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TU Berlin

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B06: Schnelle Regelung instationärer Effekte in Turbomaschinen

TP-Leiter:
Prof. R. King ()

WM:   Matthias Kiesner, M.Sc. ()
Tel.   (030) 314 24721

Zusammenfassung

In der zweiten Projektphase liegt die Kernaufgabe von TP B06 in der regelungstechnischen Unterstützung der strömungstechnischen Teilprojekte. Da sich die Iterativ Lernende Regelung (ILR) bereits in der ersten Phase in Experimenten bewährt hat, wird auch in der zweiten Phase ein Fokus auf dieser Regelungsstrategie liegen. Die bereits an Kaskaden untersuchten Aktuationsmechanismen werden von TP B01 am Ringgitter implementiert, wobei TP B06 die Regelung der verschiedenen Konfigurationen übernehmen wird. Da als Stellglieder Magnetschaltventile mit nur zwei Zuständen zum Einsatz kommen, wird TP B06 die ILR für diese neuen Anforderungen weiterentwickeln. Das Testen neuer Regelungskonzepte wird im Vorfeld an der fachgebietseigenen Statorkaskade stattfinden. Des Weiteren ist in Kooperation mit TP B05 eine Regelung der Filmkühlung geplant sowie weitere Unterstützung des TP B03 bei der Optimierung der dynamischen Prallkühlung.

1. Förderperiode 2012 - 2016

Zusammenfassung

Aufbauend auf der Theorie iterativ lernender Reglungen (ILR) für einfach-periodische Systeme steht einerseits die Entwicklung regelungstechnischer Methoden zur Beeinflussung doppelt-periodischer Prozesse im Mittelpunkt. Ein Axialverdichter stellt eine hervorragende Anwendung für doppelt-periodi­sche ILR dar, da periodisch auftretende Muster im Geschwindigkeitsfeld der Strömung einmal entlang der Zeitachse und einmal entlang der um den Umfang angeordneten Strömungspassagen zu be­obachten sind. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Anwendung und Umsetzung iterativ lernender Regelungen an Versuchsaufbauten, welche die instationäre bzw. periodisch gestörte An- und Abströ­mung von generischen aerodynamischen Körpern, insbesondere der Statorschaufeln einer linearen Kaskade, einer 3D-Statorkonfiguration sowie einer Rotor-Stator-Tandemkonfiguration, untersuchen. Die regelungstechnischen Maßnahmen sollen den stabilen Betrieb des Verdichters einer Pulsed Combustion Engine gewährleisten.

Abb. 1: Qualitative Darstellung der Änderung des Inzidenzwinkels für eine Kompressorschaufel durch stromaufwärts entstandene Nachlaufdellen (wakes) und durch das Androsseln der PDE, mit imax1 > imax2
Lupe

Es wurde eine Regelungsstrategie zur gezielten Reduktion des Geschwindigkeitsdefizits in der Nachlaufströmung einer Statorschaufel entwickelt.
Die instationären Stator-Rotor Wechselwirkungen, die durch die Nachlaufdellen des Stators verursacht werden, führen zu einer wechselnden aerodynamischen Belastung der Rotorschaufeln, die die Performance und die Stabilität des gesamten Kompressors beeinflussen. Negative Effekte treten auf, wenn die instationäre Verbrennung der PDE zusätzlich stromaufliegende Störungen verursacht. Addieren sich beide Störungen, können in der Spitze sehr hohe aerodynamische Lasten für die Schaufeln erreicht werden. Ein effizientes Kompressordesign ist dann nur noch bedingt möglich, da diese kritischen Lastfälle mit abgedeckt werden müssen. Eine geregelte zuverlässige aktive Strömungsbeeinflussung (AFC) der Nachlaufdelle der Statorschaufel ist eine Möglichkeit diesem Problem zu begegnen. Diese kann genutzt werden, um die Nachlaufdellen immer dort aufzufüllen, wo der Kompressor gerade angedrosselt wird, um die Spitzenlasten zu verringern. Dies ist in der Abbildung 1 qualitativ dargestellt.

Abb. 2: Lineare Statorkaskade mit der Möglichkeit einer Hinterkantenaktuation.
Lupe

Deshalb wurden Versuche zur Nachlaufbeeinflussung durch Hinterkantenaktuation (trailing-edge-blowing) an einer neuen linearen Statorkaskade bei niedrigen Machzahlen durchgeführt, siehe Abbildung 2. Detaillierte Informationen über das Geschwindigkeitsprofil der Nachlaufdelle wurden durch Messungen mit einer 5-Loch-Sonde in einer Ebene stromabwärts der Statorschaufeln bei aktuierter und nicht aktuierter Strömung bei einer Reynoldszahl von 600.000 gewonnen. Diese Messungen zeigen eine starke Reduktion der Nachlaufdelle mit einem Aktuationsmassenstrom von weniger als 1% des Passagenmassenstroms.


Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Position gewählt, die repräsentativ für den Effekt der Aktuation auf das Geschwindigkeitsdefizit ist. Dort wird eine Hitzdrahtsonde eingesetzt, die als Regelgröße dient. Um nichtlineare Effekte mit zu berücksichtigen wurde ein Satz von linearen Modellen aus Experimenten an verschiedenen Arbeitspunkten identifiziert. Die stationäre Nichtlinearität wurde mit einem Hammersteinmodell kompensiert, um die Modellunsicherheit zu reduzieren und eine höhere Reglerbandbreite zu erzielen. Um Abweichungen vom Referenzbetriebspunkt mit zu berücksichtigen, wurde ein robuster Regler, der in einem Bereich von Reynoldszahlen von 500.000 bis 700.000 arbeitet, synthetisiert. Der Regler hat die Aufgabe die Regelgröße auf einen gewünschten Geschwindigkeitsverlauf zu regeln, indem die Ausblasamplitude angepasst wird. Der ausgelegte robuste Regler wurde erfolgreich, mit guten Ergebnissen im Folgeverhalten bei einer hohen Bandbreite, am Versuchsstand getestet.

Iterativ Lernende Regelung

Iterativ Lernende Regelung (animiert)
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Ein Fokus des Projektes B06 ist die Anwendung optimaler ILR-Algorithmen auf Regelungsprobleme der aktiven Strömungskontrolle mit periodischem Charakter. Als Regelstrecke dient die von Projekt B01 entwickelte Statorkaskade. Das Ziel der ILR ist Verminderung oder Beseitigung der Effekte eines periodisch arbeitenden Störgenerators auf die Strömung. Hierfür stehen entsprechende Seitenwand- und Schaufelaktuatoren zur Verfügung. Der Störgenerator imitiert den Einfluss sich periodisch schließender Brennraumrohre eines Pulsed-Detonation-Engine auf die Strömung des Verdichtergitters.


Bei den Untersuchungen werden sowohl Zeitbereichsverfahren als auch Frequenzbereichsverfahren betrachtet. Robustheitsaspekte sind von großer Bedeutung für die betrachtete Anwendung und stehen somit im Mittelpunkt der Untersuchungen. Des Weiteren ist das betrachtete System beschränkt. Um den Beschränkungen zu begegnen, wird die von der aktuellen Iteration abhängende Optimierungsaufgabe als beschränktes Quadratic-Program formuliert, welches dann von einer effizienten Active-Set Optimierungsroutine gelöst wird.

Das Projekt B06 verfolgt die Entwicklung von iterativ lernenden Regelungsmethoden zur Kontrolle von doppelt-periodischen Prozessen. Ein Axialverdichter stellt eine hervorragende Anwendung für eine doppelt-periodische ILR dar, da periodisch auftretende Muster im Geschwindigkeitsfeld der Strömung einmal entlang der Zeitachse und einmal entlang der um den Umfang angeordneten Strömungspassagen zu beobachten sind. In diesem Beispiel stellt die Strömung innerhalb einer Passage des Verdichters einen einzelnen Prozess dar. Die Lernrate alle Prozesse soll nun durch das voneinander Lernen, also das Lernen von Prozess zu Prozess, erhöht werden. Gerade zu Beginn einer neuen Regelungsaufgabe mit periodischem Charakter, z.B. weil ein neues Störungsmuster in der Strömung aufgetreten ist, hat ein die einzelnen Prozesse miteinander verknüpfender Ansatz großes Potential.

Publikationen

Kiesner, M. und R. King: Closed-loop active flow control of the wake of a compressor blade by trailing-edge blowing. In: Proceedings of the ASME Turbo Expo 2015, Montréal, Canada, Paper No. GT2015-42008, 2015.

Steinberg, S. J., M. Staats, W. Nitsche und R. King: Comparison of Iterative Learning and Repetitive Control Applied to a Compressor Stator Cascade. In: King, R. (Hrsg.): Active Flow and Combustion Control 2014, Bd. 127 d. Reihe Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, S. 39–53. Springer International Publishing, 2015.

Steinberg, S. J., M. Staats, W. Nitsche und R. King: Iterative Learning Active Flow Control Applied to a Compressor Stator Cascade With Periodic Disturbances. Journal of Turbomachinery, 137(11):11003–111003–8, 2015.

Staats, M., S. J. Steinberg, R. King und W. Nitsche: Closed-Loop Active Flow Control of a non-steady Flowfield in a Highly Loaded Compressor Cascade. In: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015, September 22-24, Rostock, Germany, urn:nbn:de:101:1-201512043361, 2015.

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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