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TU Berlin

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A05: Modellbildung, Überwachung und Regelung der pulsierenden Verbrennung

TP-Leiter:
Prof. R. King ()

WM:   Florian Arnold, M.Sc. ()
Tel.   (030) 314 23074

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.

2. Förderperiode 2016-2020

Zusammenfassung

Schwerpunkt dieses Teilprojekts ist die Prozessführung und Überwachung der druckerhöhenden Verbrennung. Hierdurch soll ein zuverlässiger Betrieb der Verbrennungsrohre in Kombination mit dem Turbinenplenum erreicht werden. Während in der ersten Phase für die PDC und SEC jeweils nur ein einzelnes Rohr bei Umgebungsdruck beziehungsweise ein nicht reaktiver Plenums-versuchsstand betrachtet wurde, werden in der zweiten Förderperiode Regelungen der Multi-Rohr-Konfiguration, der nahezu Konstant-Volumen-Verbrennung bei höherem Druck und des reaktiven Plenumsversuchsstands aufgebaut.

Neue regelungstechnische Anforderungen ergeben sich aus dem schnelleren Verbrennungs- und Befüllungsvorgang, welcher mit schnelleren Aktuatoren einhergeht. Die dabei notwendige Bandbreite kann durch den Einsatz von Magnetschaltventilen erzielt werden, wodurch die Regelung in Richtung binärer, optimierungsbasierter Ansätze erweitert wird.

Die Einstellung geeigneter Gemischprofile während des Befüllungsvorgangs einer SEC durch eine Saugwelle kann deutlich erleichtert werden, wenn strömungsmechanische Zustände wie Druck, Dichte und Temperatur im Rohr bekannt sind. Für diese Aufgaben wurden Zustandsschätzmethoden aufgebaut und werden nun in Simulation und Experiment getestet. Zusätzlich wird mit Hilfe modellbasierter und datengetriebener Fehlererkennungsmethoden die Detektion von Fehlzündungen auf die Verbrennungsprüfstände erweitert. Schließlich werden Betriebskonzepte für ein Multi-Rohr-System entwickelt, um einen zuverlässigen, kontinuierlichen Betrieb der Brennrohre bei geringen Druckschwankungen im Turbinenplenum und garantierter Befüllung der Rohre mit Frischgas einzustellen.

Regelung der SEC

Die in der ersten Förderperiode erzielten Regelergebnisse zur Erzeugung einer möglichst homogenen Selbstzündung sollen in der zweiten Förderperiode mit schaltenden Ventilen nachempfunden werden. Hierzu sind die entwickelten Methoden zur Regelung des Einspritzvorgangs am atmosphärischen Prüfstand zu testen und gegebenenfalls anzupassen. Die gewünschte Menge eingespritzten Brennstoffs wird weiterhin durch einen überlagerten ILR oder EWR vorgegeben.

Durch die Befüllung des Rohres variieren die Strömungsbedingungen im Rohr zwischen den Zyklen. Diese variable Strömungsgeschwindigkeit sorgt in den Modellen, die die lokale Brennstoffverteilung beschreiben, für schwankende Totzeiten. Da die Kenntnis dieser Totzeiten wichtig für die Stabilität einer ILR ist, muss das Modell der ILR auch die Effekte der erzeugten Saugwellen abbilden. Sollte die Güte einer so aufgebauten modellgestützten Schätzung nicht ausreichend sein, soll über den Einsatz weiterer Drucksensoren die einströmende Luftmenge ermittelt werden. Die Schätzmethoden werden vor einer Übertragung auf den Mitteldruckprüfstand am atmosphärischen Prüfstand getestet.

Der ILR muss somit nicht nur auf die neue Aktuatorik (Magnetschaltventile) angepasst werden, sondern auch auf das neu gefundene Modell. Hierbei sollen die entwickelten binären Methoden zum Einsatz kommen. Die entwickelten Regelungskonzepte werden an dem von TP A03 entwickelten Simulator getestet. Die Simulation wird ebenfalls genutzt, um Strategien für das Anfahrverhalten sowie den Teillastbetrieb zu entwickelt. Der Übergang zwischen den Betriebsarten wird hierbei durch geeignete Prozessführungsstrategien vorgegeben und von einem unterlagerten Regelkreis kontrolliert.

Für den Teillastbetrieb muss die Energieabgabe aus dem Rohr gesenkt werden bei weiterhin homogener Selbstzündung. Dafür kann entweder der Verbrennungsbereich angepasst oder die Gesamtkraftstoffmenge verringert werden. Der Verbrennungsbereich wird angepasst, indem der Luftpuffer vergrößert und somit der Zündungsbereich verkleinert wird. Sowohl die Größe des Luftpuffers als auch die Trajektorie des eingespritzten Kraftstoffs werden mit je einem Regler beeinflusst.

Die gefundenen Methoden von einem atmosphärischen Prüfstand werden in der zweiten Phase an einen Mitteldruck-Prüfstand angepasst. Durch den Übergang auf ein höheres Druckniveau verkürzen sich die Zündverzugszeiten. Die in Phase 1 gefundenen Regelungsansätze werden auf Echtzeitfähigkeit geprüft. Bei der ILR wird man aus verschiedenen Gründen auf lineare Modelle angewiesen sein, für den EWR ist zu prüfen, wie viele Optimierungsparameter für eine echtzeitfähige Anwendung zulässig sind.

Beeinflussung des Drucks im Turbinenplenum

Während in der ersten Phase ein nichtreaktiver Plenumsversuchsstand aufgebaut wurde, soll in der zweiten Phase ein an Verbrennungsrohre angeschlossenes Plenum untersucht werden. Für die Turbine wäre es hierbei günstig, wenn im Plenum nur geringe Druckschwankungen aufträten. Um neben der Erzeugung einer Saugwelle innerhalb eines Rohres eine Wiederbefüllung noch weiter zu erleichtern, sollten die Rohre aber auch so synchronisiert werden, dass jeweils am Ausgang des zu befüllenden Rohres ein Unterdruck im Plenum durch Ausnutzung akustischer Phänomene hergestellt wird. Ein unter Umständen noch stärkerer Unterdruck ist zu erzeugen, wenn ein Rohr ausgefallen ist, weil dann seine Saugwelle fehlt. Obwohl die zu erreichenden Ziele und somit die Optimierungskriterien gegensätzlicher Natur sind, kommen für alle Aufgaben ähnliche Regelungs- und Steuerungsansätze in Frage. Die oben erwähnten Ansätze für schaltende Systeme mit linearen Modellen werden auf ihre echtzeitfähige Anwendung geprüft werden. Alternativ können Optimalsteuerungen aufbauend auf zu entwickelnden linearen oder nichtlinearen Modellen berechnet werden. Bisher diente die Optimalsteuerung der Realisierung einer umlaufenden Saugwelle bzw. einer Druckvergleichmäßigung, zukünftig sollen auch Strömungen, Temperaturänderungen und komplexere Geometrien berücksichtigt werden können.

Fehlererkennung

Um ausgefallene Verbrennungsrohre zu detektieren, sind Fehlererkennungsstrategien notwendig, die diese Aufgabe mit einer möglichst geringen Anzahl von Sensoren zuverlässig bewerkstelligen. Für die Detektion ausgefallener Rohre soll zunächst versucht werden, die in der ersten Förderperiode entwickelten Ansätze zu verwenden. Sind die auftretenden Nichtlinearitäten der Akustik bedingt durch die hohen Druckamplituden im reaktiven Versuchsstand stark ausgeprägt, sollen alternativ neuronale Netze oder SVM (Support Vector Machine) eingesetzt werden. Ein neuronales Netz bzw. eine SVM werden auf verschiedene Zündereignisse trainiert, um die Fehlzündungen den einzelnen Rohren zuordnen zu können. Die Untersuchungen mit experimentellen Daten werden wieder durch vorangegangene Simulationen gestützt.

Publikationen

Arnold, F., Tornow, G. and King, R. (2019). Part Load Control for a Shockless Explosion Combustion CycleActive Flow and Combustion Control 2018, 135–150.

Arnold, F.; Neuhäuser, K.; King, R.: "Experimental Comparison of Two Integer Valued Iterative Learning Control Approaches at a Stator Cascade", Proceedings of ASME Turbo Expo 2019, GT2019-90893, 2019.

Rähse, T. S., Stathopoulos, P., Schäpel, J.-S., Arnold, F. and King, R. (2019). On the Influence of Fuel Stratification and Its Control on the Efficiency of the Shockless Explosion Combustion CycleJournal of Engineering for Gas Turbines and Power, 011024.

Arnold, F., King, R., Yücel, F., Völzke, F. and Paschereit, C. O. (2018). Modelling of Fuel Transport for a Shockless Explosion Combustion ProcessAIAA SciTech Forum 2019, At San Diego

Wolff, S. and King, R. (2018). Optimal Control for Firing Synchronization in an Annular Pulsed Detonation Combustor Mockup by Mixed-Integer Programming. AIAA SciTech Forum 2019, At San Diego

Schäpel, J.-S., King, R., Yücel, F., Völzke, F., Paschereit, C. O. and Klein, R. (2018). Fuel Injection Control for a Valve Array in a Shockless Explosion CombustorASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, V006T05A007.

Schäpel, J.-S., Wolff, S., Schulze, P., Berndt, P., Klein, R., Mehrmann, V. and King, R. (2017). State estimation for reactive Euler equation by Kalman FilteringCEAS Aeronautical Journal.

Schäpel, J.-S., Reichel, T., Klein, R., Paschereit, C. and King, R. (2016). Online Optimization Applied to a Shockless Explosion CombustorProcesses, 48.

Reichel, T. G., Schäpel, J.-S., Bobusch, B. C., Klein, R., King, R. and Oliver Paschereit, C. (2017). Shockless Explosion Combustion: Experimental Investigation of a New Approximate Constant Volume Combustion ProcessJournal of Engineering for Gas Turbines and Power

Topalovic, D., S. Wolff, A. Heinrich, D. Peitsch und R. King: Minimization of Pressure Fluctuations in an Axial Turbine Stage Under Periodic Inflow Conditions. In: AIAA Propulsion and Energy Forum, Nr. 2019-4213, 2019.

Wolff, S. D. und R. King: Optimal Control for Firing Synchronization in an Annular Pulsed Detonation Combustor Mockup by Mixed-Integer Programming. In: AIAA Scitech Forum, Nr. 2019-1742, 2019.

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.

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Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch

Geschäftsführerin

M.Sc. Christina Riehn

Sekretariat

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Tel: 314 23110