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Modellbasiertes Regelkonzept für den störunempfindlichen Betrieb eines Axialverdichters mit reduziertem Pumpgrenzabstand

Wagner, Stefan :
Modellbasiertes Regelkonzept für den störunempfindlichen Betrieb eines Axialverdichters mit reduziertem Pumpgrenzabstand.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modellbasiertes Regelkonzept für den störunempfindlichen Betrieb eines Axialverdichters mit reduziertem Pumpgrenzabstand
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und Bewertung eines Regelsystems, das den Arbeitsbereich von Turboverdichtern durch Zulassen eines reduzierten Abstandes zur aerodynamischen Stabilitätsgrenze erweitert. Darüberhinaus werden Fragestellungen zur Über\-trag\-bar\-keit der Ergebnisse auf industrierelevante Verdichter behandelt. Zu diesem Zweck wird zunächst das Verhalten eines einstufigen axialen Unterschallverdichters bei Regeleingriffen an der Stabilitätsgrenze für ungestörte und gestörte Zuströmung experimentell untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein modellbasiertes Regelkonzept, bestehend aus einer umfangsverteilten Drucksensorik vor dem Rotor, einer 1-d Lamellendrossel als Aktor und einem Digitalen Signalprozessor zur Verarbeitung der Regelalgorithmen erstellt und umgesetzt. Um das Verständnis für die Vorgänge beim Regeln an der Stabilitätsgrenze zu verbessern und die gezielte Auslegung von Regelkreiskomponenten zu ermöglichen, wird ein Modell der Streckendynamik basierend auf Komponentencharakteristiken und Messdaten von Regeleingriffen an der Stabilitätsgrenze erstellt. Besonderer Wert wird auf die Modellierung umlaufender, kurzwelliger Druckstörungen und die mit der Stabilisierung des Verdichters verbundene Hysterese gelegt. Die Auslegung eines robusten, modellbasierten Reglers für den Pumpgrenzabstand, eines Zustandsschätzers zur Rekonstruktion des Pumpgrenzabstandes aus Drucksignalen und eines Stabiliätskriteriums zur Bestimmung der Verdichterstabilität in Echtzeit werden beschrieben. Die Leistungsfähigkeit des Regelkonzeptes wird anhand von Versuchen mit ungestörter und transient gestörter Zuströmung untersucht und bewertet. Zur Untersuchung der Übertragbarkeit wird das Verfahren zur Rekonstruktion der Verdichterstabilität in Echtzeit an Messdaten von Stalleintritten eines mehrstufigen und eines hochbelasteten Transsonikverdichters erprobt und abschließend bewertet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present thesis reports on the development and assessment of a control system to enlarge an axial compressor's operational range by allowing compressor operation with reduced surge margin. First the behaviour of a single-stage subsonic axial compressor during active stabilization after the onset of rotating stall was investigated experimentally for clean and distorted inlet flow. Based on these results, a prototype comprising a model based control system, a circumferential casing-mounted pressure sensor array in front of the rotor, a 1-d dynamic throttle for actuation and a digital signal processor for the control algorithms was developed. To gain additional insight in the underlying mechanisms for control action and to improve the control system components a simple 1-d lumped parameter model of the compression system dynamics was derived based on measured component characteristics. Additional effort was made to model the transport of short wave-length stall related pressure disturbances around the compressor annulus. A model to predict the hysteresis in mass flow for the stabilisation of a stalled compressor is presented. The design of a robust, model based controller to control the surge margin, a nonlinear observer to estimate the current surge margin from static pressure measurements and a compressor stability estimation scheme is presented in detail. The performance of the control system is assessed by experiments with clean and distorted inlet flow. The successful application of the stability estimation scheme to transient stall data of a multi-stage and two transonic compressors is presented. Finally improvements of the control system for application to industrial-type compressors are proposed.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000256
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2562
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Nordmann, Prof. Dr.- R.
Advisors: Hennecke, Prof. D. K.; Ph.D.
Refereed: 15 August 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/256
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