Modulares Leistungsberechnungsverfahren zur automatisierten modellbasierten Leistungsanalyse von Gasturbinen

Abstract

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.

The development of modern gas turbines is accompanied by an extensive test program with prototypes. To evaluate the performance they are fitted with a substantial number of sensors measuring pressures, temperatures, shaft speeds etc.. The analysis of test data is performed with the help of procedures calculating not measured data, e. g. component efficiencies and turbine temperatures. Thereby measurement faults due to deficiencies of the measuring device and due to erroneous application have to be detected and to be excluded from the analysis. The procedures are applied for a detailed analysis of the prototype after the end of the test (off-line) as well as to ensure a safe and efficient operation during the test (on-line). Due to the increasing competitive environment of gas turbine manufacturers and the resulting demand for continiously decreasing development costs and time, the requirements concerning automation, accuracy, flexibility, on-line and off-line capability increase. Thereby the detection of component malfunctions and measurements faults already during the test is also very important. In this paper a modular performance procedure is presented, which fulfil these increasing demands.

The starting point is a flexible modular performance calculation tool which is already in use for off-line analysis of different gas turbines. The basis of the analysis procedure is a full thermodynamic model representing the expected characteristic of the gas turbine and its components. The non-linear behavior of the components are described with the help of maps or analytical equations. In addition to a pure test data analysis the model-based analysis performs a comparison between the analysed and the expected behavior. The deviations are represented by so-called modifieres which are related to parameters describing the expected behavior of the components. The procedure is characterised by a non-linear equation system, which can only be solved by a numerical iteration procedure. The convergency is strongly dependent on the quality of the estimation values and that one of the measured data.

The on-line-capability of the procedure is reached by enhancements related to an automated and numerical robust analysis. Before the analysis procedure is performed, expected values are derived by the model. These values are used to check all measured values. Maximal deviations allowed have to be quoted considerung the uncertainty of the model. Dependent on the measurements identified as plausible an analysis scheme is selected defining the parameters to be analysed and the measurements to be considered. Suitable estimation values of the iteration variables are determined by the expected values or by already analysed values of similar operating points. Furthermore new calculation rules are integrated in the procedure to reduce the number of iteration variables. This is carried out with respect to the modularity and flexibility of the procedure as well as to the quality of the results.

The analysis procedure is integrated in a modern data acquistion system of a test bed. An interface between the test bed program and the performance calculation tool is developed. Both are applied together on a conventional PC with the operating system Windows XP. The analysis procedure is called automatically continiously (e. g. 4 Hz) as well as by recording stabilized test data. An on-line-visualisation of the derived values can be performed by the test bed program.

To detect gas turbine malfunctions as well as measurement faults having a little value and consequently having not been detected by the above mentioned test data check a procedure is presented which can be integrated in an expert system and can be used on-line. In this procedure faults are assigned to components and measurements with the help of characteristical signatures. Such signatures are derived for a two spool turbofan engine with a typical development instrumentation. Different methods are thereby considered, how the analysed and the expected behavior of the components are compared. The signatures are limited for the case of a single fault. This is true if the the gas turbine condition and the quality of the measurements are monitored continiously and if different faults don't occur at the same time.

The described procedure is used to analyse data of a turbofan created by a simulation procedure. This data considers faults of components malfunctions and measurement faults. The numerical robust calculation as well as the detection of the faults is demonstrated successfully. Futhermore the analysis procedure is applied during a real test with the same engine type to monitor the engine condition and the quality of the measurements. Compared to the procedure used so far a lot of measurement faults can be detected fast and reliable.