Development of fault detection, state estimation, closed-loop control and mixed-integer optimal control methods for pulsating detonation combustors using an acoustic mock-up test rig

Aktuelle Forschungsbestrebungen zur Effizienzsteigerung von Gasturbinen verfolgen häufig den Ansatz eines Wechsels des zugrundeliegenden Kreisprozesses weg vom Brayton- hin zum Humphrey-Kreisprozess. Eine vielversprechende Möglichkeit, diesen Kreisprozess technischzu realisieren, ist durch den Einsatz einer pulsierenden, druckerhöhenden Detonationsbrennkammer gegeben. Eine solche Brennkammer besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von kreisförmig angeordneten Detonationsrohren, welche über ein ringförmiges Plenum an die nachgeschaltete Turbine angeschlossen sind. Durch den Einsatz von pulsierend betriebenen Detonationsrohren im Umfeld der benachbarten Turbokomponenten der Gastrubine ergibt sich jedoch eine Vielzahl von Herausforderungen. Die vorliegende Arbeit liefert einen Forschungsbeitrag zur Thematik, wie mit einigen dieser Herausforderungen, durch eine geeignete Feuersynchronisation der Detonationsrohre, umgegangen werden kann, um so einen zuverlässigen Betrieb einer Gastrubine mit pulsierender Detonationsbrennkammer zu ermöglichen. Die dabei untersuchten Herausforderungen sind. • die Minimierung von Druckschwankungen im Ringspaltplenum, um möglichst homogene Anströmbedingungen für eine nachgeschaltete Turbine zu realisieren, • die zuverlässige Wiederbefüllung der Detonationsrohre mit Frischluft vom Verdichter gegen den Mitteldruck einer druckerhöhenden Brennkammer, • die Fehlererkennung von ausgefallenen Detonationsrohren mittels Drucksensoren im nachgeschalteten Plenum. Zu diesem Zweck wird ein rein akustischer Ersatzprüfstand vorgestellt, welcher diese Herausforderungen im Rahmen einer einfach zu handhabenden Umgebung experimentell abbildet. Dabei werden die Detonationsrohre einer pulsierenden Detonationsbrennkammer durch Lautsprecher ersetzt, welche die akustische Signatur von Detonationsereignissen imitieren. Diese Lautsprecher sind an ein Ringspaltplenum angeschlossen, welches so gestaltet ist, dass die akustischen Randbedingungen zwischen einer realen Detonationsbrennkammer und dem vorgeschalteten Verdichter bzw. der nachgeschalteten Turbine möglichst gut abgebildet werden. Für diesen Prüfstand werden verschiedene Modellidentifikationsmethoden vorgestellt, um anschließend auf diesen Modellen basierende Regelungs- und Steuerungsmethoden zur Feuersynchronisation vorzustellen und experimentell zu validieren. Die dabei verwendeten Ansätze sind ganzzahlige Optimalsteuerungsmethoden sowie Extremwertregelungs- und Zustandsschätzmethoden. In verschiedenen Experimenten wird gezeigt, dass mit diesen Ansätzen sowohl eine signifikante Minimierung von Druckschwankungen erzielt werden kann als auch der Wiederbefüllungsvorgang von Detonationsrohren unterstützt werden kann. Weiterhin werden verschiedene Fehlererkennungsmethoden entwickelt, um Fehlzündungen von Detonationsrohren im laufenden Betrieb zu erkennen. Dabei kommen sowohl auf physikalischen Modellen basierende Mehrfilterverfahren als auch rein datengetriebene neuronale Netze zur Anwendung. Beide Verfahren werden für verschiedenste Fehlerfälle experimentell bezüglich ihrer Klassifikationsgüte verglichen. Abschließend wird eine Zustandsschätzmethodik vorgestellt und in numerischen Simulationen validiert, welche es erlaubt die fluiddynamischen Zustände innerhalb eines Detonationsrohres zwischen zwei Feuerzyklen, basierend auf einzelnen Druckmessungen, zu schätzen. Dies ermöglicht potentiell eine Rekonstruktion von experimentell nicht messbaren physikalischen Größen, was wiederum zu einem besseren Verständnis fluiddynamischer Vorgänge einer pulsierenden Verbrennung beitragen kann.Current research projects with the objective to enhance thermal efficiency of gas turbines propose a change of the underlying thermodynamic cycle from the Brayton cycle to the Humphrey cycle. A promising concept for a technical realization of this cycle is given by the so-called pulsed detonation combustor which exploits a pressure gain combustion process. Such a set-up potentially features a number of detonation tubes which are arranged in a circular manner and are connected to a downstream turbine via an annular plenum. However, integrating pulsating detonation tubes within the environment of the neighboring turbo components of a gas turbine causes several challenges. This thesis contributes to the mentioned field of research by proposing firing synchronization methods that enable to tackle some of these challenges and thereby, render possible a reliable operation of a gas turbine that features a pulsating detonation combustor. The investigated challenges are. • the minimization of pressure fluctuations in the annular plenum to realize homogeneous inflow conditions for a downstream turbine, • a reliable refilling process of the detonation tubes which have to be refilled with air from an upstream compressor against the high pressure level supplied by a pressure gain combustor, • a detection of misfiring detonation tubes based on pressure sensors which are located in the downstream annular plenum. A surrogate acoustic set-up is proposed that allows reproducing these challenges without the need for handling complex combustion processes. To this end, the detonation tubes of a pulsed detonation combustor are replaced by loudspeakers mimicking the acoustic signature of individual detonation events. These loudspeakers are connected to an annular plenum that is designed to capture the acoustic boundary conditions of a real detonation combustor that is integrated between an upstream compressor and a downstream turbine. Several model identification strategies are applied to the set-up allowing a description of the acoustic behavior of the system. Based on these models, different open and closed-loop control methods are introduced to calculate firing synchronizations which are experimentally validated, accordingly. The proposed firing synchronization approaches are based on mixed-integer optimization as well as extremum seeking control and state estimation methods. A variety of different experiments are conducted demonstrating that a significant minimization of pressure fluctuations inside the annular plenum can be achieved by choosing a firing synchronization calculated based on these methods. Furthermore, it is shown that the refilling process of the detonation tubes can be supported. Detecting misfiring of individual detonation tubes during operation is enabled by introducing appropriate fault detection strategies. A multi-filter approach exploiting a physics-based theoretical model of the test rig is applied as well as data-driven neural network. The classification quality achieved for a variety of experiments is compared for both methods. Finally, a state estimation method is introduced which allows estimating the states of the flow field inside a detonation tube between two firing cycles based on single pressure measurements. The state estimation method is validated by numerical simulations. This approach potentially offers a deeper insight into the flow characteristics of pulsating detonation combustion since physical quantities can be reconstructed that cannot be measured by sensors.DFG, SFB 1029, TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbine