Ein physikbasierter Modellierungsansatz zur Leistungsüberwachung in Gasturbinenmotoren

Die Überwachung der Leistungsverschlechterung ist ein wesentlicher Bestandteil des Prognose- und Gesundheitsmanagements (PHM) von Gasturbinenmotoren (GTEs). Dieses Papier schlägt einen physikbasierten Modellierungsansatz zur Überwachung der Leistungsverschlechterung mit zwei modellbasierten Leistungsindikatoren, dem Wärmeverlustindex und dem Leistungsdefizitindex, für GTE-PHM-Anwendungen vor. Ein umfassendes nichtlineares thermodynamisches Modell für einen Einwellen-GTE wird entwickelt, um die Beziehung zwischen den Betriebsbedingungen und den Zyklenparametern herzustellen. Das Modell, einmal richtig kalibriert, kann die Zyklenparameter des GTE in einem gesunden Zustand als Basislinie vorhersagen, während die gemessenen Parameter in der Realität allmählich von der Basislinie abweichen, was die Leistungsverschlechterung des GTE widerspiegelt. Um das Degradationsniveau darzustellen, wird der Wärmeverlustindex als die normierte Maßnahme der thermischen Energie definiert, die im GTE im Vergleich zum gesunden Zustand verschwendet wird. Ähnlich wird der Leistungsdefizitindex als das Defizitverhältnis der GTE-Ausgangsleistung aufgrund der Leistungsverschlechterung definiert. Die Wirksamkeit der Leistungsindikatoren bei der Überwachung der Leistungsverschlechterung und ihre Robustheit gegenüber den Variationen der Betriebsbedingungen werden anhand von drei Jahren typischer Betriebsdaten eines industriellen GTE untersucht. Die Ergebnisse zeigen deutlich die Trends sowohl der kurzfristig reversiblen Verschlechterung aufgrund von Verunreinigungseffekten im Verdichter als auch der langfristig nicht reversiblen Verschlechterung durch strukturelle Degradation. Die Technik ist besonders vorteilhaft für prognostische Anwendungen, bei denen kein Zugang zu internen Zyklenparametern eines GTE besteht und nur die Betriebsdaten verfügbar sind, wodurch keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind.