Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4189
Main Title: Adaptive und modellbasierte Regelungen zur Dämpfung von thermoakustischen Instabilitäten
Translated Title: Adaptive and model-based control for damping of thermoacoustic instabilities
Author(s): Gelbert, Gregor
Advisor(s): King, Rudibert
Referee(s): King, Rudibert
Paschereit, Christian Oliver
Schuermans, Bruno
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Um möglichst niedrige Schadstoffemissionen bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad erreichen zu können, werden moderne stationäre Gasturbinen mit magerer Vormischverbrennung betrieben. Diese Form der Verbrennung ist jedoch äußerst anfällig für Instabilitäten, da es zu einer gegenseitigen Anregung zwischen der instationären Wärmefreisetzung der Flamme und dem akustischen Feld der Brennkammer kommen kann. Man spricht aus diesem Grunde von thermoakustischen Instabilitäten. Die entstehenden Pulsationen im Druck und in der Wärmefreisetzung wirken sich negativ auf Schadstoffemissionen und Wirkungsgrad aus, erzeugen hohe mechanische und thermische Belastungen und können im schlimmsten Fall zum vollständigen Ausfall der Maschine führen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung und der Reglersynthese zur Dämpfung von thermoakustischen Instabilitäten. Als experimentelle Konfigurationen werden ein Einzelbrennerprüfstand und eine generische Ringbrennkammer betrachtet. Als adaptives, modellfreies Regelungsverfahren wird am Einzelbrennerprüfstand eine DISO-Extremwertregelung eingesetzt. Die Schätzung der benötigten Gradienten wird mit einem erweiterten Kalman-Filter realisiert, welches eine Tangentialebene an das Kennfeld des Systems anpasst. Der wesentliche Vorteil dieser Modifikation ist, dass sich die maximale Konvergenzgeschwindigkeit im Vergleich zum klassischen Extremwertregler um mehr als 100% erhöht. Der entwickelte Algorithmus wird erfolgreich zur Unterdrückung der Instabilitäten eingesetzt, ist aber auch auf beliebige andere Systeme anwendbar. Als modellbasiertes und sehr leistungsfähiges Verfahren wird am Einzelbrennerprüfstand des Weiteren die modellprädiktive Regelung eingesetzt. Ein dynamisches Streckenmodell zur Abbildung der Instabilitäten wird mit Hilfe der Netzwerktechnik aus gemessenen Übertragungsfunktionen erstellt. Die Akustik wird dabei eindimensional modelliert, und zur Regelung wird ein niederdimensionales, lineares SISO-Zustandsraummodell verwendet. Mit beiden Regelungsansätzen kann eine Reduktion der Druckamplitude um nahezu zwei Größenordnungen und damit eine vollständige Stabilisierung des Systems erreicht werden. Moderne Gasturbinen und Luftfahrttriebwerke sind heute überwiegend mit Ringbrennkammern ausgestattet. Thermoakustische Instabilitäten entstehen in diesen Brennkammern meist durch Kopplungsmechanismen mit akustischen Moden, die eine Variation in Umfangsrichtung aufweisen. Zur Kontrolle dieser Instabilitäten müssen Mehrgrößenregelungen eingesetzt werden. Als generische Ersatzkonfiguration wird in der Arbeit ein annulares Rijke-Rohr mit 6 Ein- und 12 Ausgängen betrachtet, welches trotz des verhältnismäßig einfachen Aufbaus alle notwendigen Mechanismen aufweist, um instabile Umfangsmoden zu untersuchen und zu regeln. Für das System wird ebenfalls mit Hilfe der Netzwerktechnik ein Modell erstellt. Die Akustik wird dabei zweidimensional modelliert und die einzelnen Elemente des Netzwerks werden fast vollständig aus analytischen Herleitungen bestimmt. Es ergibt sich ein lineares Zustandsraummodell der Ordnung 976, welches das Verhalten des realen Systems sehr gut abbildet. Zur Regelung der drei thermoakustisch instabilen Umfangsmoden wird ein modaler Ansatz verwendet. Die zur Reglerauslegung benötigten modalen Übertragungsfunktionen werden mit Hilfe eines Projektionsansatzes aus dem vollständigen Netzwerkmodell abgeleitet. Mit den modalen Reglern können die drei instabilen Moden unabhängig voneinander kontrolliert werden und ein paralleles Betreiben aller drei Regler führt zur vollständigen Stabilisierung des Systems. Die gezeigten Ergebnisse stellen die ersten experimentellen Ergebnisse einer modellbasierten Regelung für thermoakustisch instabile Umfangsmoden dar.
In order to simultaneously minimize emissions and reach high efficiency, modern gas turbines operate with lean premixed combustion. However, this form of combustion is highly susceptible to instability, since a mutual excitation between the unsteady heat release of the flame and the acoustic field of the combustor may occur. For this reason we speak of thermoacoustic instabilities. The resulting pulsations in the pressure and the heat release have a negative impact on emissions and efficiency, generate high mechanical and thermal loads and can lead, in the worst case, to a complete failure of the engine. The present work deals with the modeling and the controller synthesis for the damping of thermoacoustic instabilities. As experimental configurations, a single-burner test rig and a generic annular combustor is considered. As an adaptive, model-free control method, a DISO extremum seeking controller is used on the single burner test rig. The estimation of the required gradients is realized with an extended Kalman filter, which adapts a tangent plane to the characteristic diagram of the system. The main advantage of this modification is that the maximum speed of convergence in comparison to the classical extremum seeking controller increases by more than 100%. The developed algorithm is used successfully to suppress the instabilities, but it is also applicable to any other system. Furthermore, as a model-based and very powerful method, model predictive control is used on the single-burner test rig. A dynamic model which describes the instabilities is set up from measured transfer functions using the network approach. The acoustics are modeled one-dimensional and a low-dimensional, linear SISO state space model is used for control. With both control approaches, the pressure amplitude can be reduced by almost two orders of magnitude, and thus, a complete stabilization of the system is achieved. Modern gas turbines and aircraft engines are mostly equipped with annular combustors. Thermoacoustic instabilities arise in these combustion chambers usually by coupling mechanisms with acoustic modes, which have a variation in the circumferential direction. To control these instabilities, multi-variable control must be used. As a generic surrogate system, in the work an annular Rijke tube with 6 inputs and 12 outputs is considered, which, despite its simplicity, possesses all the mechanisms necessary to investigate and control unstable circumferential modes. Again, the network approach is used to set up a model of the system. This time the acoustics are modeled two-dimensional and the elements of the network are determined almost entirely from analytical derivations. The result is a linear state space model of order 976, which reproduces the behavior of the real system very well. For controlling the three thermoacoustically unstable modes, a modal control approach is used. The modal transfer functions required for the controller design are derived from the complete network model using a projection approach. With the modal controllers, the three unstable modes can individually be controlled and a parallel operation of all three controllers results in a complete stabilization of the system. The results shown represent the initial experimental results of a model-based control of thermoacoustic unstable circumferential modes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-56739
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4486
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4189
Exam Date: 30-Apr-2014
Issue Date: 15-Oct-2014
Date Available: 15-Oct-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Akustisches Netzwerkmodell
Annulares Rijke Rohr
Extremwertregelung
Modellbasierte Regelung
Thermoakustische Instabilitäten
Acoustic network model
Annular Rijke tube
Extremum seeking control
Model-based control
Thermoacoustic instabilities
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