DE102008036305A1

DE102008036305A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verdichters

Info

Publication number: DE102008036305A1
Application number: DE200810036305
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr.-Ing. Dünow; Malte Köller; Olaf Dr.-Ing. Magnor; Daniel Dr.-Ing. Reitebuch
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: DE102008036305B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters, bei welchem eine Strömungsablösung an den Verdichterschaufeln detektiert sowie eine Pumpgrenze und ein Pumpgrenzabstand ermittelt werden. Der Verdichter (9) weist dabei wenigstens einen Rotor (4) mit an diesem angeordneten Schaufeln auf, wobei mit wenigstens einem Sensor (7) die Durchgangszeiten (T_tip) einzelner Schaufeln gemessen und aus diesen oder wenigstens einer weiteren Messmarke (8) ein Signal pro Umdrehung des Rotors erzeugt (T_opr) wird. Mittels eines Verdichtermodells wird eine Leistungsaufnahme (P_in) des Verdichters (9) bestimmt. Aus dieser sowie aus den Zeiten (T_tip) und (T_opr) wird die Verdichterstufenleistung (Pv,k) bestimmt. Deren Verlauf charakterisiert in Relation zum Zeitmerkmal für eine Rotorumdrehung (T_opr) eine Verdichterinstabilität.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters, vorzugsweise eines Axialverdichters eines Triebwerkes, bei welchem eine Strömungsablösung an den Verdichterschaufeln detektiert sowie eine Pumpgrenze und ein Pumpgrenzabstand ermittelt werden. Das Verfahren ist gleichfalls auf Radialverdichter sowie Mischformen dieser Verdichterarten anwendbar.
Verdichter finden im Motoren- und Triebwerksbau eine weitreichende Anwendung zum Verdichten von zur Verbrennung benötigter Luft. Verdichter saugen dabei Luft aus der Umgebung an, wobei am Verdichterausgang die Luft unter erhöhtem Druck einem nachfolgenden Brennraum zur Verfügung gestellt wird. Verdichter sind hierbei besonders aus dem Triebwerksbau bekannt, bei welchem einer oder mehreren Verdichterstufen eine Brennkammer folgt, in welcher kontinuierlich Kraftstoff verbrannt wird und deren Energie zum Vortrieb sowie zum Antrieb des Verdichters genutzt wird.
Verdichter erreichen unter bestimmten Betriebsbedingungen einen instabilen Zustand, der durch verschiedene Strömungsphänomene beschreibbar ist. Bekannt ist das sog. Verdichterpumpen, welches eine axiale Schwingung der Luftströmung durch den Verdichter hindurch beschreibt. Mit zunehmender Drehzahl fördert ein Verdichter einen zunehmenden Massenstrom. Die Förderung ist jedoch durch ein maximales Druckverhältnis begrenzt. Ist diese Grenze erreicht, schlägt die bereits geförderte Luftmasse schlagartig entgegen der eigentlichen Förderungsrichtung zurück. Der Verdichter hat sich damit entlastet, kann wieder regulär fördern und erreicht irgendwann wieder das die Förderung begrenzende Druckverhältnis, so dass sich dieser Vorgang wiederholt.
Der Zustand des Pumpens ist durch einen Leistungsabfall des Verdichters gekennzeichnet und kann zur mechanischen Zerstörung des Verdichters führen. Der Pumpvorgang wird in Abhängigkeit vom geförderten Massenstrom bei mehr oder weniger großen Druckverhältnissen erreicht. Die Aneinanderreihung dieser Punkte wird Pumpgrenze genannt. Beim Betrieb von Verdichtern wird großer Wert darauf gelegt, dass man einen ausreichend großen Abstand zur Pumpgrenze einhält. Für den Betrieb des Verdichters mit hoher Effizienz ist es wünschenswert, diesen nahe des Wirkungsgradoptimums zu betreiben. Die Einhaltung eines vorgegebenen Pumpgrenzenabstandes von der Arbeitslinie steht dabei im Konflikt zum Erreichen eines optimalen Wirkungsgrades, also spezifischen Kraftstoffverbrauches, da die optimale Arbeitslinie bei den meisten Verdichtern dicht an der Pumpgrenze verläuft. Der Konflikt wird dadurch verschärft, dass bei neuen Triebwerken die Pumpgrenze über der Betriebszeit infolge von Abrieb und Ablagerungen absinkt und der Pumpgrenzenabstand entsprechend kleiner wird. Neue Triebwerke zeigen im Vergleich zu gealterten Triebwerken unter anderem aus diesem Grund einen erhöhten spezifischen Verbrauch. Zudem müssen aber auch Exemplarstreuungen sicher abgefangen werden, so dass das Mittellage-Triebwerk in einem ungünstigeren Betriebsbereich betrieben werden muss, um auch für ein in der Exemplarstreuung am unteren zulässigen Bereich arbeitendes Triebwerk noch einen sicheren Betrieb ermöglichen zu können.
Es ist bekannt, dass ein sog. teilweises bzw. rotierendes Ablösen der Strömung an den Schaufeln des Verdichters dem Pumpen vorangeht. Hierbei handelt es sich um lokal begrenzte Bereiche in den Verdichterstufen, die bereits eine Strömungsablösung erfahren haben. Diese Bereiche rotieren mit 10–90% der Verdichterdrehzahl und nehmen in Richtung Pumpgrenze in ihrer Anzahl zu. Sie wachsen zuletzt zu einem einzigen großen Ablösebereich zusammen und leiten anschließend den Pumpvorgang ein.
Vorbekannt ist aus der US 6,474,935 B1 , anhand einer Messung der Schaufelbiegung mittels eines optischen Sensors eine rotierende Strömungsablösung zu erkennen. Die ermittelte Schaufelbiegung wird mit einem Schwellwert verglichen und eine rotierende Ablösung wird ermittelt, wenn die Schaufelbiegung einen definierten Grenzwert überschreitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Betriebszustand des Verdichterpumpens sowie des rotierenden Ablösens der Strömung im Ansatz zu erkennen und damit eine Regelung des Verdichters an der Pumpgrenze zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
Ein Verdichter ist mit wenigstens einem Rotor ausgestattet, an dem mit diesem umlaufende Schaufeln angeordnet sind. Ein vorzugsweise, berührungslos arbeitender kapazitiver, induktiver oder magnetoresistiver Sensor misst die Durchgangszeiten (T_tip) einzelner Schaufeln, wobei der Durchgang spezieller Schaufeln oder aller hinsichtlich ihrer Durchgangszeit erfasst werden. Weiterhin wird von dem Sensor oder wenigstens einem weiteren eine Messmarke auf dem Rotor detektiert, mit welcher ein Signal pro Umdrehung des Rotors erzeugt wird und daraus ein Zeitmerkmal für eine Umdrehung, beispielsweise deren Zeitdauer für eine Umdrehung des Rotors (T_opr), ermittelt wird.
Für die Ermittlung des Zeitmerkmals kann eine gesonderte Zeitmarke auf dem Rotor oder der Welle genutzt werden. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird mittels eines Verdichtermodells aus dem Zeitmerkmal für eine Rotorumdrehung (T_opr) und aus den Durchgangszeiten (T_tip) der einzelnen Schaufeln eine Leistungsaufnahme des Verdichters bestimmt. Ausgehend davon, dass im stabilen Betrieb des Verdichters ein Momentengleichgewicht zwischen Verdichter und dessen Antrieb der Turbine besteht und damit Verdichterantrieb/Verdichterleistungsaufnahme mit der vom Verdichter abgegebenen Leistung im Gleichgewicht sein müssen, wird eine Störung dieses Momentengleichgewichtes als beginnende Instabilität gewertet. Das Momentengleichgewicht wird gebildet, indem eine modellierte Leistungsaufnahme des Verdichters mit der durch diesen abgegebenen Leistung verglichen wird. Hierfür wird aus der modellierten Leistungsaufnahme und den gemessenen Durchgangszeiten (T_tip) und dem Zeitmerkmal für eine Rotorumdrehung die Verdichterleistung bestimmt. Aus dem Verlauf der Verdichterleistung wird auf eine beginnende Instabilität des Verdichters geschlossen. Eine beginnende Instabilität zeigt dabei das Annähern an die Pumpgrenze an.
Erfindungsgemäß vorteilhaft wird die Leistungsaufnahme des Verdichters modelliert, indem ein Modell eines idealen Verdichters mit einer angenommenen Leistungsaufnahme beaufschlagt wird, wobei ein modelliertes Zeitmerkmal für eine Umdrehung des Modellrotors ermittelt und mit dem gemessenen Zeitmerkmal für eine Rotorumgebung verglichen wird und ein Regler die sich ergebende Differenz derart ausregelt, dass die Phasenlage des Modellrotors mit der des Rotors des realen Verdichters übereinstimmt.
Erfindungsgemäß vorteilhaft wird die verrichtete Verdichterarbeit über die Schaufelarbeit berechnet. Hierfür wird aus den Durchgangszeiten der einzelnen Schaufeln und deren Differenzen die Schaufelbiegung ermittelt. Fasst man die biegsame Schaufel als Kraftsensor auf, welcher eine definierte Federkonstante aufweist, so stellt diese ein Maß für die abgegebene Verdichterleistung dar. Die Schaufelbiegung ist dabei aus der Abweichung der einzelnen Schaufeldurchgangszeiten berechenbar. Die Berechnung der Schaufelbiegung hängt von deren Geometrie, dem Lastfall, den Werkstoffparametern und der Strömungsverteilung ab und erfolgt nach den allgemeinen Kenntnissen der technischen Mechanik. Näherungsweise kann der Zusammenhang beschrieben werden mit
Hierin ist Δx die Durchbiegung an der Blattspitze, q die Flächenlast, h die Schaufelhöhe, E das E-Modul und I das Flächenmoment. C_A ist der Auftriebsfaktor des Profils, ρ_Luft die Dichte der Luft und u die Strömungsgeschwindigkeit.
Das Moment auf der Welle und die Strömung an der Schaufel befinden sich dabei in einem Gleichgewicht, wobei die Schaufel als „Biegungssensor” in diesem System aufgefasst wird.
Erfindungsgemäß wird vom Drehmoment M_V auf den Verdichter für die Auswertung nur dessen Wechselanteil M ~_V benötigt, da sich hierdurch bereits ein charakteristischer Verlauf beschreiben lässt: MV = M V + M ~V
Dabei wird angenommen, dass durch Veränderung der Kraftstoffzufuhr nur begrenzte differentielle Drehmomente und damit auch nur begrenzte Drehzahlgradienten dn/dt auftreten können. Hochfrequente Anteile M ~_V,HF werden einem Verdichterpumpen zugeordnet:
Zeichenerklärung:

t_opr

Periodendauer der Welle oder des Verdichterrotors

τ*

normierte Filterzeitkonstante zur Separierung der hochfrequenten Signalanteile

C

Konstante zur Beschreibung der Wechselmomentenanteile aus der Periodendauer der Welle oder des Verdichterrotors

1 / nΣM ~_V

Mittelwert der Wechselmomente

M ~_V,HF

hochfrequenter Anteil der Wechselmomente

Aus Verdichterleistung und Verdichterdrehzahl wird erfindungsgemäß eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt. Aus dem Verlauf der Verdichterleistung über der Zeit kann anhand eines charakteristischen Verlaufs auf eine beginnende Instabilität des Verdichters oder auch auf Verdichterpumpen geschlossen werden:
Erfindungsgemäß vorteilhaft bildet sich das Abfallen der Verdichterleistung bereits vor dem Beginn des Verdichterpumpens im Verlauf der Kurve für die Verdichterleistung ab. Im Vergleich zu anderen Verfahren aus dem Stand der Technik, der Frequenzanalyse der Durchgangszeiten oder der Betrachtung der Schaufelbiegung, wird das Abfallen der Verdichterleistung derart vor Eintritt der Instabilität erkannt, dass mit den Verdichter steuernden Maßnahmen (z. B. Abblasen, Reduzierung der Kraftstoffzufuhr oder Leitschaufelverstellung) dem Verdichterpumpen entgegengewirkt werden kann. Das frühzeitige Erkennen der Instabilität erlaubt eine Regelung des Verdichters nahe an der Pumpgrenze, da nur ein geringer Sicherheitsvorhalt zur Pumpgrenze gehalten werden muss. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird beim Abfallen der Verdichterleistung auf eine beginnende Instabilität, eine sog. rotierende Strömungsablösung, geschlossen. Die rotierende Strömungsablösung bildet sich bereits vor dem Pumpen aus, so dass hier bereits ein Annähern an die Pumpgrenze ermittelt werden kann. Für die Regelung des Verdichters nahe an der Pumpgrenze ist es vorteilhaft, das Verdichterstufendruckverhältnis zu ermitteln, wobei dies erfindungsgemäß aus der Bestimmung des Inzidenzwinkels, der Verdichterleistung und der Schaufelbiegung erfolgt. Der Zusammenhang kann bei Kenntnis der entsprechenden Verdichterparameter analytisch beschrieben werden. Alternativ wird in einem Versuch beispielsweise an einem Prüfstand das Verdichterkennfeld vermessen, indem zu den jeweils aus der Verdichterstufenleistung P_V,k berechneten Inzidenzwinkeln Alpha_in das Verdichterdruckverhältnis Pi ermittelt und in einem Kennfeld abgelegt wird. Zur Aufnahme dieses Kennfeldes wird der Verdichter bei jeweils konstanter Drehzahl zunehmend angedrosselt.
Zur Ermittlung der Verdichterstufenleistung wird die Differenz aus t_opr und t_tip gemäß nachfolgender Gleichung als Maß für die Verdichterstufenleistung interpretiert:
wobei die Bedeutung der verwendeten Formelzeichen in nachfolgender Liste erklärt ist.

T_tip,k,i: absolute Zeit des Durchgangs von Schaufel i des Verdichterrotors k (Zeitstempel)
T_opr: absolute Zeit des Durchgangs der Wellenmarkierung
t_0,k,i(1/f_R): drehzahlabhängiger, aber sonst konstanter Zeitoffset zwischen dem Durchgang der Schaufel i auf dem Verdichterrotor k (Zeitoffset zwischen der gewählten Schaufel und der Referenzmarke für T_opr)
B_V,k: Proportionalitätskonstante für den Verdichterrotor k
P_V,k: Leistung des Verdichterrotors k
i: Nummer der Verdichterschaufel(n), die zur Bestimmung der Verdichterstufenleistung verwendet wird

Dabei ist die Kenntnis der absoluten Leistung P_V,k unerheblich, da alleine aus dem Verlauf der Leistung über der Verdichterdrehzahl auf den Inzidenzwinkel geschlossen werden kann:
Zeichenerklärung:

P_V,k

Leistung des Verdichterrotors k

E

E-Modul des Schaufelwerkstoffes (temperaturabhängig)

I

Flächenmoment des Schaufelprofils

h

Schaufelhöhe

α_V,k

Inzidenzwinkel auf die Schaufeln des Verdichterrotors k

Aus dem Inzidenzwinkel kann wie oben beschrieben das Verdichterstufendruckverhältnis bestimmt werden.
Das so ermittelte Verdichterstufendruckverhältnis wird mit einem die Pumpgrenze kennzeichnenden, für den jeweiligen Verdichter typischen Grenzverdichterstufendruckverhältnis verglichen, wobei aus diesem Vergleich der Abstand zur Pumpgrenze bestimmt wird.
Die Pumpgrenze bzw. das Kennfeld der Pumpgrenze ist herstellerseitig für einen typischen Verdichter vorgegeben. Exemplarstreuung und Alterung können hier nicht berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird das Kennfeld des Grenzverdichterstufendruckes anhand der Erkennung des instabilen Verhaltens der Verdichterstufe adaptiert. Erfolgt an der für den Verdichtertyp hinterlegten Pumpgrenze kein Auftreten von instabilem Verdichterbetrieb, kann die Pumpgrenze für diesen Arbeitspunkt erweitert werden. Gleichfalls wird bei einem Erkennen der Instabilität vor der eingetragenen Pumpgrenze diese herabgesetzt. Erfindungsgemäß kann dies durch ein Adaptionskennfeld erfolgen, in welchem Korrekturwerte zur Pumpgrenze für den jeweiligen Arbeitspunkt hinterlegt sind.
Weiterhin wird zusätzlich zur Betrachtung der Verdichterstufenleistung aus der modellierten Verdichterstufenleistung und dem Zeitmerkmal für eine Rotorumdrehung auf eine rotierende Strömungsablösung oder ein Pumpen der Verdichterstufe geschlossen. Diese alternative Auswertung erhöht die Sicherheit des Verfahrens. Die Auswertung von Drehzahl und aufgenommener Verdichterstufenleistung bildet jedoch eine zusätzliche Sicherheitsebene, um ggf. bei einer Nichterkennung über den Verlauf der Verdichterstufenleistung eine Erkennung von instabilem Verdichterverhalten zu ermöglichen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Hierbei zeigen:
1 eine stark schematisierte Darstellung eines Triebwerks am Beispiel eines Verdichters mit Axialverdichter,
2 eine Strukturdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild,
3 ein Blockschaltbild zur Ermittlung der aufgenommenen Verdichterstufenleistung und
4 ein Diagramm der Verdichterstufenleistung.
In 1 ist ein Triebwerk 1 mit einem Verdichter 9 und einer Turbine 11, die über eine Welle 2 mechanisch gekoppelt sind, dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in der Figur nur ein einwelliges Triebwerk dargestellt. Triebwerke moderner Bauart besitzen hingegen zwei oder drei koaxiale Wellen. Die Welle 2 trägt Rotoren 4 des Verdichters 9 sowie die Turbinenrotoren 6. Der Verdichter 9 saugt im Betrieb Luft aus der Umgebung an und verdichtet diese in mehreren Stufen, welche jeweils Rotoren 4 und Leitgitter 5 aufweisen. Die verdichtete Luft tritt axial durch das Triebwerk 1 hindurch und gelangt zu einer Brennkammer 3, in welche Brennstoff eingespritzt und zur Verbrennung gebracht wird. Die dadurch erzeugte Energie treibt über die Turbine 11 den Verdichter 9 an. Ein kleiner Teil der Energie dient zudem zur Schuberzeugung über die Schubdüse. Triebwerke dieser Art sind allgemein bekannt, so dass auf eine detaillierte Darstellung der Funktionsweise verzichtet wird. Gleiches gilt für Triebwerke mit Radialverdichtern und Mischbauformen. Der Rotor 4 des Verdichters 9 trägt einzelne Schaufeln, welche mit dem Rotor 4 umlaufen. Im Gehäuse des Triebwerkes 1 ist ein Sensor 7 angeordnet, der den Durchgang der Schaufeln detektiert, wobei eine nachfolgende Signalverarbeitung die Durchgangszeiten der einzelnen Schaufeln (T_tip) misst und der Weiterverarbeitung als digitale Zeitstempel für die Einzelschaufeln einer Rechenroutine zur Verfügung stellt. Mit einem Sensor 10 wir über eine Messmarke 8 an der Welle 2 oder dem Rotor 4 die Rotorperiode (T_opr) gemessen. Weiterhin werden am Triebwerk 1 verschiedene, dessen Betriebszustand kennzeichnende Größen – zum Beispiel der Druck vor Verdichter 9, die Temperatur vor Verdichter 9 oder der Druck vor der Brennkammer 3 – sowie ggf. weitere Betriebsgrößen gemessen und der Rechenroutine zur Verfügung gestellt.
In 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Blockschaltbilds dargestellt. Am Eingang der Rechenroutine werden die Signale S7 und S10 der Sensoren 7 und 10 eingelesen, wobei in der nachfolgenden Signalverarbeitung 14, 15 die Signale der Sensoren 7, 10 in digital codierte Zeiten gewandelt werden. Am Ausgang des Signalverarbeitungsblocks 14 steht damit die Zeit, welche der Rotor 4 für eine komplette Umdrehung T_opr benötigt, zur Verfügung und am Ausgang des Signalverarbeitungsblocks 15 sind die Durchgangszeiten der Einzelschaufeln T_tip als Zeitstempel der jeweiligen Schaufel verfügbar. Es können somit die Umlaufzeiten der Einzelschaufeln als auch deren Differenz zueinander bewertet werden. Anstelle des Signals S10, welches einen Umlauf der Messmarke 8 auswertet, könnte alternativ der Umlauf einer definierten Schaufel vom Sensor S7 genutzt werden, um ein Signal für einen kompletten Umlauf des Rotors T_opr zu generieren. Das Signal T_opr ist Eingang des Blockes 16, welcher aus diesem Signal die vom Verdichter 9 aufgenommene Leistung an seinem Ausgang zur Verfügung stellt. Die Routine zur Ermittlung der aufgenommenen Leistung ist in 3 detailliert dargestellt. Die modellierte, aufgenommene Verdichterstufenleistung P_in wird im Block 17 in Relation zur Umlaufzeit T_opr bzw. zur Drehzahl des Rotors 4 hinsichtlich des Auftretens einer umlaufenden Strömungsablösung S_rot_stall und des Auftretens eines Verdichterpumpens S_surge ausgewertet. Die Auswertung erfolgt, indem die zeitliche Variation der berechneten Verdichterstufenleistung P_in auf gewollte Betriebspunktänderungen hin plausibilisiert wird. Hierzu wird die Drehzahl oder die Umlaufzeit T_opr im Vergleich zur Verdichterstufenleistung P_in bewertet. Ein Absinken der Verdichterstufenleistung bei nahezu gleichbleibender Drehzahl lässt dabei auf eine beginnende Verdichterinstabilität schließen. Bei einem durch Betriebspunktwechsel verursachten Leistungsabfall verhält sich die Drehzahl proportional zur Verdichterstufenleistung. Eine Instabilität wird dann erkannt, wenn ein im Vergleich zur Drehzahl überproportionaler Leistungsabfall erkannt wird. In Abhängigkeit von der Signalverlaufscharakteristik wird auf Rotating Stall S_rot_stall oder Surge S_surge geschlossen. Rotating Stall S_rot_stall wird anhand der geringen Amplitude der Schwingung von P_in bei gleichzeitig hoher Frequenz sicher von Surge S_surge unterschieden, bei dem ein starker Leistungsabfall mit höheren Schwingungsamplituden bei geringerer Frequenz auftritt.
Im Block 18 wird aus der modellierten aufgenommenen Verdichterstufenleistung P_in, der Umlaufzeit T_opr des Rotors 4 und den Zeitstempeln der Einzelschaufeln T_tip der Inzidenzwinkel Alpha_in berechnet. Dabei wird der Umlaufzeit T_opr des Rotors 4 und den Zeitstempeln der Einzelschaufeln T_tip die Schaufelbiegung berechnet, wobei die Einzelschaufeln als Kraftsensoren aufgefasst werden, die eine definierte Federsteifigkeit aufweisen, so dass deren Verbiegung ein Maß für das angreifende Moment und damit die abgegebene Leistung ist. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die Leistungsabgabe stets verlustbehaftet ist, wobei ein Teil der Verlustleistung sich als elastische Schaufelbiegung darstellt.
Ein maßgebendes Kriterium für eine frühe Erkennung von Verdichterinstabilitäten ist die erfindungsgemäß ermittelte Schaufelleistung. Deren Verlauf, welcher in 4 detailliert dargestellt ist, wird zur Früherkennung von Verdichterinstabilitäten genutzt. Im Block 18 wird weiterhin der Inzidenzwinkel Alpha_in und aus diesem das Verdichterstufendruckverhältnis Pi berechnet, wobei durch den Vergleich mit der adaptierten Pumpgrenze Pi_gr der Pumpgrenzabstand D_surge bestimmt werden kann.
In 3 ist die Berechnung der aufgenommenen Verdichterstufenleistung P_in (Block 16 2) detailliert dargestellt. Ein Verdichtermodell 22 wird dabei mit einer angenommenen Leistungsaufnahme P_in beaufschlagt. Über die Modellgleichungen für den Verdichter 9 wird eine Umlaufzeit für den Modellverdichter T_opr_mod ermittelt und in einem Komparator 23 mit einer für den realen Verdichter 9 gemessenen Umlaufzeit T_opr verglichen. Der Ausgang des Komparators 23 wird als Regelabweichung einem Regler 24 an dessen Eingang angelegt, welcher die Eingangsleistung P_in des Modellverdichters so regelt, dass dessen Phasenlage mit der des realen Verdichters 9 übereinstimmt. Mit einer hinreichenden Modellgenauigkeit kann somit die Verdichterstufeneingangsleistung des realen Verdichters 9 anhand der Umlaufzeit T_opr des Rotors 4 modelliert werden.
4 zeigt in einem Diagramm die Umlaufzeit für einen Rotor T_opr (strichlierte Kurve) und die ermittelte Verdichterstufenleistung P_V,k (durchgezogene Kurve), die sich aus der Schaufelleistung der Einzelschaufeln multipliziert mit deren Anzahl ergibt. Es wird ein Zustand betrachtet, bei welchem sich der Verdichter 9 mit fortschreitender Zeit in Richtung seiner Pumpgrenze Pi_gr bewegt. Im Zeitverlauf wird durch fortschreitende Androsselung des Verdichters der Massenstrom vermindert. Mit sich verminderndem Massenstrom sinkt die Pumpgrenze. Die Umlaufzeiten T_opr weisen im Betrieb eine charakteristische Frequenz auf, welche sich in Richtung der Pumpgrenze Pi_gr hinsichtlich der Frequenz und der Amplitude verändert. Die Schwingung wird dabei von den umlaufenden Strömungsablösungszellen überlagert, so dass in Richtung Pumpgrenze Pi_gr eine Änderung der Frequenz und Amplitude der Umlaufzeiten erkennbar ist. Ein auswertbares Signal für die Verdichterinstabilität aus dem isolierten Drehzahlsignal oder der Umlaufzeit T_opr ist jedoch erst kurz vor dem eigentlichen Pumpen generierbar. Um mit einem Stellgliedeingriff z. B. auf verstellbare Leitschaufeln im Verdichter einen Betrieb nahe der Pumpgrenze Pi_gr sicherzustellen, muss eine Erkennung instationären Verdichterverhaltens möglichst früh erfolgen. Verzögerungen ergeben sich hierbei aus der Totzeiten des Systems, die beispielsweise aus der Reaktionszeit der Steller sowie der Totzeit bis zur Auswirkung auf den beginnenden Pumpvorgang begründet sind. In der Zeitdauer des Verdichterumlaufes T_opr bildet sich der beginnende Pumpvorgang ab, ist jedoch nur kurz vor der Verdichterinstabilität detektierbar. Eine frühere Erkennung ist mit der Aufnahme der Schaufelleistung möglich. Das in 4 dargestellte Plateau (der so genannte Überrollbereich) der Schaufelleistung kennzeichnet bereits eine Tendenz in Richtung der eigentlichen Pumpgrenze Pi_gr. Das Plateau der Schaufelleistung bzw. dessen Übergang zu einem Absinken dieser ist kennzeichnend für die beginnende Instabilität. Um ein sicheres Erkennen zu gewährleisten, kann die Auswertung der Schaufelleistung mit einer Analyse von Frequenz und Amplitude der Umlaufzeit kombiniert werden. Die Auswertung der Schaufelleistung generiert dabei eine Früherkennung, wobei durch die Auswertung der Umlaufzeit T_opr eine zusätzliche Sicherheitsstufe geschaffen wird. In einem einfachen Fall der Auswertung wird die Schwankungsbreite der Umlaufzeit über der Drehzahl ausgewertet und bei Erreichen eines Schwellwertes wird eine instabile Strömung erkannt.

1: Triebwerk
2: Welle
3: Brennkammer
4: Rotor
5: Leitgitter
6: Turbinenrotor
7: Sensor
8: Messmarke
9: Verdichter
10: Sensor
11: Turbine
14: Signalverarbeitung
15: Signalverarbeitung
16: Leistungsberechnung aufgenommene Verdichterleistung
17: Berechnung Verdichterzustand
18: Berechnung Schaufelarbeit und Inzidenzwinkel
20: Berechnung Verdichterstufendruckverhältnis Pi
22: Verdichtermodell
23: Komparator
24: Regler
Pi: Verdichterstufendruckverhältnis
Pi_gr: Pumpgrenze
S7: Signal des Sensors 7
S10: Signal des Sensors 10
T_opr: Zeitdauer eines kompletten Verdichterumlaufes
T_opr_mod: Umlaufzeit des Rotors eines Verdichtermodells
T_tip: Zeitstempel der einzelnen Verdichterschaufeln
P_in: aufgenommene modellierte Verdichterleistung
Alpha_in: Inzidenzwinkel
P_V,k: Verdichterstufenleistung
S_rot-stall: Signal für einen umlaufenden Strömungsabriss
S_surge: Signal für Verdichterpumpen
D_surge: Pumpgrenzabstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6474935 B1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verdichters (9), der wenigstens einen Rotor (4) mit an diesem angeordneten Schaufeln aufweist, wobei mit wenigstens einem Sensor (7) die Durchgangszeiten (T_tip) einzelner Schaufeln gemessen werden und aus diesen oder wenigstens einer weiteren Messmarke (8) ein Signal pro Umdrehung des Rotors erzeugt wird, mit dem ein Zeitmerkmal für eine Umdrehung des Rotors (T_opr) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Verdichtermodells (22) aus dem Zeitmerkmal die Zeit für eine Rotorumdrehung (T_opr) oder aus den Durchgangszeiten (T_tip) der Schaufeln eine Leistungsaufnahme (P_in) des Verdichters (9) bestimmt wird, wobei aus der modellierten Leistungsaufnahme (P_in), den gemessenen Durchgangszeiten (T_tip) und dem Zeitmerkmal für eine Rotorumdrehung (T_opr) die Verdichterstufenleistung (P_v,k) bestimmt und aus dem Verlauf der Verdichterstufenleistung (P_v,k) in Relation zum Zeitmerkmal für eine Rotorumdrehung (T_opr) eine Verdichterinstabilität ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme (P_in) des Verdichters (9) bestimmt wird, indem ein Modell eines idealen Verdichters mit einer modellierten, angenommenen Leistungsaufnahme beaufschlagt wird, wobei ein modelliertes Zeitmerkmal für eine Umdrehung des Modellrotors ermittelt (T_opr_mod) und mit dem gemessenen Zeitmerkmal für eine Rotorumdrehung (T_opr) verglichen wird und die sich ergebende Differenz von einem nachgelagerten Regler (24) derart ausgeregelt wird, dass die Phasenlage des Modellrotors mit der des Rotors (4) des realen Verdichters (9) übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 u. 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufenleistung (P_V,k) aus der modellierten aufgenommenen Verdichterstufenleistung (P_V,k) und dem Zeitmerkmal (T_opr) mittels eines nachgeführten Verdichterstufenmodells mit
ermittelt wird, wobei T_tip,k,i die absolute Zeit des Durchgangs von Schaufel i des Verdichterrotors k, T_opr die absolute Zeit des Durchgangs der Wellenmarkierung, t_0,k,i(1/f_R) ein drehzahlabhängiger, aber sonst konstanter Zeitoffset zwischen dem Durchgang der Schaufel i auf dem Verdichterrotor k und der Schaufel i, B_V,k eine Proportionalitätskonstante für den Verdichterrotor k, P_V,k die Leistung des Verdichterrotors k und i die Nummer der Verdichterschaufel ist, die zur Bestimmung der Verdichterstufenleistung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Verdichterstufenleistung (P_V,k) im Verhältnis zum Drehzahlverlauf bewertet wird und bei einem überproportionalen Absinken der Verdichterstufenleistung (P_V,k) im Vergleich zur Drehzahländerung auf eine beginnende Instabilität des Verdichters geschlossen wird, wobei in Abhängigkeit von der sich ausbildenden Frequenz und Amplitude der Umlaufzeiten (T_opr) zwischen Surge und Rotating Stall unterschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer beginnenden Instabilität auf einen rotierenden Strömungsabriss geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der aufgenommenen Verdichterstufenleistung (P_in) und wenigstens dem Zeitmerkmal für eine Rotorumdrehung (T_opr) der Inzidenzwinkel (Alpha_in) und aus diesem das Verdichterstufendruckverhältnis (Pi) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterstufendruckverhältnis (Pi) mit einem die Pumpgrenze kennzeichnenden Verdichterstufendruckverhältnis (Pi_gr) verglichen wird und aus diesem Vergleich der Pumpgrenzabstand (D_surge) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Pumpgrenze kennzeichnenden Verdichterstufendruckverhältnisse (Pi) als Kennfeld über aktuellem Verdichterstufendruck und Drehzahl abgespeichert sind und auf Basis erkannter Instabilität der Strömung die Pumpgrenze (Pi_gr) adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Adaptionsfaktoren für das Kennfeld der Pumpgrenze in einem Adaptionskennfeld gespeichert sind.