مدل‌سازی ترمودینامیکی و شبیه‌سازی یک موتور توربوفن گیربکس‌دار با سیستم کنترل هیدرومکانیکی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

2 دکتری تخصصی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

10.22044/jsfm.2024.14418.3853

چکیده

در این مقاله جهت بررسی عملکرد یک موتور توربوفن گیربکس‌دار و سیستم کنترل آن، مدلسازی ترمودینامیکی موتور به همراه مدلسازی کنترلر هیدرومکانیکی مربوطه انجام می‌گیرد. در شبیه ‌سازی عملکرد موتور از داده‌های تست موتور جهت اعتبارسنجی استفاده می ‌شود. حداکثر اختلاف خروجیهای مدلسازی موتور با داده‌های موتور در شرایط برخاست به اندازه 2/3% و با داده‌های تست موتور در دورهای مختلف به اندازه 6/7% است. جهت مدلسازی کنترلر، با استفاده از داده‌های موتور و منطق حاکم بر آن، یک ساختار جامع برای کنترلر استخراج می‌شود. نتایج شبیه‌سازی عملکرد موتور به همراه سامانه کنترلی به ازای دستورات دسته گاز از حداکثر درجه تا حداقل آن، نشاندهنده عملکرد دقیق مدل کنترلر در تامین نیروی رانش و حفظ قیود است. از نتایج این تحقیق علاوه بر تحلیل عملکرد موتور در شرایط کاری مختلف، جهت بررسی نقاط قوت و ضعف سامانه کنترلی موجود و طراحی کنترلر جدید می‌ توان استفاده نمود. از آنجایی که امکانات سیستمهای کنترل هیدرومکانیکی برای مدیریت سوخت موتور، سیستم تخلیه و سامانه‌های جانبی محدود است، لذا شبیه‌سازی ساختار کنترلر موجود در ارتباط با مدل موتور، جهت توسعه آن از نوع هیدرومکانیکی به نوع الکترونیکی خودمختار حاوی بخشهای پایش وضعیت، مدیریت سلامت موتور و کنترل مقاوم در مقابل عیوب حائز اهمیت است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] MacIsaac B, Langton R (2011) Gas turbine propulsion systems. John Wiley & Sons, Ltd, UK.
[2] Farokhi S (2014) Aircraft propulsion. John Wiley & Sons, Ltd, UK.
[3] Haoran Z, Sanmin W, Peng C, Bo L, Hongfei R, Linlin L (2024) Influence of gear modification on dynamic characteristics of star gearing system in geared turbofan (GTF) gearbox based on a closed-loop dynamic analysis method. Proc. IMechE Part E: J. Process Mech. Eng. Published online: https://doi.org/10.1177/09544089241239.
[4] Anjomrouz A, Ghadiri S, Imani A (2023) A review on the structures and characteristics of micro-turbojet engines. J. Solid and Fluid Mech. 13(5): 59-67. 10.22044/jsfm.2023.13523.3780
[5] Riegler C, Bichlmaier C (2007) The geared turbofan technology – opportunities, challenges and readiness status. 1st CEAS European Air and Space Conf. CEAS-054.
[6] Larsson L, Grönstedt T, Kyprianidis KG (2011) Conceptual design and mission analysis for a geared turbofan and an open rotor configuration. Proc. ASME Turbo Expo. June 6-10, Vancouver, British Columbia, Canada.
[7] Salpingidou C, Misirlis D, Vlahostergios Z, Flouros M, Donus F, Yakinthos K (2018) Conceptual design study of a geared turbofan and an open rotor aero engine with intercooled recuperated core, Proc. IMechE Part G: J. Aerospace Eng. 232(14): 1-8.
[8] Dewanji D, Rao GR, Buijtenen JV (2009) Feasibility study of some novel concepts for high bypass ratio turbofan engines. Proc. ASME Turbo Expo: Power for Land, Sea and Air. June 8-12, Orlando, Florida, USA.
[9] Larsson L, Avellan R, Gronstedt T (2011) Mission optimization of the geared turbofan engine. ISABE Conf.
[10] Tobi ALM, Ismail AE (2016) Development in geared turbofan aeroengine. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 131: 012019
[11] Mastropierro FS, Sebastiampillai J, Jacob F, Rolt A (2020) Modeling geared turbofan and open rotor engine performance for year-2050 long-range and short-range aircraft. ASME J. Eng. Gas Turbine Power 142 (4):19-1447.
[12] Csank JT, Thomas GL (2017) Dynamic analysis for a geared turbofan engine with variable area fan nozzle. 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf., 10-12 July, Atlanta, GA.
[13] Alexiou A, Aretakis N, Roumeliotis I, Kolias I, Mathioudakis K (2017) Performance modelling of an ultra-high bypass ratio geared turbofan. 23rd ISABE Conf., Manchester, UK.
[14] Lents C, Hardin L, Rheaume J, Kohlman L (2016) Parallel hybrid gas-electric geared turbofan engine conceptual design and benefits analysis. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf., July 25-27, Salt Lake City, UT.
[15] Kelly C, McCain C, Bertels J, Weekley S, et al. (2021) Design of a geared turbofan module for small unmanned aircraft applications. AIAA Scitech 2021 Forum. 10.2514/6.2021-0262
 
[16] Nikolaidis T, Jafari S, Bosak D, Pilidis P (2020) Exchange rate analysis for ultra high bypass ratio geared turbofan engines, J. appl. Sci. 10: 7945
[17] Lamas RMLS, Hung JY (2023) Nelder-mead tuned pid control for a futuristic geared-turbofan aeroengine concept. 23rd Int. Conf. on Control, Automations & Systems, Oct. 17-20, Yeosu, Korea.
[18] Chapman JW, Litt JS (2017) Control design for an advanced geared turbofan engine. 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf., July 10-12, Atlanta, GA.
[19] Kratz J, Culley D, Thomas G (2018) Thermal modeling of an advanced geared turbofan for distributed engine control application. AIAA Propulsion & Energy Forum, July 9-11, Cincinnati, Ohio.
[20] Kratz J, Chapman J (2018) Active turbine tip clearance control trade space analysis of an advanced geared turbofan engine. AIAA Propulsion & Energy Forum, July 9-11, Cincinnati, Ohio.
[21] Engine Manual ALF502R (2002), Honeywell.
[22] Rauch D (1972) Design study of an air pump and integral lift engine ALF-504 using the Lycoming 502 core, NASA CR-120,992, LYCOMING 105.22.21, NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio.
[23] Gasturb 13 User’s Manual (2018), Germany.
[24] Abbasi S, Reeszadeh M, Esmaeel zadeh vali S (2022) Effect of tip injection on tip leakage flow structure in axial compressor. J. Solid and Fluid Mech.12(5):147-160. 10.22044/jsfm.2022.11399.3505
[25] Chung GY, Prasad JV, Dhingra R, Meisner R (2014) Real time analytical linearization of turbofan engine model. ASME J. Eng. Gas Turbines Power 136(1):011201.
[26] Walsh PP, Fletcher P (2004) Gas turbine performance. 2nd edn. Blackwell Science, UK.
[27] Kurzke J, Halliwell I (2018) Propulsion and power: an exploration of gas turbine performance modeling. Springer, Switzerland.
[29] Jaw LC, Mattingly JD (2009) Aircraft engine controls-design, system analysis and health monitoring. AIAA, Reston, Virginia.
[30] Spang III HA, Brown H (1999) Control of jet engines. J. Control Eng. Pract. 7(9): 1043-1059.