Berechnung des transienten Verhaltens der Kleingasturbine KHD T 216

Abstract

Um einen sicheren und schadensfreien Betrieb einer Gasturbine zu gewährleisten, ist dieser durch einige Parameter und Zustandsgrößen limitiert. Zum Beispiel ist die Temperatur am Turbineneintritt hinsichtlich des verwendeten Materials des Turbinenlaufrades begrenzt. Der Druck am Verdichteraustritt ist ebenfalls begrenzt. Übersteigt dieser den maximal zulässigen Wert kommt es zum Ablösen der Luftströmung vom Verdichterlaufrad. Der Verdichter ist dann nicht mehr in der Lage den Druck aufrecht zu erhalten und die Luftströmung entlädt sich explosionsartig in Richtung des niedrigeren Druckes, zum Verdichtereintritt. Ein Grund können zu große Gradienten der Zustandsgrößen, hervorgerufen durch schnelle und große Änderungen von Brennstoffmassenstrom oder Lastmoment, sein. Die Überschreitung der zulässigen Grenzwerte kann zu erheblichen Schäden am Verdichter- und Turbinenlaufrad und somit zum Ausfall der gesamten Gasturbine führen. Die Kenntnis über die Betriebsgrenzen und das Verhalten der Gasturbine ist daher von großer Bedeutung. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein mathematisches Modell entwickelt, welches das transiente Verhalten der Kleingasturbine KHD T 216 beschreibt. Es wird gezeigt, wie die Gasturbine auf Veränderungen der Stellgrößen, Lastdrehmoment und Brennstoffmassenstrom, reagiert. Das Modell basiert im Wesentlichen auf Kennfelder der beteiligten Komponenten und der Trägheit der rotierenden Massen. Des Weiteren obliegt das Modell einer nulldimensionalen Betrachtung. Das heißt, die Formeln genügen der Massen- und Energieerhaltung. Eine Lagekoordinate wird nicht eingeführt. Das Modell wird in Matlab-Simulink realisiert. Dabei erfolgt die Aufbereitung der Daten in Matlab. Die Interpolation bzw. Extrapolation der Werte aus den Kennfeldern sowie die Modellierung werden mit der Matlab Toolbox Simulink durchgeführt. Die Software IPSEpro findet Verwendung, um einen stationären Betriebspunkt, welcher als Referenzpunkt für die Modellierung dient, zu berechnen. In der Arbeit sind einige Betriebszyklen, wie sie im Betrieb vorkommen können, abgebildet und beschrieben. Die Genauigkeit und Plausibilität der Ergebnisse des Modells werden ebenfalls bewertet. Zum Schluss ist noch ein Ausblick für weiterführende Arbeiten angefügt.

To guarentee a safe and damage-free operation of a gas turbine the operation is limited to several parameters and values. For example, the temperature at the turbine entry is limited because of the turbine rotor’s material properties. The pressure at the compressor outlet is limited as well. Too high pressure causes flow separation in the stream channel at the compressor rotor. If that happens, the compressor is not capable to transfer power from the rotor to the air anymore and to maintain the pressure. The consequence is that the flow direction turns and the pressurised air is discharged to the compressor entry. One reason could be that the gradients of the state values are too high due to fast and big changes of the fuel mass flow rate or the load torque. The exceeding of the operation limits causes serious damages at the compressor and turbine rotor and therefore the failure of the entire gas turbine.The knowledge of the operation limits and the behavior of the gas turbine is essential. For the purposes of this master thesis a mathematical model was developed which is capable to describe the transient behavior of the mirco gas turbine KHD T 216. It is shown how the gas turbine responds on changes of the command signals, load torque and fuel mass flow rate. The model is based on performance maps of the several components assembled and the inertia of rotating masses. Furthermore, the model is considered to be zero-dimensional. That means the used formulas meet the requirements of the mass balance and the energy balance. A coordinate of position is not implemented.The model is completed in Matlab-Simulink. Therfore the data are prepared in Matlab. The interpolation and extrapolation of the map values and the modelling itself are carried out with the Matlab Toolbox Simulink. To compute a stationary operating point the software IPSEpro is used.As a part of the master thesis several duty cycles are displayed and described. The accuracy and the plausibility of the results of the model are discussed. Finally, a perspective of some further tasks is mentioned.