-way coupled particle flows. The numerical model includes the rebound spread model proposed by Altmeppen et al. combined with the quasi-analytical rebound model proposed by Bons et al. The statistical spread of particle rebound is investigated for roughness levels that are similar to the ones of deteriorated high-pressure compressor blades as discussed by Gilge et al. The measured surface roughness of the experimentally investigated targets is used as input parameters to the numerical framework. The rebound statistics obtained in the numerical simulation are compared to the rebound data measured in the experiment. Based on this study, conclusions are drawn about which part of the rebound spread is attributable to surface roughness and which is caused by superimposed effects. It was found that the effect of surface roughness as characterized by Altmeppen et al. contributes in the order of 46 % to the rebound spread for small impact angles. However, the share in spread due to roughness gradually decreases with increasing global impact angles to a level of 13 % for angles close to 90°. The remaining percentage of rebound spread is attributed to superimposing phenomena. In addition to the rolling and sliding of aspherical particles, further phenomena such as plastic deformation and erosion of the roughness peaks during contact and the associated dissipation of energy gain in importance for steeper impact angles. Therefore, the effect of surface roughness should not be neglected in numerical simulations of particle-laden flows. Modeling the superimposed phenomena which are observed to be dominating at high impact angles opens up a further field of research.Item Unknown 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.Item Unknown Explanation of the self-adaptive dynamics of a harmonically forced beam with a sliding mass(2020) Müller, Florian; Krack, MalteThe self-adaptive behavior of a clamped-clamped beam with an attached slider has been experimentally demonstrated by several research groups. In a wide range of excitation frequencies, the system shows its signature move: The slider first slowly moves away from the beam’s center, at a certain point the vibrations jump to a high level, then the slider slowly moves back toward the center and stops at some point, while the system further increases its high vibration level. In our previous work, we explained the unexpected movement of the slider away from the beam’s vibration antinode at the center by the unilateral and frictional contact interactions permitted via a small clearance between slider and beam. However, this model did not predict the signature move correctly. In simulations, the vibration level did not increase significantly and the slider did not turn around. In the present work, we explain, for the first time, the complete signature move. We show that the timescales of vibration and slider movement along the beam are well separated, such that the adaptive system closely follows the periodic vibration response obtained for axially fixed slider. We demonstrate that the beam’s geometric stiffening nonlinearity, which we neglected in our previous work, is of utmost importance for the vibration levels encountered in the experiments. This stiffening nonlinearity leads to coexisting periodic vibration responses and to a turning point bifurcation with respect to the slider position. We associate the experimentally observed jump phenomenon to this turning point and explain why the slider moves back toward the center and stops at some point.Item Unknown 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.Item Unknown A model to assess the importance of runway and taxiway particles to aircraft engine compressor deterioration(2024) Scarso, Stefano; Staudacher, Stephan; Mathes, Jürgen; Schwarz, NormanDuring service, civil turbofans experience environmentally induced deterioration. Predicting this in a digital service twin model is computationally challenging due to the need to model both deterioration mechanisms and environmental conditions. For compressor erosion, a key challenge is to model particle ingestion throughout a flight mission (FM). During ground operations, these particles may be airborne or deposited on runways and taxiways. This work assesses the impact of the latter on turbofan core compressor deterioration during a mission. The airflow field in front of the engine intake is approximated using potential flow theory. Comparisons with measurements show that the predicted air velocity near the engine is underestimated since the inlet ground vortices generated from viscous effects are neglected. The forces acting on the particles are derived from the flow field. It turns out that most particles are lifted from the ground during take-off (TO). Yet only smaller particles below ≈50 µm are ingested into the engine intake. A deterioration model based on flat plate erosion experiments is used to compute mission severity, assuming all particles are similar to medium Arizona Road Dust. The results indicate that the engine’s distance from the ground, power setting, and the number of particles on the ground are key parameters influencing the impact of runway and taxiway particles. Considering the underestimation of the airflow field and thus the number of particles ingested, it is concluded that runway and taxiway particles play a major role in turbofan compressor deterioration.Item Unknown 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.Item Open Access 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.Item Open Access Numerical prediction of frictional vibro-impacts : combining massless boundaries and component mode synthesis(2025) Monjaraz Tec, Carlo Daniel; Krack, Malte (Prof. Dr.-Ing.)Vibro-impact processes are a subset of nonlinear vibrations. They involve the essential interaction of instant contacts and vibrations. Their correct prediction and experimental characterization, using dedicated simulation and testing methods, enlarge the design space and robustness of technologies such as Impact Energy Scatterers. Numerical predictions of vibro-impact have contradicting requirements. A fine spatial and time discretization is needed; however, this yields large model problem sizes which impede long-term simulation. Frequency domain solutions are not applicable for non-periodic states, which are likely to be present in these vibrations. Furthermore, the existing time-domain methods rely on empirical parameters for contact modeling which reduces the predictive nature of the simulation. This thesis aims to develop and validate a time-domain simulation method for frictional vibro-impact, which is useful for industrial applications. The novel core concept of the method is to unite the concept of massless boundary (originating from computational mechanics) and the idea of component mode synthesis (standard in structural dynamics) by exploiting the key advantages of each. The massless boundaries allow a quasi-static solution of the contact forces, leading to stable contact enforcement, and are numerically more robust than conventional approaches. Until now, massless boundaries have been implemented in finite element models, but such models are still too large, and thus unsuitable to simulate long steady-states. Therefore, model-order reduction with component mode synthesis is quintessential. The developed method is based on four key components: an underlying finite element model, a time integration scheme compatible with massless boundaries, a solution for dynamic normal and frictional contact enforcement, and a component mode synthesis method compatible with massless boundaries. The semi-explicit time integration scheme is developed to work with singular mass matrices, resulting in a scheme that solves contacts quasi-statically and prioritizes energy conservation. Normal and frictional contacts are modeled as set-valued laws and imposed locally within the spatially resolved contact domain. The finite element model is reduced using the MacNeal method and a mass-boundary compatible variant of the Craig-Bampton method derived in this work. This framework limits the method to linear elasticity and kinematics, while addressing nonsmooth (and therefore nonlinear) contact behavior. Numerical benchmarks are used to evaluate the method. The kinematics, energy conservation, and computational cost of the conventional mass-carrying models and the proposed method are compared. A variant of the Moreau time integration scheme and the harmonic balance method in conjunction with a dynamic Lagrangian formulation are considered. The results show that the massless boundary models have better energy conservation and convergence properties while reducing the computational time by at least one order of magnitude. As a first validation step, experimental measurements are used to evaluate the predicted post-impact velocity response and its modal energy distribution. A metal sphere impacts a steel beam, where the velocity response of the beam is measured for a single collision. The measurements are compared with predictions obtained using two different approaches: state-of-the-art finite element analysis and the proposed method. The proposed method reduces the numerical effort by 3-4 orders of magnitude compared to the finite element model without compromising the excellent agreement with the measurements. Finally, for a second validation step, two cantilever beams subjected to frictional impacts at the free end are measured experimentally. The beams have similar geometries and close but unequal natural frequencies. The underlying linear model is updated based on the natural frequencies and damping ratios identified in the non-impact regime. The nonlinear simulation of the steady-state response to forward and backward stepped-sine excitation is compared with measurements. The results are in excellent agreement with respect to amplitude response, frequency content, and contact activity, especially considering the uncertainty associated with the observed material loss in the contact region and the nonlinear behavior of the clamping.Item Open Access Parametric study for model calibration of a friction-damped turbine blade with multiple test data(2024) Ferhatoglu, Erhan; Botto, Daniele; Zucca, StefanoModel updating using multiple test data is usually a challenging task for frictional structures. The difficulty arises from the limitations of nonlinear models which often overlook the uncertainties inherent in contact interfaces and in actual test conditions. In this paper, we present a parametric study for the model calibration process of a friction-damped turbine blade, addressing the experimentally measured response variability in computational simulations. On the experimental side, a recently developed test setup imitating a turbomachinery application with mid-span dampers is used. This setup allows measuring multiple responses and contact forces under nominally identical macroscale conditions. On the computational side, the same system is modeled in a commercial finite element software, and nonlinear vibration analyses are performed with a specifically developed in-house code. In numerical simulations, the multivalued nature of Coulomb’s law, which stems from the inherent variability range of static friction forces in permanently sticking contacts, is considered to be the main uncertainty. As the system undergoes vibration, this uncertainty propagates into the dynamic behavior, particularly under conditions of partial slip in contacts, thus resulting in response variability. A deterministic approach based on an optimization algorithm is pursued to predict the limits of the variability range. The model is iteratively calibrated to investigate the sensitivity of response limits to contact parameters and assembly misalignment. Through several iterations, we demonstrate how uncertain initial contact conditions can be numerically incorporated into dynamic analyses of friction-damped turbine blades. The results show a satisfactory level of accuracy between experiments and computational simulations. This work offers valuable insights for understanding what influences test rig response and provides practical solutions for numerical simulations to improve agreement with experimental results.Item Open Access Prediction of compressor blade erosion experiments in a cascade based on flat plate specimen(2022) Lorenz, Max; Klein, Markus; Hartmann, Jan; Koch, Christian; Staudacher, StephanErosion is an essential deterioration mechanism in compressors of jet engines. Erosion damage predictions require the determination of erosion rates through flat plate experiments. The applicability of the erosion rates is limited to conditions that are comparable to the prevailing boundary conditions of the flat plate experiment. A performed dimensional analysis enables the correct transfer of the flat plate erosion rates to the presented physical calculation model through limits in spatial and time resolution. This efficient approach avoids computationally intensive single-impact computations. The approach features a re-meshing procedure that adheres to the limits derived by the dimensional analysis. The computation approach is capable of describing local geometry changes on cascade compressor blades which are exposed to erosive particles. A linear erosion cascade experiment performed on NASA Rotor 37 provides validation data for the calculated erosion-induced shape change. Arizona Road Dust particles are used to deteriorate Ti-Al6-4V compressor blades. The experiment is performed at an incidence of i = 7°and Ma = 0.76 representing ground idle conditions. The presented parametric study for element size and time step revealed preferable values for the presented computation. Calculations performed with the determined values showed that the erosion prediction is within the measurement tolerance of the experiment and, therefore, high accordance between the computation and the experiment is achieved. To extend the current state of the art, it is demonstrated that the derived discretization is decisive for the correct reproduction of the eroded geometries and fitting parameters are no longer needed. The good agreement between the experimental measurements and the calculated results confirms the correct application of the physical model to the phenomenology of erosion. Thus, the presented physical model offers a novel approach to adapting deterioration mechanisms caused by erosion to any compressor blade geometry.Item Open Access Preliminary design and analysis of supersonic business jet engines(2022) Schlette, Timo; Staudacher, StephanCurrently projected supersonic business jets target selected supersonic flight missions with Mach numbers of about 1.4 and a larger number of long-range subsonic flight missions. They form a new type of aircraft that is specially tailored to these requirements. The question arises as to which engine configurations and technology levels are required to support these new applications. This is addressed firstly by exploring the design space of potential working cycles. An aircraft model is used to translate the results of the cycle study into an expected aircraft range. An optimal core engine and fan configuration result from the cycle study and the derived mission ranges. The preliminary design of the low-pressure components is investigated in the second step based on the optimal core configuration. The highest non-dimensional parameters are encountered in subsonic flight conditions. The highest dimensional parameters are encountered in supersonic high-altitude flight conditions. High-overall-efficiency configurations do not result in optimal aircraft ranges. There is an optimal number of two fan stages and a specific thrust of about 300 m/s, resulting in a maximum aircraft range that is 11% superior to that achievable with a single-stage fan. A fan hub-to-tip ratio range that is comparable to that of military fans is desirable, with an aerodynamic lower limit around 0.37. The low-pressure turbine stage count is a compromise between turbine mass and size.Item Open Access Pressure-gain combustion for gas turbines based on shock-flame interaction(2014) Lutoschkin, Eugen; Rose, Martin G. (PD Dr. MA. MSc. PhD. CEng.)One method to significantly improve the performance of gas turbine engines is to use the thermodynamically more efficient unsteady, pressure-rise combustion. In this work it is proposed to exploit the interaction of shock waves with a pre-mixed flame to achieve a time-averaged, combustion-induced pressure rise. The physical phenomena occurring in the course of shock-flame interaction are very complex and yet not understood in detail. In order to shed additional light onto the underlying mechanism and to gain understanding of the changes in gas state achievable due to a single interaction event, passage of shock waves through a pre-mixed flame was studied both experimentally and analytically. Pre-mixed combustion of a nearly-stoichiometric methane-oxygen-argon mixture was used in the experiments performed on a shock tube test rig. It was shown that both the heat release rate of the flame and the pressure are temporally amplified due to passage of a shock wave through the flame. Both the increase in pressure and the heat release of the flame were demonstrated to grow parabolically with the Mach number of the incident shock. Considerably higher increases in pressure and heat release were observed when the shock approached the flame from the burned gas side (called fast-slow mode of interaction) for the same incident shock strength. Further, the existence of regions with positive coupling between unsteady pressure and heat release oscillations was demonstrated after each transition of a shock wave through the flame front. Subsequently, an analytical quasi-one-dimensional model of the interaction between a shock wave and a sinusoidal flame was developed. Given known initial flow field and flame geometries as well as the incident shock Mach number, the model allows the calculation of a fully defined one-dimensional flow field that is formed at the end of a single shock-flame interaction event. The analytical model was successfully verified using experimental data. It was found that a single shock-flame interaction event generates a dramatic increase in pressure compared to isobaric combustion with the same unburned gas conditions. In contrast, the according increase in temperature remains at a relatively moderate level. Further, the combustion entropy is significantly reduced through a single shock-flame interaction event compared to the reference isobaric combustion process. The resulting changes in pressure, temperature and entropy rise with increasing incident shock strength and growing curvature of the flame front. They are significantly stronger in the fast-slow mode of interaction. This is a consequence of higher rates of gas compression and flame surface growth in this interaction type. Finally, a theoretical configuration of a shock-combustor enhanced high-pressure engine core was proposed and applied to two types of baseline engines: a twin-spool industrial gas turbine and a twin-spool high-bypass turbofan engine. The performance of the topped engines was evaluated using two variables: the combustor pressure ratio Π and the fraction of the core mass flow used to generate shock waves ξ. Generally, the performance of the topped engines rises for growing Π and deteriorates with increasing ξ. Already for relatively moderate combustor pressure ratios (Π ≤ 1.4) and relatively high ξ (ξ ≤ 0.1) the specific fuel consumption and the thermal efficiency of the topped engines are forecast to improve by up to 13 % and 5 percentage points compared to the baseline engines, respectively.Item Open Access 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.Item Open Access 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.