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TU Berlin

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A05: Modellbildung, Überwachung und Regelung der pulsierenden Verbrennung

TP-Leiter:
Prof. R. King ()

WM:   Jan-Simon Schäpel, M.Sc. ()
Tel.   (030) 314 79574

Zusammenfassung

Das Teilprojekt A05 wird die regelungstechnischen Aspekte der Teilprojekte A "Pulsierende Verbrennung" und C "Schnittstellen" bearbeiten. Schwerpunkt ist die Sicherstellung eines kontinuierlichen Zündvorgangs der SEC und PDC bei Mitteldruck. Die verkürzten Zeitskalen erfordern bei der SEC die Verwendung von schaltenden Ventilen, für welche effiziente "0-1" Regelalgorithmen entwickelt werden müssen. Zudem sollen Zustandsschätzverfahren an den Versuchsständen umgesetzt und Methoden für das Anfahr- und Teillastverhalten an numerischen Simulatoren entwickelt werden. Bei der PDC bietet die Multirohrkonfiguration die Möglichkeit, die Drücke im angeschlossenen Plenum durch eine geregelte Zündsynchronisierung zu beeinflussen. Ziel ist die Wiederbefüllung der Rohre zu garantieren, sowie die Minderung der Belastung der Turbine durch Dämpfung starker Druckschwankungen am Austritt des Plenums.

1. Förderperiode 2012 - 2016

Zusammenfassung

Abb. 1: Wasserkanal- Mischungsversuchsstand (Projektpartner A03)
Lupe

Das Teilprojekt A05 betrachtet die regelungstechnischen Fragestellungen bei der Realisierung einer schocklosen sowie  einer detonativen Verbrennung. Zudem steht auch die Wechselwirkung zwischen Brennrohr und angeschlossenem Plenum im Fokus des Projekts.

Durch die Regelung der Treibstoffeinspritzung kann gezielt Einfluss auf den Verbrennungsvorgang genommen werden, sodass eine zuverlässige Zündung erreicht wird. Die Wahl der Zündzeitpunkte kann zudem eingestellt werden, um den Druck im nachgeschalteten Plenum zu beeinflussen. Geeignete Druckmoden im Plenum können wiederum zur Unterstützung bei der Befüllung der Rohre mit Frischgas genutzt werden.

 

 

Gemischschichtung

Abb. 2: Wasserkanal- Mischungsversuchsstand (Projektpartner A03)
Lupe

Da die schocklose Verbrennung über Selbstzündung gestartet wird, ist eine exakte Einstellung der Treibstoffkonzentration im Verbrennungsrohr sehr entscheidend. Da der Zustand im Rohr durch Druck- und Temperaturschwankungen zwischen den Zündungen stark variieren kann, muss die optimale Befüllung durch eine Regelung realisiert werden, die als Ziel hat, den Zündzeitpunkt an jeder Stelle des Rohres zu synchronisieren. Die Gemischbildung wird zunächst im Medium Wasser mit Hilfe von laserinduzierter Fluoreszenz untersucht (siehe Abb. 1 und 2).

In aktuellen Forschungsarbeiten konnten dabei durch den Einsatz von iterativ lernenden Regelungsverfahren sowie von Extremwertreglern gewünschte Gemischschichtungen eingestellt werden. In einem weiteren Schritt werden diese Ergebnisse sowie Erkenntnisse aus der Regelung an einer 1-D Verbrennungssimulation auf den Verbrennungsprüfstand übertragen (Kooperationspartner A03). 

Abb. 3: Heißer Versuchsstand der Projektpartner A01 und A03
Lupe

Bei der detonativen Verbrennung werden regelungstechnische Konzepte verwendet, um einen möglichst schnellen Übergang von Deflagration zu Detonation herzustellen, sodass ein möglichst großer Teil des Gemisches thermisch effizient bei konstantem Volumen verbrennt. Neben der Einstellung des Gemisches kann hierbei durch die Ansteuerung fluidischer Blenden Einfluss auf die Verbrennung genommen werden. Diese Blenden erhöhen den Turbulenzgrad und somit die Größe der Flammenfront, wodurch die Flammenfortschrittsgeschwindigkeit erhöht wird (Kooperationspartner A01)

Zur Unterstützung der Treibstoffdosierung ist eine Kenntnis des Zustands im Rohr hilfreich. Da im Verbrennungsrohr jedoch nur Informationen von einzelnen Drucksensoren zur Verfügung stehen muss die restliche Druckverteilung sowie das Temperatur- und Druckfeld im Rohr geschätzt werden. Diese Möglichkeit bieten modellbasierte Zustandsschätzverfahren wie der Unscented Kalman Filter, der erfolgreich an einem Simulator von Kooperationspartner A03 getestet werden konnte.

 

Befüllung

Abb. 4: Kalter Versuchsstand
Lupe

Die Verbrennung innerhalb eines Verbrennungsrohres läuft zyklisch nach folgendem Muster ab:

Befüllung mit Frischluft und Treibstoff --> Zündung --> Verbrennung --> Spülen mit Frischluft.

Um eine Spülung und Befüllung der Verbrennungsrohre mit Frischluft aus dem Verdichter zu ermöglichen, darf der statische Druck des zu befüllenden Verbrennungsrohrs nicht oberhalb des statischen Drucks des Verdichters liegen. Um diese Bedingung in Einklang mit dem Konzept einer druckerhöhenden Brennkammer zu bringen, werden akustische Effekte, angeregt durch die vorangegangene Verbrennung, innerhalb des Rohres ausgenutzt. Fällt jedoch eine Verbrennung z.B. auf Grund eines falsch eingestellten Gemisches aus, werden diese akustischen Effekte nicht angeregt und eine Wiederbefüllung des ausgefallenen Rohrs ist nicht möglich. Um nun trotzdem ein ausgefallenes Rohr neu zu starten, soll der spezielle Aufbau der Brennkammer ausgenutzt werden. Diese besteht aus mehreren Verbrennungsrohren, die über ein Plenum aneinander gekoppelt sind. Durch das Plenum können somit die weiteren nicht ausgefallenen Rohre die Akustik in dem ausgefallenen Rohr beeinflussen. Durch die Wahl einer geeigneten Zündsequenz kann so ein Unterdruck in dem ausgefallenen Rohr generiert werden, wodurch eine Wiederbefüllung eines ausgefallenen Rohres ermöglicht wird. Die Berechnung geeigneter Zündsequenzen soll durch eine modellbasierte Reglung erfolgen. Eine weitere Herausforderung ergibt sich durch hohe Temperaturen im Verbrennungsrohr, welche eine Applikation von Sensoren im Rohr verbietet. Somit kann sich eine Regelung ausschließlich auf Sensoren im nachgeschalteten Plenum abstützen.

Um ein ausgefallenes Rohr neu zu starten ist es zunächst notwendig das ausgefallene Rohr zu detektieren. Auch für diese Aufgabe stehen wiederum nur die Sensoren im Plenum zur Verfügung.   

Abb. 5: Detonationserkennung
Lupe

Die aktuellen Forschungsarbeiten zu diesem Thema finden an einem generischen kalten Versuchstand statt (siehe Abb. 4), wobei die Verbrennungsrohre durch Lautsprecher ersetzt wurden, welche die akustischen Anregungen der Verbrennungsrohre imitieren.  

Ziel der ersten Arbeiten war es, ausgefallene Zündungen zu detektieren. Dabei kommt ein Fehlererkennungsalgorithmus zum Einsatz, der sich auf ein Modellgestützes Zustandsschätzverfahren (Kalman Filter) stützt. Abbildung 5 zeigt einen Zeitabschnitt aus einem Fehlererkennungsexperiment. Dabei wurden die Rohre in einer vorgegebenen Sequenz nacheinander "gezündet". Weiterhin wurde festgelegt, dass bestimmte Rohre ausgefallen sind (in Abb. 5 mit x markiert) und somit keine akustische Anregung generieren. Die Variable auf der y-Achse stellt eine aus dem Fehlererkennungsalgorithmus berechnete charakteristische Größe dar, die zur Fehlerdetektion herangezogen wird.  Liegt diese Größe unterhalb eines festgelegten Schwellwerts, wird ein fehlerhaftes Rohr erkannt. Wenn der Wert dieser Größe oberhalb des Schwellwerts liegt, ist die Detonation erfolgreich abgelaufen. Der Wert der Variablen wird immer dann berechnet wenn ein neues Rohr gezündet wird (mit o markiert) und gibt somit Aufschluss darüber, ob das zuvor gezündete Rohr ausgefallen ist oder nicht. Der Algorithmus ist somit in der Lage alle ausgefallenen Rohre korrekt zu detektieren.

Publikationen

Schäpel, J., R. King, B.C. Bobusch, J. Moeck und C. Paschereit: Adaptive control of mixture profiles for a combustion tube. In: Proceedings of ASME Turbo Expo, Nr. GT2015-42027, 2015.

Wolff, S. und R. King: Model-Based Detection of Misfirings in an Annular Burner Mockup. In: King, R. (Hrsg.): Active Flow and Combustion Control III. NNFM, Bd. 127, S. 229–244. Springer, Heidelberg (2015), 2014.

Wolff, S. und R. King: An annular pulsed detonation combustor mockup: system identification and misfiring detection. J. Eng. Gas Turbines Power, 138(4):041603–8, 2015.

Wolff, S., J. Schäpel, P. Berndt und R. King: State estimation for the homogeneous 1-D Euler equation by Unscented Kalman Filtering.
In: Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Conference, 2015.

Zusatzinformationen / Extras

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Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Rudibert King

Wiss. Koordinator

M.Sc. Christina Riehn
+49 30 314 21422
Raum ER 102

Sekretariat
Steffi Stehr
Sekr. ER 2-1
Raum 107
Hardenbergstr. 36a
10623 Berlin
Tel: 314 23110