Μοντελοποίηση Αεροπορικού Κινητήρα Μερικής Ανάμιξης και Σύγκριση Επιδόσεων με Μετρήσεις από Πτήση

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με το απαιτητικό αντικείμενο της δημιουργίας ενός υπολογιστικού μοντέλου σε επίπεδο που να θεωρείται αξιόπιστο και πιστό σε έναν πραγματικό αεροπορικό κινητήρα. Η εργασία έχει σαν στόχο τόσο την τυποποίηση καθώς και την αξιολόγηση της διαδικασίας αυτής με τη χρήση πραγματικών μετρήσεων αεροσκάφους από πτήση. Επίσης, διερευνάται η δυνατότητα εξαγωγής χρήσιμης πληροφορίας για την κατάσταση της μηχανής από την επεξεργασία τέτοιων μετρήσεων. Επιλέχθηκε η μελέτη της περίπτωσης του αεροπορικού κινητήρα μερικής ανάμιξης V2500 και η μοντελοποίηση του πραγματοποείται με τη χρήση του υπολογιστικού προγράμματος PROOSIS. Απαραίτητο βήμα πριν την έναρξη της μοντελοποίησης είναι η δημιουργία δύο νέων συνιστωσών, ενός μερικού αναμίκτη και ενός συνεργαζόμενου συγκλίνοντος ακροφυσίου, ώστε να προσομοιωθεί κατάλληλα το φαινόμενο της μερικής ανάμιξης. Στα πλαίσια της εργασίας αναπτύχθηκε το απαραίτητο μαθηματικό μοντέλο και δημιουργήθηκαν οι δύο συνιστωσες. Η μοντελοποίηση ξεκινάει με την συλλογή δεδομένων από την ανοιχτή βιβλιογραφία (επιδόσεις, γεωμετρία, διάταξη) και δημιουργείται το σχηματικό διάγραμμα της μηχανής. Γίνεται αλλαγή των παραμέτρων των συνιστωσών και επιλέγεται το σημείο σχεδίασης. Από την διαδικασία αυτή προκύπτουν οι συντελεστές κλίμακας για τους χάρτες λειτουργίας και όλα τα απαραίτητα μεγέθη για την προσομοίωση του μοντέλου εκτός του σημείου σχεδίασης( εμβαδά ακροφυσίων/αναμίκτη, ονομαστικές στροφές). Στην συνέχεια μελετάται η συμπεριφορά του μοντέλου σε σημεία εκτός σχεδίασης με την χάραξη μίας γραμμής λειτουργίας κατά ICAO και σημειώνονται οι αποκλίσεις από την επιθυμητή γραμμή με βάση την βιβλιογραφία. Προς ελαχιστοποίηση αυτών των αποκλίσεων εκτελείται αρχικά μία μέθοδος βελτιστοποίησης των παραμέτρων του σημείου σχεδίασης και έπειτα μία τοπική προσαρμογή των χαρτών με την χρήση των συντελεστών προσαρμογής. Γίνεται και μία επισκόπηση της διαδικασίας της καθολικής προσαρμογής των χαρτών χάριν πληρότητας. Σε αυτό το σημείο είναι απαραίτητη η επεξεργασία των μετρήσεων. Αρχικά, γίνεται ένα απλό στατιστικό φιλτράρισμα και μία διόρθωση με τις συνθήκες ατμόσφαιρας. Έπειτα γίνεται αναγωγή των μετρήσεων σε κοινή παράμετρο ελέγχου και αναπαράγεται ένα γραμμικό “μοντέλο” απο αυτές που δίνει την δυνατότητα εκτίμησης των μεγεθών του κύκλου της μηχανής. Μετά απο αυτή την διαδικασία παρατηρείται πως στοιχεία για την κατάσταση του κινητήρα τα οποία δεν είναι ορατά στις αρχικές μετρήσεις είναι περισσότερο διακριτά στο τέλος της επεξεργασίας. Επομένως, η επεξεργασία τέτοιου είδους μετρήσεων που πραγματοποιούνται κάτω από αδιευκρίνιστες συνθήκες είναι απαραίτητη και προσφέρει πολύτιμη γνώση για τον ερευνητή. Τέλος, το υπολογιστικό μοντέλο προσομοιώνεται στις συνθήκες των μετρήσεων και γίνεται μία σύγκριση των αποτελεσμάτων των μεγεθών του κύκλου με αυτές. Οι αποκλίσεις που παρατηρούνται είναι εξαιρετικά ικανοποιητικές και επομένως η διαδικασία μοντελοποίησης που ακολουθείται θεωρείται αρκετά αξιόπιστη και επιτυχής.

The current diploma thesis is mainly concerned with the process of creating a model that can follow the performance of a real turbofan engine. The main purpose is to evaluate the methods involved and standardize the procedure using information from in-flight data from an aircraft operating the particular engine. The case of the turbofan partial mixed engine V2500 is chosen and the model is created using the object-oriented software PROOSIS. A vital part of the particular case is the creation of two new components, a partial mixer and a connecting divergent nozzle, to enable proper simulation of partial mixing. The mathematical modelling and the creation of these components were accomplished in the current thesis. The modelling procedure starts with collecting useful data regarding the engine (geometry, set-up, performance) and the schematic is created. Component data are edited accordingly and the design point is chosen. Following the simulation, the scaling factors for the operating maps and all necessary information for the off-design analysis (nozzle and mixer areas) are calculated. Then, the performance of the model is studied for the off-design part by simulating an operating line according to ICAO specifications and deviations from the desired line are noted. In order to minimize these deviations, a design point data optimization is performed and then local map adaptation methods are applied. The method of global map adaptation is also presented. At this point, processing the available in-flight data is essential. Primarely, a simple statistic filtering is adopted and then the data are corrected using ambient condition knowledge. A linear “model” of the engine is created using common control variables for reference to the various measurements. This procedure enables the observation of trends that were non-existent before and thus it can be concluded that processing such data is highly advisable and offers valuable knowledge for the condition of the engine. Finally, the performance model is simulated in the same operating conditions as the flight data and a comparison of the two regarding the engine’s performance is presented. It is noted that the deviations are quite satisfying, thus the modeling techniques used can be considered successful.