06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/7
Browse
18 results
Search Results
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 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.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 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.Item Open Access 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 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.Item Open Access 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.Item 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.Item 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.