DE102012210315B4 - Maintenance, repair and / or repair procedures for a gas turbine - Google Patents
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Abstract
Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren für eine Gasturbine, wobei Messdaten von wenigstens zwei Betriebspunkten entlang der Betriebslinie eines Gasturbinenmoduls gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Mittenschnittverfahrens unter Verwendung eines Verlustmodells ein Kennfeld für das Gasturbinenmodul erstellt wird, wobei das Kennfeld durch Variation von Verlustfaktoren des Verlustmodells an die Messdaten angepasst wird.Maintenance, servicing and / or repair method for a gas turbine, wherein measured data are measured from at least two operating points along the operating line of a gas turbine module, characterized in that a map for the gas turbine module is created by means of a Mittenschnittverfahrens using a loss model, the Characteristic map is adapted to the measured data by varying loss factors of the loss model.
Description
Die Erfindung betrifft ein Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren für eine Gasturbine, wobei Messdaten von wenigstens zwei Betriebspunkten entlang der Betriebslinie eines Gasturbinenmoduls gemessen werden.The invention relates to a maintenance, servicing and / or repair method for a gas turbine, wherein measured data are measured from at least two operating points along the operating line of a gas turbine module.
Mittels eines Kennfelds einer Gasturbine oder eines Moduls einer Gasturbine, wie beispielsweise Verdichter oder Turbine, lässt sich die entsprechende Leistungsfähigkeit bewerten.By means of a map of a gas turbine or a module of a gas turbine, such as compressor or turbine, the corresponding performance can be assessed.
Vollständige thermodynamische Modelle und Kennfelder können durch aufwendige Messkampagnen erstellt werden, diese sind jedoch fast ausschließlich im Rahmen der Gasturbinenentwicklung wirtschaftlich durchführbar, so dass diese Modelle den Betreibern und Wartungsbetrieben in der Regel nicht zur Verfügung stehen.Complete thermodynamic models and maps can be created through elaborate measurement campaigns, but these are almost exclusively economically feasible in the context of gas turbine development, so these models are usually not available to the operators and maintenance companies.
Wartungsbetriebe und Betreiber von Gasturbinen verwenden daher Methoden, um aus den ihnen verfügbaren Messdaten der Betriebslinie dennoch thermodynamische Modelle erstellen zu können. Es werden üblicherweise frei in der Literatur verfügbare Kennfelder experimenteller Gasturbinenmodule, wie Verdichter oder Turbinen, so skaliert und verzerrt, dass die skalierten, generischen Kennfelder mit einem Referenzpunkt zu den gemessenen Messdaten passen.Maintenance companies and operators of gas turbines therefore use methods to be able to create thermodynamic models from the measurement data available to them from the operating line. Maps of experimental gas turbine modules, such as compressors or turbines, that are freely available in the literature are usually scaled and distorted so that the scaled generic maps match a reference point to the measured data measured.
Solche Methoden sind beispielsweise aus Kong, C., Ki, J., Kang, M., 2003: „A New Scaling Method for Component Maps of Gas Turbine Using System Identification”, Journal of Engineering of Gas Turbines and Power, Vol. 125, Oct. 2003, p 979–985 oder aus Kurske, J., 2005: „How to create a Performance Model of a Gas Turbine from a limited amount of Information”, Proceedings Of The ASME Turbo Expo (2005), Vol. 2005, Issue GT2005-68536, p 145–153, bekannt.Such methods are described, for example, in Kong, C., Ki, J., Kang, M., 2003: "A New Scaling Method for Component Maps of Gas Turbine Using System Identification", Journal of Engineering of Gas Turbines and Power, Vol. 125 , Oct. 2003, p 979-985 or from Kurske, J., 2005: "How to create a performance model of a gas turbine from a limited amount of information", Proceedings of The ASME Turbo Expo (2005), Vol. 2005, Issue GT2005 -68536, p 145-153, known.
Bei diesen Methoden besteht keinerlei Bezug zwischen der Geometrie der Komponenten der Gasturbine und dem Kennfeld. Dies kann zu unrealistischen Kennfeldern und thermodynamischen Modellen abseits der Referenzpunkte, die zur Skalierung verwendet werden, führen. Weiterhin können veränderte Geometrien von Bauteilen der Gasturbine oder eines Gasturbinenmoduls nicht in Bezug zu Veränderungen der Betriebseigenschaften gebracht werden. Eine Bewertung von Abnutzungserscheinungen und Detailverbesserung der Gasturbine ist daher nicht möglich.In these methods, there is no relation between the geometry of the components of the gas turbine and the map. This can lead to unrealistic maps and thermodynamic models away from the reference points used for scaling. Furthermore, altered geometry of components of the gas turbine or a gas turbine engine may not be related to changes in operating characteristics. An evaluation of wear and detailed improvement of the gas turbine is therefore not possible.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren anzugeben, das die oben genannten Nachteile überkommt.The object of the invention is to provide a maintenance, repair and / or repair method that overcomes the above-mentioned disadvantages.
Die Aufgabe der Erfindung wird ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Bei einem Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren für eine Gasturbine, wobei Messdaten von wenigstens zwei Betriebspunkten entlang der Betriebslinie eines Gasturbinenmoduls gemessen werden, wird erfindungsgemäß mittels eines Mittenschnittverfahrens unter Verwendung eines Verlustmodells ein Kennfeld für das Gasturbinenmodul erstellt, wobei das Kennfeld durch Variation von Verlustfaktoren des Verlustmodells an die Messdaten angepasst wird.The object of the invention is achieved on the basis of the preamble of claim 1 with its characterizing features. In a maintenance, servicing and / or repair method for a gas turbine, wherein measured data are measured from at least two operating points along the operating line of a gas turbine module, a map for the gas turbine module is created according to the invention by means of a center-cut method using a loss model, the map is adapted to the measured data by varying loss factors of the loss model.
Ein Mittenschnittverfahren ist ein eindimensionales Verfahren, um ein Kennfeld einer Gasturbine bzw. eines Gasturbinenmoduls anhand der Geometrie zu berechnen. Es handelt sich um ein eindimensionales Verfahren, das bisher nur zur Auslegung von Gasturbinen in der Designphase angewendet wird. Die dreidimensionalen Effekte werden durch empirische Verlustmodelle mit verschiedenen Verlustfaktoren simuliert. Verlustfaktoren können zum Beispiel Auftreffverluste, Abweichung von dem optimalen Anstellwinkel, Profilverluste, Endwandverluste oder Endwandstörungen sein.A center intersection method is a one-dimensional method for calculating a characteristic curve of a gas turbine or a gas turbine module on the basis of the geometry. It is a one-dimensional process that has previously only been used to design gas turbines in the design phase. The three-dimensional effects are simulated by empirical loss models with different loss factors. Loss factors can be, for example, impact losses, deviation from the optimal angle of attack, profile losses, end wall losses or end wall faults.
Für ein realitätsnahes Mittenschnittmodell und ein entsprechendes aus dem Modell generierbares Kennfeld werden die Verlustfaktoren der empirischen Verlustmodelle so skaliert, dass das berechnete Kennfeld aus dem Mittenschnittverfahren mit den Messdaten übereinstimmt.For a realistic center-section model and a corresponding map that can be generated from the model, the loss factors of the empirical loss models are scaled such that the calculated map from the center-section method agrees with the measured data.
Das Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren kann zur Effizienzsteigerung bei Wartungs- und Reparaturarbeiten beitragen, da insbesondere durch eine Analyse während des regulären Betriebs vor einem Wartungszyklus der momentane Zustand der Gasturbine erfasst werden kann. Der Zustand der Gasturbine kann daher im Vorfeld zur Wartungsplanung herangezogen werden. Weiterhin kann eine Zuordnung von Fehlerquellen durch die Kenntnis der Verlustfaktoren und der Zustände der einzelnen Module der Gasturbine zu einer effizienteren Wartung führen.The maintenance, repair and / or repair process can contribute to increasing the efficiency of maintenance and repair work, since in particular by an analysis during regular operation before a maintenance cycle, the current state of the gas turbine can be detected. The state of the gas turbine can therefore be used in advance for maintenance planning. Furthermore, an allocation of error sources by the knowledge of the loss factors and the states of the individual modules of the gas turbine can lead to a more efficient maintenance.
Aufgrund der Vielzahl der möglichen Verlustfaktoren für jedes Verlustmodell sowie der breiten Skalierbarkeit ergibt sich für einen Triebwerksingenieur eine iterative Anpassung dieser Verlustfaktoren und eine iterative Neuberechnung des Mittenschnittmodells.Because of the multitude of possible loss factors for each loss model and the broad scalability, an engine engineer will need to iteratively adjust these loss factors and iteratively recalculate the midline model.
Vorzugsweise werden die Verlustfaktoren mittels eines Software-basierten Optimierers automatisch an die Messdaten angepasst, wobei der Optimierer die Verlustfaktoren innerhalb vorbestimmter Grenzen systematisch variiert und mindestens eine Zielfunktion in Form einer Abweichung der Messdaten von den mittels des Mittenschnittverfahrens berechneten Werten optimiert. Eine manuelle Anpassung der Verlustfaktoren ist aber nicht grundsätzlich ausgeschlossen. The loss factors are preferably automatically adapted to the measurement data by means of a software-based optimizer, wherein the optimizer systematically varies the loss factors within predetermined limits and optimizes at least one objective function in the form of a deviation of the measurement data from the values calculated using the center average method. A manual adjustment of the loss factors is not excluded in principle.
Das Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren führt aufgrund der bevorzugten optimierten und automatisierten Anpassung der Verlustfaktoren schnell zu Kennfeldern von Gasturbinen oder Teilen bzw. Modulen von Gasturbinen mit guter Genauigkeit. Die notwendigen Messdaten können mit einer üblichen Instrumentierung einer Gasturbine erreicht werden, so dass insbesondere die einem Betreiber oder Wartungsbetrieb zur Verfügung stehenden Daten für eine erfolgreiche Beschreibung bzw. Erstellung von thermodynamischen Modellen ausreichend sein können. Die Erstellung von thermodynamischen Modellen aus Messdaten und der entsprechenden Ableitung von Kennfeldern kann dabei zuverlässig und unabhängig von der Erfahrung eines Bedieners erfolgen.The maintenance, service and / or repair process quickly leads to maps of gas turbines or parts or modules of gas turbines with good accuracy due to the preferred optimized and automated adjustment of the loss factors. The necessary measurement data can be achieved with a conventional instrumentation of a gas turbine, so that in particular the data available to an operator or maintenance operation can be sufficient for a successful description or creation of thermodynamic models. The creation of thermodynamic models from measured data and the corresponding derivation of maps can be done reliably and independently of the experience of an operator.
Das Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren kann dabei mit angemessener Rechenleistung auch für einzelne Gasturbinen durchgeführt werden, so dass die Kennfelder auch spezifisch für einzelne Gasturbinen und/oder Module von Gasturbinen angewandt werden können, so dass sich eine Vergleichbarkeit von einzelnen Gasturbinen des gleichen Typs ergibt.The maintenance, repair and / or repair process can be carried out with appropriate computing power for individual gas turbines, so that the maps can also be used specifically for individual gas turbines and / or modules of gas turbines, so that comparability of individual Gas turbines of the same type results.
Auf Basis der mit dem Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren erstellten thermodynamischen Modelle für existierende Gasturbinen können schnell auf den Gasturbinenzustand bezogene Kennfelder erstellt werden. Diese ermöglichen eine einfache und verbesserte Analyse der Betriebsdaten, wobei die Betriebsdaten auf einem Triebwerksteststand und/oder im Flug gemessen werden können.Based on the thermodynamic models for existing gas turbines created by the maintenance, service and / or repair procedure, maps relating to the gas turbine state can be created quickly. These allow a simple and improved analysis of the operating data, whereby the operating data can be measured on an engine test stand and / or in flight.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Betriebspunkt durch die Drehzahl und das Druckverhältnis als Randbedingung definiert. Dies ist vorteilhaft, da die Drehzahl und das Druckverhältnis einer vergleichsweise genauen Messung zugänglich sind.In an advantageous embodiment, the operating point is defined by the rotational speed and the pressure ratio as a boundary condition. This is advantageous because the speed and the pressure ratio of a relatively accurate measurement are accessible.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform wird der Betriebspunkt durch die Drehzahl und den Massenstrom als Randbedingung definiert.In an alternative advantageous embodiment, the operating point is defined by the rotational speed and the mass flow as a boundary condition.
Vorzugsweise werden die übrigen Größen des Kennfeldes als Kontrollgrößen mit den Messdaten verglichen. Die übrigen Größen des Kennfeldes können Druckverhältnis, Massenstrom, Wirkungsgrad und/oder Drehzahl sein. Weitere Messdaten können durch einen Vergleich zur Verifikation der Ergebnisse und/oder zur Fehlerabschätzung herangezogen werden.The remaining variables of the characteristic diagram are preferably compared as control variables with the measured data. The remaining variables of the characteristic map can be pressure ratio, mass flow, efficiency and / or speed. Further measurement data can be used by comparison for verification of the results and / or for error estimation.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Messdaten bei an einem Flugzeug montierter Gasturbine gemessen. Ein Aufnehmen von Messdaten an einem Flugzeug oder einem Luftfahrzeug ist vorteilhaft, weil hierdurch die aufwendige Demontage der Gasturbine von einem Flugzeug und ein Aufbau auf einem Teststand vermieden werden kann. Weiterhin kann der Testort durch die Beweglichkeit des Flugzeugs nahezu beliebig sein, was die Aufwendungen für das Aufnehmen von Messdaten deutlich reduziert.In an advantageous embodiment, the measured data are measured in the case of a gas turbine mounted on an aircraft. Recording of measurement data on an aircraft or an aircraft is advantageous because in this way the costly disassembly of the gas turbine from an aircraft and a construction on a test stand can be avoided. Furthermore, the test location due to the mobility of the aircraft can be almost arbitrary, which significantly reduces the cost of recording measurement data.
Weiterhin werden die Messdaten in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel im Flug gemessen. Die Messung von Messdaten im Flug führt zu einer Vielzahl möglicher Betriebspunkte, die aufgenommen werden können, da eine Vielzahl von Randbedingungen beispielsweise unter anderem durch verschiedene Flughöhen erreicht werden kann. Darüber hinaus sind Langzeitmessungen an einer Gasturbine möglich, die aufgrund der gleichzeitigen Nutzung der Gasturbine im regulären Betrieb im Vergleich zu einem längerfristigen Betrieb auf einem Teststand deutlich wirtschaftlicher erfolgen können. Die aufgenommenen Messdaten können weiterhin mit dem Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren zu einer genauen Zustandsüberwachung der Gasturbine führen.Furthermore, the measured data are measured in an advantageous embodiment in flight. The measurement of measurement data in flight leads to a large number of possible operating points that can be recorded, since a large number of boundary conditions can be achieved, for example, by different altitudes. In addition, long-term measurements on a gas turbine are possible, which can be done much more economically due to the simultaneous use of the gas turbine in regular operation compared to a longer-term operation on a test stand. The recorded measurement data can continue to lead with the maintenance, repair and / or repair process to an accurate condition monitoring of the gas turbine.
Bei der Aufnahme von Messdaten im Flug ist das Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren vorteilhaft, weil die Standardinstrumentierung einer Gasturbine im Nutzerbetrieb eine ausreichende Menge und Qualität von Messdaten aufnehmen kann, um eine genaue Kennfelderstellung erreichen zu können. Daher kann eine Analyse von Betriebsdaten mit dem Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren während eines regulären Betriebs einer Gasturbine durchgeführt werden, wobei der reguläre Betrieb vornehmlich innerhalb von Zeiten stattfindet, in denen eine Gasturbine beispielsweise ununterbrochen an einem Flugzeug montiert ist. Ein aufwendiger Ausbau der Gasturbine kann somit entbehrlich sein.When recording measurement data in flight, the maintenance, repair and / or repair method is advantageous because the standard instrumentation of a gas turbine in the user mode can accommodate a sufficient amount and quality of measurement data in order to achieve an accurate map position can. Therefore, an analysis of operating data may be performed with the maintenance, service and / or repair procedure during regular operation of a gas turbine, wherein the regular operation takes place primarily within times when a gas turbine is continuously mounted on an aircraft, for example. A complex expansion of the gas turbine can thus be dispensable.
Vorzugsweise stellt die Zielfunktion eine relative Abweichung der Messdaten von den mittels des Mittenschnittverfahrens berechneten Werten dar. Die Zielfunktion kann auf diese Weise eine Abweichung der Kennfelder, die durch das Mittenschnittverfahren erstellt werden, von den Messwerten bestimmen, wodurch eine Bewertung der Skalierung der Verlustfaktoren möglich wird.Preferably, the objective function represents a relative deviation of the measurement data from the values calculated by means of the center-cut method. The objective function can thus determine a deviation of the maps produced by the center-cut method from the measurement values, thereby making it possible to evaluate the scaling of the loss factors ,
Der Optimierer verwendet vorzugsweise einen Genetischen Algorithmus. Dies ermöglicht ein effizientes Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren, das zudem vergleichsweise einfach an neue Verlustmodelle angepasst werden kann. The optimizer preferably uses a genetic table algorithm. This enables an efficient maintenance, repair and / or repair process, which can also be adapted relatively easily to new loss models.
Weiterhin wird vorzugsweise ein Multipler Optimierer verwendet, der eine Mehrzahl von Zielfunktionen insbesondere nach dem Prinzip der Pareto-Optimierung nutzt. Die Pareto-Optimierung ermöglicht eine gleichzeitige Optimierung von mehreren Zielen, die durch die Mehrzahl von Zielfunktionen abgebildet werden.Furthermore, a multiple optimizer is preferably used, which uses a plurality of target functions, in particular according to the principle of Pareto optimization. Pareto optimization allows for simultaneous optimization of multiple targets mapped by the plurality of objective functions.
Vorzugsweise sind in mindestens einer Zielfunktion Gewichtungsfaktoren für Messgrößen vorgesehen. Die Gewichtung von Messgrößen kann beispielsweise anhand der Messsicherheit der jeweiligen Messgröße erfolgen, so dass eine unterschiedliche Genauigkeit im Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren berücksichtigt wird.Preferably, weighting factors for measured variables are provided in at least one target function. The weighting of measured variables can, for example, be based on the measuring reliability of the respective measured variable, so that a different accuracy in the maintenance, servicing and / or repair method is taken into account.
Die Verlustfaktoren werden vorteilhafterweise über den Betriebsbereich des Gasturbinenmoduls als konstant angenommen. Dies ermöglicht eine Vereinfachung der Analyse einer Gasturbine, wobei diese Näherung die resultierende Qualität der Ergebnisse geringfügig beeinflusst.The loss factors are advantageously assumed to be constant over the operating range of the gas turbine module. This allows a simplification of the analysis of a gas turbine, this approximation slightly affecting the resulting quality of the results.
Vorzugsweise werden die Messdaten in jedem Betriebspunkt an einer Mehrzahl von Gasturbinen des gleichen Gasturbinentyps gemessen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, ein durchschnittliches Kennfeld für einen Gasturbinentyp und/oder Gasturbinenmodule des gleichen Typs in eine sehr genaue Modellbildung zu überführen. Schwankungen in der Messgenauigkeit bei den Messungen, zwischen den einzelnen Gasturbinen und dem zugehörigen Zustand können auf diese Weise gemittelt werden, wodurch ein allgemein für einen Gasturbinentyp gültiges Kennfeld erstellt werden kann.Preferably, the measurement data are measured at each operating point on a plurality of gas turbines of the same gas turbine type. This results in the possibility of converting an average characteristic diagram for a gas turbine type and / or gas turbine modules of the same type into a very accurate modeling. Variations in the measurement accuracy in the measurements, between the individual gas turbines and the associated state can be averaged in this way, whereby a generally valid for a gas turbine type map can be created.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert.The invention will be explained below with reference to preferred embodiments.
Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine Anpassung der Verlustfaktoren für die Berechnung eines Kennfelds eines Moduls eines Flugtriebwerks, in diesem Falle eines Verdichters, vorgenommen.In the following embodiment, an adjustment of the loss factors for the calculation of a map of a module of an aircraft engine, in this case a compressor made.
Es stehen beispielsweise Messdaten von sechs Betriebspunkten an unterschiedlichen Stellen der Betriebslinie zur Verfügung. Jeder Datensatz besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus den folgenden Werten: Drehzahl, Druckverhältnis, Wirkungsgrad und Massenstrom. Druckverhältnis und Wirkungsgrad können direkt aus den Messwerten Druck und Temperatur abgeleitet werden.For example, measurement data from six operating points are available at different points on the operating line. Each data set consists in this embodiment of the following values: speed, pressure ratio, efficiency and mass flow. Pressure ratio and efficiency can be derived directly from the measured values pressure and temperature.
Der Betriebspunkt wird beispielsweise durch Drehzahl und Druckverhältnis definiert. Dies ist z. B. bezüglich des Druckverhältnisses vorteilhaft gegenüber dem Massenstrom, da das Druckverhältnis als direkter Messwert genauer ist als der abgeleitete Massenstrom. Die weiteren Kenngrößen, wie z. B. Massenstrom und Wirkungsgrad, können als Kontrollgrößen verwendet werden.The operating point is defined, for example, by speed and pressure ratio. This is z. B. with respect to the pressure ratio advantageous over the mass flow, since the pressure ratio as a direct reading is more accurate than the derived mass flow. The other parameters, such. B. mass flow and efficiency, can be used as control variables.
Für den Verdichter wird weiterhin ein Mittenschnittmodell erstellt, wobei das Mittenschnittmodell die Geometrie des Verdichters beschreibt. Die Geometrie des Verdichters kann unter anderem durch die Kontur des Strömungskanals, über Werte für Naben und Gehäusedurchmesser sowie Ein- und Austritt jeder Schaufelreihe beschrieben werden. Die Schaufeln des Verdichters sind in den drei Schnitten Nabe, Mitte und Gehäuse beschrieben. Weiterhin kann die Beschreibung durch die Winkel, Dicke, Ein- und Austrittsradien sowie die Flächen erfolgen. Als Schaufelprofiltyp kann beispielsweise ein Mehrkreisprofil bzw. Multi-Circular Arc (MCA) oder Double-Circular Arc (DCA) gewählt werden.For the compressor, a center-cut model is furthermore created, the center-cut model describing the geometry of the compressor. The geometry of the compressor can be described inter alia by the contour of the flow channel, via values for hubs and housing diameter as well as inlet and outlet of each blade row. The blades of the compressor are described in the three sections hub, center and housing. Furthermore, the description can be made by the angle, thickness, inlet and outlet radii and the surfaces. As a blade profile type, for example, a multi-circle profile or multi-circular arc (MCA) or double-circular arc (DCA) can be selected.
Die Anpassung des Mittenschnittmodells (Mean Line Model) an die gemessenen Betriebspunkte erfolgt durch die Anpassung von Verlustfaktoren empirischer Verlustmodelle für das entsprechende Modul einer Gasturbine, in diesem Ausführungsbeispiel ein Verdichter.The adaptation of the mid-line model (Mean Line Model) to the measured operating points is achieved by adjusting loss factors of empirical loss models for the corresponding module of a gas turbine, in this embodiment a compressor.
Als Verlustmodell wird in diesem Ausführungsbeispiel das Verlustmodell nach „Koch & Smith” für Verdichter verwendet. Alternativ oder ergänzend kann das Verlustmodell nach „Wright & Miller” verwendet werden. Darüber hinaus können andere Verlustmodelle, die sich für andere Module einer Gasturbine eignen, verwendet werden, wie z. B. „Ainley-Mathieson”, „Dunham-Came”, „Kacker-Okapuu” und/oder „Moustapha-Kacker”. Derartige Modelle sind unter anderem beschrieben in Koch, C. C., Smith, Jr., L. H., 1976: ”Loss Sources and Magnitudes in Axial-Flow Compressors”, Journal of Engineering for Power, July 1976, p 411–424; Kacker, S. C., Okapuu, U., 1982: ”A Mean Line Prediction Method for Axial Flow Turbine Efficiency”, Journal of Engineering for Power, January 1982, Vol. 104, p 111–119; Ainley, D. G., Mathieson, G. C. R, 1951: ”A Method of Performance Estimation for Axial-Flow Turbines”, Reports and Memoranda No. 2974, December 1951; Moustapha, S. H., Kacker, S. C., Tremblay, B., 1990: ”An Improved Incidence Losses Prediction Method for Turbine Airfoils”, Journal of Turbomachinery, April 1990, Vol. 112, p 267–276; Dunham, J., Came, P. M., 1970: ”Improvements to the Ainley-Mathieson Method of Turbine Performance Prediction”, Journal of Engineering for Power, July 1970, p 252–256 und Wright, P. I., Miller, D. C., 1991: ”An Improved Compressor Prediction Model”, Paper C423/028, Turbomachinery: Latest Developments in a Changing Scene, Proc. I. Mech. E., 1991–3, p. 69–75. In diesem Ausführungsbeispiel kann eine Anpassung bzw. Skalierung der Verlustfaktoren für die folgenden Verlustkomponenten erfolgen: Auftreffverluste (incidence loss), Abweichung vom optimalen Anstellwinkel (optimum incidence angle deviation), Profilverluste (profile loss), Endwandverluste (end-wall loss) und/oder Endwandstörungen (end-wall blockage).As a loss model, the "Koch & Smith" loss model for compressors is used in this embodiment. Alternatively or additionally, the loss model according to "Wright & Miller" can be used. In addition, other loss models that are suitable for other modules of a gas turbine can be used, such. "Ainley-Mathieson", "Dunham-Came", "Kacker-Okapuu" and / or "Moustapha-Kacker". Such models are described inter alia in Koch, C.C., Smith, Jr., L.H., 1976: "Loss Sources and Magnitudes in Axial Flow Compressors", Journal of Engineering for Power, July 1976, p 411-424; Kacker, S.C., Okapuu, U., 1982: "A Mean Line Prediction Method for Axial Flow Turbine Efficiency," Journal of Engineering for Power, January 1982, Vol. 104, p. 111-119; Ainley, D.G., Mathieson, G.C.R., 1951: "A Method of Performance Estimation for Axial-Flow Turbines", Reports and Memoranda no. 2974, December 1951; Moustapha, S.H., Kacker, S.C., Tremblay, B., 1990: "An Improved Incidence Losses Prediction Method for Turbine Airfoils", Journal of Turbomachinery, April 1990, Vol. 112, p 267-276; Dunham, J., Came, PM, 1970: "Improvements to the Ainley-Mathieson Method of Turbine Performance Prediction," Journal of Engineering for Power, July 1970, p 252-256, and Wright, PI, Miller, DC, 1991: " An Improved Compressor Prediction Model ", Paper C423 / 028, Turbomachinery: Latest Developments in a Changing Scene, Proc. I. Mech. E., 1991-3, p. 69-75. In this embodiment, scaling of the loss factors may occur for the following loss components: incidence loss, optimum incidence angle deviation, profile loss, end-wall loss, and / or End-wall blockage.
Für den Software-basierten Optimierer werden in einem möglichen Ausführungsbeispiel zwei Zielfunktionen erstellt, die jeweils die Summe der jeweiligen relativen Abweichungen einer Kenngröße der einzelnen Betriebspunkte darstellen. Durch Minimierung der beiden Zielfunktionen durch einen Multiplen Optimierer, dies kann z. B. auch ein Genetischer Algorithmus sein, werden die Verlustfaktoren so angepasst, dass beide Zielfunktionen eine möglichst geringe relative Abweichung von Modellwerten und Messwerten aufweisen, so dass eine bestmögliche Übereinstimmung von Mittenschnittmodell und den gemessenen Betriebspunkten an den Betriebspunkten und allgemein mit dem Verhalten der Gasturbine bzw. mit dem Modul einer Gasturbine erreicht wird.For the software-based optimizer two target functions are created in a possible embodiment, each representing the sum of the respective relative deviations of a characteristic of the individual operating points. By minimizing the two objective functions by means of a multiple optimizer, this can be done e.g. B. also be a genetic algorithm, the loss factors are adjusted so that both target functions have the lowest possible relative deviation of model values and measurements, so that a best match of centerline model and the measured operating points at the operating points and generally with the behavior of the gas turbine or . is achieved with the module of a gas turbine.
Alternativ kann auch mit einer gemeinsamen Zielfunktion gearbeitet werden. Dabei kann in der Zielfunktion die Sicherheit bezüglich der Genauigkeit der Messwerte durch Verwendung entsprechender Gewichtungsfaktoren berücksichtigt werden. Weiterhin ist es möglich, auch mehr als zwei Zielfunktionen zu verwenden.Alternatively, it is also possible to work with a common objective function. In the objective function, the safety with regard to the accuracy of the measured values can be taken into account by using corresponding weighting factors. It is also possible to use more than two target functions.
Die Werte der Verlustfaktoren werden mit Randbedingungen versehen, so dass der mögliche Lösungsraum auf ein sinnvolles Maß beschränkt werden kann. Es kann beispielsweise der Verlustfaktor für die Abweichung vom optimalen Anstellwinkel auf ±5° begrenzt werden.The values of the loss factors are provided with boundary conditions, so that the possible solution space can be limited to a reasonable extent. For example, the loss factor for the deviation from the optimum angle of attack can be limited to ± 5 °.
Der Software-basierte Optimierer, der vorzugsweise in einer Datenverarbeitungseinrichtung implementiert ist, variiert die Verlustfaktoren des Verlustmodells innerhalb vorbestimmter Grenzen systematisch, so dass sich die berechneten Betriebspunkte, die aus dem Mittenschnittmodell entnommen werden, an die gemessenen Betriebspunkte annähern. Das Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren kann vorzugsweise iterativ erfolgen und minimiert die Abweichung der Werte des Modells von den Messdaten in Form der Zielfunktion.The software-based optimizer, which is preferably implemented in a data processing device, systematically varies the loss factors of the loss model within predetermined limits so that the calculated operating points taken from the center-cut model approximate the measured operating points. The maintenance, servicing and / or repair method can preferably be carried out iteratively and minimizes the deviation of the values of the model from the measured data in the form of the objective function.
Als Ergebnis aus dem Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren kann nicht nur das mit relativ wenigen Messpunkten erstellte thermodynamische Modell des entsprechenden Moduls oder der entsprechenden Gasturbine verwendet werden. Weiterhin können die skalaren Werte der Verlustfaktoren für eine Analyse des Moduls oder der Gasturbine wertvolle Informationen über den Zustand, Verschleiß und den dienlichsten Überholungsvorgang sein.As a result of the maintenance, servicing and / or repair process, not only the thermodynamic model of the corresponding module or gas turbine made with relatively few measurement points can be used. Furthermore, the scaling values of the loss factors for analysis of the module or gas turbine may be valuable information about the condition, wear, and the most serviceable overhaul process.
Das Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren erlaubt eine gleichbleibend hohe Qualität der thermodynamischen Modelle, was eine effektive und schnelle Modellerstellung für einzelne Gasturbinen z. B. des gleichen Typs ermöglicht. Hierdurch werden einzelne Gasturbinen untereinander vergleichbar, was die Bewertung des Verschleißzustands und der Effektivität von Detailverbesserungen und/oder Reparaturverfahren ermöglicht. Die getroffenen Maßnahmen sowie der spezifische Treibstoffverbrauch können mit Hilfe des Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahrens gut quantifiziert werden.The maintenance, repair and / or repair process allows a consistently high quality of the thermodynamic models, resulting in an effective and fast model creation for individual gas turbines z. B. of the same type allows. As a result, individual gas turbines are comparable with each other, which allows the assessment of the state of wear and the effectiveness of detail improvements and / or repair procedures. The measures taken and the specific fuel consumption can be well quantified using the maintenance, repair and / or repair procedure.
Die thermodynamischen Modelle können mit dem Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren mit vergleichsweise wenigen Messdaten erstellt werden, so dass die Auswertung einzelner Gasturbinen oder einzelner Module wirtschaftlich durchgeführt werden kann, was üblicherweise nur bei der Entwicklung eines neuen Gasturbinentyps möglich ist.The thermodynamic models can be created with the maintenance, maintenance and / or repair method with relatively few measurement data, so that the evaluation of individual gas turbines or individual modules can be carried out economically, which is usually only possible in the development of a new gas turbine type.
Das Wartungs-, Instandhaltungs- und/oder Reparatur-Verfahren kann dazu eingesetzt werden, Gasturbinen, wie z. B. Turbofantriebwerke an einem Flugzeug, in regelmäßigen Abständen auszuwerten bzw. zu analysieren. Die entsprechenden Messpunkte können hierbei während des Regulärbetriebs einer Gasturbine gewonnen werden, so dass ein thermodynamisches Modell des aktuellen Zustands der Gasturbine erstellt werden kann, während die Gasturbine im Regulärbetrieb an einem Flugzeug betrieben wird. Auf diese Weise kann beispielsweise durch die Überwachung von Verlustfaktoren im Zeitverlauf der Verschleiß einzelner Komponenten eines Moduls außerhalb der Wartungsintervalle überwacht werden. Dies kann beispielsweise bei einer geplanten Wartung im Vorfeld berücksichtigt werden, so dass die Überholung und Reparatur eines Triebwerks effizienter und wirtschaftlicher ausgeführt werden kann.The maintenance, repair and / or repair process can be used to gas turbines, such. B. turbofan engines on an aircraft to evaluate at regular intervals or analyze. The corresponding measurement points can be obtained during the regular operation of a gas turbine, so that a thermodynamic model of the current state of the gas turbine can be created while the gas turbine is operated in regular mode on an aircraft. In this way, for example, by monitoring loss factors over time, the wear of individual components of a module outside the maintenance intervals can be monitored. This can be taken into account, for example, in the case of planned maintenance in advance, so that the overhaul and repair of an engine can be carried out more efficiently and economically.
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