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Regelung und Zustandsschätzung der stoßfreien, explosionsartigen Verbrennung

Schäpel, Jan-Simon Günter

Gasturbinen sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Brennstoffflexibilität und Dynamik im Lastwechsel in Verbindung mit ihren vergleichsweise geringen Investitionskosten sowohl in Flugzeugen als auch zur Stromgewinnung von herausragender Bedeutung. Dies macht die Effizienzsteigerung von Gasturbinen zu einem entscheidenden Forschungsthema, bei dem der Wechsel von einer annähernd isobaren hin zu einer druckerhöhenden Gleichraumverbrennung als ein zukunftsweisender Schritt angesehen wird. Ein neuartiges Konzept, eine solche druckerhöhende Verbrennung in Gasturbinen zu erzielen, ist die stoßfreie, explosionsartige Verbrennung, die im Fokus dieser Arbeit steht. Bei der stoßfreien, explosionsartigen Verbrennung wird der Treibstoff durch eine Selbstzündung im gesamten Brennraum gleichzeitig verbrannt. Dies erzeugt eine gleichmäßige Druckerhöhung, die im Vergleich zum herkömmlichen Verbrennungsprozess eine signifikante Steigerung des thermischen Wirkungsgrades mit sich bringt und im Vergleich zu anderen im Fokus der Forschung stehenden Methoden der druckerhöhenden Verbrennung, wie der pulsierenden Detonationsverbrennung, Druckspitzen vermeidet. Die homogene Selbstzündung im Rohr stellt dabei den entscheidenden und den herausforderndsten Vorgang dar und muss über eine gezielte Treibstoffeinspritzung eingestellt werden. Durch die vielen Einflussfaktoren auf den Selbstzündungsvorgang sowie seine hohe Sensibilität auf diese ist eine Regelung der Brennstoffeinspritzung unumgänglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl modellfreie als auch modellbasierte Regelungsmethoden zunächst an nichtreaktiven Prüfständen entwickelt und anschließend in reaktiven Versuchsreihen zur Ansteuerung von Treibstoffventilen eingesetzt. Als modellfreier Regler wurde der Extremwertregler weiterentwickelt, um an einem atmosphärischen Verbrennungsprüfstand eine möglichst hohe Konvergenzgeschwindigkeit der Regelung hin zu homogenen Selbstzündungen zu erzielen. Hierzu wurde ein diskreter Extremwertregler eingesetzt, der sowohl die erste als auch zweite Ableitung des zu optimierenden Gütefunktionals schätzt. Noch höhere Konvergenzgeschwindigkeiten erlauben modellbasierte Regelungsmethoden wie die iterativ lernende Regelung, die ebenfalls erfolgreich zur Regelung der Treibstoffeinspritzung mittels eines Proportionalventils eingesetzt werden konnte. Zur Ansteuerung eines Schaltventilarrays für die Treibstoffeinspritzung in einem erweiterten Versuchsaufbau wurden verschiedene, neuartige Konzepte einer ganzzahligen Regelung entwickelt und miteinander verglichen. Der Einsatz sowohl der modellfreien als auch der modellbasierten Regelungskonzepte am Prüfstand zeigte, dass durch eine Regelung die Homogenität der Selbstzündung erhöht und auch eine Druckerhöhung erreicht werden kann. Eine modellbasierte Regelung wie die iterativ lernende Regelung kann jedoch nur verwendet werden, wenn auch im Betrieb einer realen Maschine ausreichend detaillierte Modelle entwickelt werden können und genügend Informationen über den Systemzustand zur Verfügung stehen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit befasst sich deshalb mit der Zustandsschätzung in einer Brennkammer einer stoßfreien, explosionsartigen Verbrennung. Eine Rekonstruktion der gesamten Druck-, Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung einer simulierten stoßfreien, explosionsartigen Verbrennung gelang mit Hilfe eines Sigma-Punkt Kalman-Filters auf Basis von nur 5 Drucksensoren. Zur Verringerung des Rechenaufwands wurde das Kalman-Filter in Kombination mit einer Zustandsreduktion des zugrundeliegenden Modells eingesetzt. Die vorliegende Arbeit zeigt somit, dass die entwickelten Regelungskonzepte einen entscheidenden Beitrag zur Realisierung einer stoßfreien, explosionsartigen Verbrennung leisten können. Zudem legt sie durch die Entwicklung von ganzzahligen Regelungs- und Zustandsschätzmethoden für das Brennrohr den Grundbaustein für zukünftige maschinennahe Umsetzungen einer stoßfreien, explosionsartigen Verbrennung.
Gas turbines are due to their high energy density, fuel flexibility and dynamics in the load change in connection with their relatively low investment costs both in aircraft and for power generation of outstanding importance. This makes the increase in efficiency of gas turbines a crucial research topic, where the change from an approximately isobaric to a pressure-increasing constant-volume combustion is regarded as a trend-setting step. A novel concept for achieving such pressure-increasing combustion in gas turbines is the shockless explosion combustion, which is the focus of this work. In the shockless explosion combustor the fuel is burned by a self-ignition in the entire combustion chamber at the same time. This produces a uniform pressure rise which, compared to the conventional combustion process, results in a significant increase in thermal efficiency and avoids pressure spikes in contrast to other research-focused methods of pressure-increasing combustion such as pulsed detonation combustion. Within the shockless explosion combustion process the homogeneous self-ignition in the pipe is the crucial and the most challenging process and must be adjusted by a appropriate fuel injection. Due to the many factors influencing the auto-ignition process and their high sensitivity to it, closed-loop control of the fuel injection is unavoidable. As part of this work, both model-free and model-based control methods were first developed on non-reactive test rigs and were then used in reactive test series for controlling fuel valves. As a model-free controller, the extremum seeking controller was enhanced in order to achieve the highest possible rate of convergence of the control system towards an homogeneous auto-ignition at the atmospheric combustion test rig. For this purpose, a discrete extreme value controller was developed, which estimates both the first and second derivative of the quality function to be optimized. Even higher convergence speeds allow model-based control methods such as the iterative learning control, which was also successfully used to control fuel injection using a proportional valve. To control a switching valve array for fuel injection in an expanded experimental set-up, various novel concepts of an integer control were developed and compared. The use of both the model-free and the model-based control concepts on the test bench showed that the homogeneity of the self-ignition can be increased by control and that an increase in pressure can be achieved. However, model-based control, such as iterative learning control, can only be used if sufficiently detailed models can be developed and sufficient system state information is available. Another focus of this work is therefore the state estimation in a combustion chamber of a shockless explosion combustor. A reconstruction of the total pressure, velocity and temperature distribution of a simulated shockless explosion combustion based on just 5 pressure sensors was achieved with the help of an Unscented Kalman filter. To reduce the computational effort, the Kalman filter was used in combination with a state space reduction of the underlying model. The present work thus shows that the developed control concepts can make a decisive contribution to the realization of a shockless explosion combustion. In addition, by developing integer control concepts and state estimation methods for the combustion tube, it lays the foundation for future machine-oriented implementation of a shockless explosion combustor.