Geregelte Strömungskontrolle einer Statorkaskade mit Seitenwand- und Hinterkantenaktuation
Kiesner, Matthias
Die Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen ist ein wichtiges Entwicklungs- und Forschungsziel. Durch die große Stückzahl der weltweit im Energie- und Transportsektor eingesetzten Gasturbinen ist das Potential für eine Reduktion der Treibhausgasemissionen enorm. Aktuell wird eine neue Technologie erforscht, die einen Wechsel von der konventionellen isobaren Verbrennung zu einer isochoren Verbrennung anstrebt. Mit dieser isochoren Verbrennung ist ein deutlicher Anstieg des Wirkungsgrades möglich. Allerdings wird der Verbrennungsprozess instationär ablaufen, was starke Auswirkungen auf weitere Komponenten der Gasturbine bedeutet. So wird der Verdichter durch das neue Verbrennungssystem partiell angedrosselt. Da die Strömung im Verdichter auf Grund des positiven Druckgradienten ablösegefährdet ist, bedeutet diese zusätzliche Störung eine Gefährdung des stabilen Betriebs. Demnach ist eine Anpassung der Verdichterströmung notwendig, um eine Gasturbine mit der neuen Verbrennung zu realisieren. Die Untersuchung geeigneter Maßnahmen zur Beeinflussung der Verdichterströmung ist das Thema der vorliegenden Arbeit. Speziell wird hier das vielversprechende Konzept der aktiven Strömungskontrolle verfolgt. Im Gegensatz zu passiven Maßnahmen, wie beispielsweise einer Anpassung der Schaufelgeometrie, kann die Stärke der Strömungsbeeinflussung im Betrieb verändert werden. Damit ist es prinzipiell möglich, auf die von der instationären Verbrennung erzeugten, zeitlich veränderlichen Störungen immer passend zu reagieren. Die Beeinflussung der Strömung durch das Ausblasen von Druckluft über Aktuatoren wird intensiv erforscht und hat sich bereits zu einem etablierten Verfahren in der Forschung entwickelt. Dieses Verfahren wird daher auch in der vorliegenden Arbeit eingesetzt. Zur Untersuchung verschiedener Maßnahmen der aktiven Strömungskontrolle wird eine verdichterseitige Statorkaskade in einem Windkanal aufgebaut. Zum Einsatz kommen zwei verschiedene Aktuatoren an der Hinterkante der Statorschaufeln, mit denen die Nachlaufdellen und die Strömungsumlenkung beeinflusst werden können. Zudem werden Aktuatoren an der Seitenwand der Statorkaskade zur Reduzierung der Passagenwirbel eingesetzt.
Detaillierte Messungen der aktuierten Kaskadenströmung werden durchgeführt und ausgewertet. Dabei werden besonders Effekte betrachtet, die der beschriebenen Störung entgegenwirken, um so Maßnahmen für eine Stabilisierung der Strömung zu entwickeln. Die Reduzierung der Nachlaufdellen hinter den Statorschaufeln sowie die aerodynamische Entlastung der aktuierten Statorkaskade stehen dabei im Vordergrund. Mit den eingesetzten Aktuatoren ist eine deutliche Reduzierung der Nachlaufdellen auf 35 % des ursprünglichen Wertes und eine Steigerung des Druckaufbaus um 5 % bei einem cµ-Wert der Aktuation von 2.2 % möglich. Die aktive Strömungsbeeinflussung soll nicht dauerhaft aktiv sein, sondern immer passend auf die durch die Brennkammer verursachten instationären Störungen reagieren. Um dies zuverlässig und effizient zu gewährleisten, ist der Betrieb im geschlossenen Regelkreis notwendig. Deshalb werden verschiedene regelungstechnische Maßnahmen vorgestellt und an der Statorkaskade eingesetzt. Es wird ein Verfahren entwickelt, mit dem über reduzierte Messinformationen eine Schätzung des aktuellen Strömungszustands der Statorkaskade möglich ist. Auf der Basis dieser Schätzung stehen aussagekräftige Regelgrößen in Echtzeit zur Verfügung. Für die modellbasierten Regelungsverfahren werden die Dynamik der Kaskadenströmung und die der Ventile identifiziert. Zur Regelung des Druckaufbaus der Statorkaskade und der Größe der Nachlaufdellen werden sowohl ein robuster H_unendlich-Regler als auch eine modellprädiktive Regelung eingesetzt. Da die durch die neue Verbrennungsart erzeugten Störungen voraussichtlich periodisch auftreten, werden zudem Regelungsverfahren untersucht, die diese Periodizität ausnutzen, um eine besonders gute Störunterdrückung zu gewährleisten. Zum Einsatz kommen hier ein iterativ lernender Regler und eine repetitive modellprädiktive Regelung. Die Experimente zeigen, dass eine Kontrolle der Kaskadenströmung im geschlossenen Regelkreis im Bereich der zu erwartenden Störfrequenzen möglich ist.
The increase in efficiency of gas turbines is an important research and development objective. There is great potential for reduction of greenhouse gas emission due to the large number of gas turbines that are being used worldwide in the energy and transportation sector. Currently, a novel technology is investigated that aims at a change from conventional isobaric combustion to isochoric combustion. This shift may yield a significant increase in efficiency. However, such combustion processes are highly unsteady, which will have a strong impact on other components of the gas turbine. For instance, the compressor will be partially throttled by the new combustion system. Due to the positive pressure gradient, the compressor flow is susceptible to flow separation, an additional disturbance endangers the stable operation of the compressor. Accordingly, an adaptation of the compressor flow is necessary in order to implement a gas turbine exploiting the new combustion process. The investigation of suitable measures for manipulating the compressor flow is the subject of the present work. Especially the promising concept of active flow control is pursued. In contrast to passive measures, such as, for example, an adaptation of the blade geometry, the strength of the flow manipulation can be changed during operation. In principle, this makes it possible to react appropriately to the time-dependent disturbances generated by the unsteady combustion. Active flow control by blowing pressurised air into the flow via actuators is an established method in research in this respect. To investigate various measures of active flow control, a compressor stator cascade is constructed. Two different actuators are implemented at the trailing edge of the stator blades, which are used to influence the wake size and the flow deflection. In addition, actuators on the side wall of the stator cascade are exploited to reduce the passage vortexes. Detailed measurements of the actuated cascade flow are carried out and evaluated. Particularly, effects are observed which counteract the above described disturbance to develop measures for stabilizing the flow. The reduction of the wake size downstream of the stator blades as well as the reduction of the aerodynamic load of the actuated stator cascade are the main focus of the investigation. With the actuators used, a significant reduction of the wake size of up to 35 % of the original value and an increase of the pressure rise by 5 % with a cµ value of the actuation of 2.2 % is possible. The active flow control should not be operating permanently, but rather only react to the unsteady disturbances caused by the combustion chamber. In order to ensure this reliably and efficiently, the operation in a closed control loop is necessary. For this reason, different feedback control approaches are applied to the experiment. A method is developed which makes it possible to estimate the current flow state of the stator cascade via reduced measurement information. On the basis of this estimation, meaningful control variables are available in real time. The dynamics of the cascade flow and the dynamics of the valves are identified for the model-based control methods. To regulate the wake size and the pressure rise of the stator cascade, both a robust H-infinity controller and a model-predictive control are utilized. Furthermore, since the disturbances generated by the new combustion concept are expected to occur periodically, control methods are used which take advantage of this periodicity to achieve an improved disturbance suppression. An iterative learning controller and a repetitive model-predictive controller are used. The experiments show that active flow control of the stator cascade in a closed control loop is possible in the range of the expected disturbance frequencies.
