Simulation eines Höhenprüfstands zur Untersuchung der Verdichter-Pumpverhütungs-Regelung

Abstract

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.

For accreditation as well as for the validation of the operating performance of modern turbojet engines increasing requirements to the performance of the used test facilities are made. To support the operation of the test facility regarding these increasing requirements a better understanding of the facility's operational behaviour should be achieved. For this purpose and as a basis for design and improvement of control systems a simulation of the altitude test facility will be built up that reflects the dynamic operational behaviour in a sufficient accuracy while fulfilling the requirements of the calculating speed and -stability. A structure is worked out that shows the modular configuration and the schematic and chronologic sequence of the simulation. The physical processes are summed up and taken into account in the mathematical description of the components. The equations are implemented in an automated programming environment and an applicable numerical method is applied to solve the system of differential equations. The validation of the simulation is carried out by means of a clearly delimitable sub-area of the test facility. The results demonstrate that the steady state as well as the dynamic behaviour of the analysed sub-area is modelled by the simulation with adequate accuracy. The calculations of the validation scenarios are faster than real time for all outlined operating modes. Subsequent to the validation the simulation is used as a basis for design and improvement of a control system that prevents the compressor of the sub-area from compressor surge. In a first step the control algorithms are added to the simulation and the functionality is proved by means of exemplary calculations. The small deviations between the results of the simulation and the measurements demonstrate that the physical correlations are reflected by the simulation with adequate accuracy. In a second step the influence of a control gain on the run of the compressor's pressure ratio is shown by a parameter study. The results are used to determine the optimised configuration of the control parameters. Among the regular operation the effect of the control variables on the dynamic operational behaviour during the appearance of sudden and unpredictable incidents is analysed. Herein the interaction between test facility and controls under the influence of different control gains is determined. The results of simulating a blocking bypass valve and a released burst disc demonstrate that a controller that is speed-optimised for common operating can cause worse results than a slower controller in case that the above-mentioned incidents occur. Hence for designing the controller the possible degree of these incidents and the ability of the system to follow the controller's commands, in consideration of the dynamic operational behaviour and the limits of the manipulating speeds, have to be estimated. There remains the possibility to add an Anti-Windup-Control not only to avoid the integral element from a further increase as a result of not reasonable commands by the controller but also to get an optimised value for the proportional element. By means of the simulation further control systems that are used for operating the test facility can be optimised. This gives the chance to decrease the safety margin to the operating limits of the components in order to exploit the performance of the test facility to a higher degree. By the simulation phenomena like backflow are indicated that are currently not able to be detected by measurements while the test facility is operating. The interaction between and the dependency of the control parameters and variables, the operating point and the operational behaviour of the test facility is demonstrated. The simulation gives the chance to analyse malfunctions and other unusual incidents that are not able to be initiated at the real test facility. Furthermore the simulation can be used to forecast the effects of extensions and replacements in order to support the improvement and the modernisation of the test facility. Via interfacing the simulation of the altitude test facility with the simulation of a turbojet engine the efficiency of the test configuration can be proved before entering into the test phase and also possibly necessary adjustments can be detected. The simulation offers the special advantage to enable the initiation and the analysis of critical operating points without damaging the real turbojet engine or the test facility. The application of the simulation can therefore make a significant contribution to an optimised test procedure and hereby increases the available operating time of the test facility.