Entwicklung eines Systems zur Pumpgrenzüberwachung

Betreuer: Dr.-Ing. H. Hönen

Die industrielle Anwendung von Turbomaschinen ist geprägt von der Forderung nach hoher Wirtschaftlichkeit. Vorrangige Gesichtspunkte, besonders bei der Auslegung, sind

  • hohe Wirkungsgrade
  • hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
  • geringe spezifische Kosten
  • geringe Emissionen

Da die höchsten Wirkungsgrade in Axialkompressoren in der Nähe der Stabilitätsgrenze auftreten, setzen diese Vorgaben eine immer weiter ansteigende aerodynamische Stufenbelastung voraus. Hierdurch kommt es unweigerlich zu einer Verminderung des Sicherheitsabstandes zwischen der Betriebslinie und der Stabilitätsgrenze. Instabiler Verdichterbetrieb ist dierekt verbunden mit ansteigenden aerodynamischen Verlusten sowie erhöhten dynamischen Belastungen für die Komponenten, wie z.B. Gehäuse, Beschaufelung und Welle. Hierdurch kommt es zu einer verminderten Lebendauer oder sogar zur Zerstörung der Komponenten, was zu unvorhergesehenen Abschaltungen der Anlage führt.

Da eine exakte Voraussage der Stabilitätsgrenze schon während der Auslegungsphase von Turboverdichtern eine nur unzureichend lösbare Aufgabe darstellt, muß nach heutigem Kenntnisstand dieser Sicherheitsabstand relativ groß gewählt werden. Um den auftretenden Konflikt zwischen einer sicheren Auslegung und hohen aerodynamischen Belastungen zu umgehen, ist zur Vermeidung des Verdichterpumpens eine ständige Überwachung des stabilen Betriebs notwendig.

Im Rahmen der AG Turbo wird daher in Zusammenarbeit mit der Firma Siemens AG, Energieerzeugung KWU ein Verfahren entwickelt, das die Annäherung an die Pumpgrenze während des Betriebs erkennt. Basierend auf Messungen der dynamischen Wanddrücke in den Verdichtern unterschiedlicher Gasturbinen konnte eine Datenbasis für die Analyse der auftretenden Effekte bei steigenden aerodynamischen Belastungen vielstufiger Verdichter erstellt werden. In zahlreichen Testläufen wurde eine Variation der Betriebsbedingungen vorgenommen, so daß Meßdaten in weiten Kennfeldbereichen bis hin zur Stabilitätsgrenze der Verdichter vorliegen.

Anhand der Meßdaten können signifikante Veränderungen der Signalbilder in Abhängigkeit von der aerodynamischen Belastung nachgewiesen werden. Mit Hilfe verschiedene Analysemethoden wurden die beobachteten Effekte aus den Signalen herausgefiltert Auf diese Weise konnten Parameter definiert werden, die es ermöglichen, die gefundenen Phänomene analytisch wiederzugeben. Jeder dieser Parameter zeigt für die unterschiedlichen Versuchbedingungen an den untersuchten Verdichtern ein gleichartiges Verhalten bei der Annäherung an die Pumpgrenze.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Überwachungssystem erstellt, das im Online Betrieb am Verdichter die notwendigen Daten aufnimmt und analysiert. Um einen Echtzeitbetrieb zu gewährleisten, kommt hierfür ein Rechner mit mehreren parallel arbeitenden Prozessoren zum Einsatz, auf dem eine entsprechende Datenaufnahme- und Analysesoftware programmiert wurde. Mit Hilfe eines parallelgeschalteten Neuronalen Netzes wird eine weitgehende Unabhängigkeit der Analyseergebnisse von der jeweiligen Maschine sowie den Betriebsbedingungen erzielt. Dieses Netz sammelt im Hintergrund die aktuellen Meßergebnisse und paßt das System den jeweiligen Randbedingungen an.