Development of a control system for turbofan engines

Βασιλόπουλος, Βίκτωρας Γεώργιος; Vasilopoulos, Viktoras-Georgios

dc.contributor.author	Βασιλόπουλος, Βίκτωρας Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Vasilopoulos, Viktoras-Georgios	en
dc.date.accessioned	2018-08-28T07:28:36Z
dc.date.issued	2018-08-28
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47451
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15613
dc.rights	Default License
dc.subject	Turbomachinery	en
dc.subject	Control systems	el
dc.subject	Turbofan engine	el
dc.subject	Geared turbofan engine	el
dc.subject	Gain scheduling	el
dc.title	Development of a control system for turbofan engines	en
dc.title	Ανάπτυξη συστήματος ελέγχου για στροβιλοναντιδραστήρες διπλού ρεύματος	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Στροβιλομηχανές	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/c767e3491768ec9502f702c4072d13744286a45d
heal.dateAvailable	2019-08-27T21:00:00Z
heal.language	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-07-16
heal.abstract	In the frame of this Diploma Thesis, the structure and design of a generic control system for turbofan engines is analyzed. In general, the control system ensures the acceptable operation of the engine during steady state and transient phases in order to deliver the required thrust by controlling either fan rotational speed (Nf) or Engine Pressure Ratio (EPR), while it prevents the engine from exceeding its limits. An initial PROOSIS turbofan engine model with a typical control system was already available at the Laboratory of Thermal Turbomachines. In that model the controller gains were manually tuned at a single operating point, meaning that operation was possible only for a limited range around that point. This is attributed to the fact that the jet engines are by nature nonlinear systems, which operate in diverse conditions, with varying altitude, flight Mach number and power level. So, a gain scheduling strategy was needed to simulate the engine operation throughout its flight envelope. The first step in creating an automated procedure for calculating the gains of the controllers was to produce the state space model of the engine for a range of operating points, which was accomplished by applying a linearization process via a PROOSIS experiment. The gain calculation was performed by applying the Edmunds’ model matching method, where the inputs were the engine’s transfer function, the controller’s transfer function (PI control) and a target transfer function, which had the ideal response characteristics. The first application of this process was a two-spool turbofan engine model, based on a commercial engine, delivering 128 kN of thrust at static sea-level take-off conditions. The engine was linearized and the output file, containing the state space matrices for a wide range of flight Mach numbers, flight levels and power settings, was exported to MATLAB, where the gain calculation was implemented. The look up tables of the gains were then inserted in the PROOSIS model containing the engine and the control system. The method and model verification were performed by executing several test cases, including both gradual and fast transient maneuvers, for an extensive range of external conditions. The achieved controller design proved able to perform the necessary functions. The second application of this process was a conceptual ultra-high bypass geared turbofan engine mode, delivering 153 kN of thrust at static sea-level conditions. The model also included a variable area fan nozzle to control fan surge margin at take-off conditions and enable performance optimization at cruise. In this engine, firstly the required schedule of the fan’s nozzle area was created and subsequently the engine model was linearized. Within the same simulation structure (experiment) the gain calculation was executed, by directly integrating in PROOSIS the MATLAB script as a C static library. Therefore, the process was simplified and the engine model with the control system was simulated in gradual transients and in a fast acceleration to test the operation and validity of the controller design, while evaluating the effect of the nozzle’s dynamic performance. In conclusion, a generic methodology has been developed that allows model linearization and controller gain calculation over the entire flight envelope of contemporary and future aircraft engines, in an automated and transparent manner.	en
heal.abstract	Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αναλύεται η δομή και η σχεδίαση ενός γενικού τύπου συστήματος ελέγχου για στροβιλοαντιδραστήρες διπλού ρεύματος (turbofan). Το σύστημα ελέγχου ενός στροβιλοαντιδραστήρα διασφαλίζει την λειτουργία του, εντός αποδεκτών ορίων σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης, αλλά και σε μεταβατική λειτουργία, με σκοπό να παράγει την απαιτούμενη ώση, ελέγχοντας είτε τις στροφές του fan (Nf) είτε τον λόγο πίεσης του κινητήρα (EPR), ενώ τον αποτρέπει από το να ξεπεράσει τα όριά του. Αρχικά στο Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών ήταν διαθέσιμο ένα μοντέλο κινητήρα turbofan με ένα τυπικό σύστημα ελέγχου στο περιβάλλον PROOSIS. Σε αυτό το μοντέλο τα κέρδη των κατευθυντών είχαν ρυθμιστεί εμπειρικά για ένα σημείο λειτουργίας, οπότε η χρήση του ήταν δυνατή για ένα μικρό εύρος συνθηκών γύρω από αυτό το σημείο. Συνεπώς για να είναι δυνατή η προσομοίωση της λειτουργίας του κινητήρα σε όλο το εύρος του φακέλου πτήσης ήταν αναγκαία μία στρατηγική προγραμματισμού των κερδών (gain scheduling). Το πρώτο βήμα για τη δημιουργία μίας αυτοματοποιημένης διαδικασίας για τον υπολογισμό των κερδών των κατευθυντών ήταν η παραγωγή του μοντέλου του κινητήρα στον χώρο κατάστασης για ένα εύρος σημείων λειτουργίας. Αυτό επιτεύχθηκε εφαρμόζοντας μία προϋπάρχουσα μέθοδο γραμμικοποίησης του μοντέλου του κινητήρα μέσω κατάλληλου κώδικα στο PROOSIS. Ο υπολογισμός των κερδών πραγματοποιήθηκε εφαρμόζοντας την μέθοδο ταιριάσματος μοντέλων (model matching) του Edmunds, με δεδομένα την συνάρτηση μεταφοράς του συστήματος, την συνάρτηση μεταφοράς του κατευθυντή (νόμος ελέγχου PI) και την συνάρτηση μεταφοράς «στόχος», που έχει τα ιδανικά χαρακτηριστικά απόκρισης. Η διαδικασία αυτή εφαρμόστηκε σε δύο περιπτώσεις. Η πρώτη περίπτωση αφορούσε ένα μοντέλο στροβιλοαντιδραστήρα διπλού ρεύματος και διπλού τυμπάνου, χωρίς ανάμειξη ρευμάτων, το οποίο βασίζεται σε ένα εμπορικό μοντέλο κινητήρα, και παράγει 128 kN ώσης σε στατικές συνθήκες στο επίπεδο της θάλασσας. Ο κινητήρας γραμμικοποιήθηκε και έγινε υπολογισμός των κερδών του για ένα μεγάλο εύρος αριθμού Mach, ύψους πτήσης και επιπέδου ισχύος με κατάλληλο προγραμματισμό στο MATLAB. Οι πίνακες των κερδών στη συνέχεια εισήχθησαν στο μοντέλο του PROOSIS, το οποίο περιείχε τον κινητήρα και το σύστημα ελέγχου. Η επαλήθευση της μεθόδου και της αξιόπιστης λειτουργίας του μοντέλου πραγματοποιήθηκε εκτελώντας μία σειρά από προσομοιώσεις, περιλαμβάνοντας σενάρια, όπως βαθμιαία και απότομη επιτάχυνση και επιβράδυνση για διαφορετικούς συνδυασμούς εξωτερικών συνθηκών. Ο σχεδιασμός των κατευθυντών αποδείχθηκε ότι ήταν ικανός να πραγματοποιήσει τις απαιτούμενες λειτουργίες του. Η δεύτερη περίπτωση αφορούσε έναν, υπό μελέτη, μοντέλο στροβιλοαντιδραστήρα διπλού ρεύματος και διπλού τυμπάνου με εξαιρετικά υψηλό λόγο παράκαμψης, ο οποίος έφερε μειωτήρα στροφών μεταξύ του συμπιεστή χαμηλής πίεσης και του fan και παρήγαγε 153 kN ώσης σε στατικές συνθήκες στο επίπεδο της θάλασσας. Το μοντέλο αυτό επίσης περιλάμβανε ακροφύσιο μεταβλητού εμβαδού για το δευτερεύον ρεύμα αέρα (bypass) με σκοπό να ελέγχει το περιθώριο πάλμωσης του fan κατά την επιτάχυνση στη φάση της απογείωσης και να έχει την βέλτιστη απόδοση στη φάση της κρουαζιέρας. Στον κινητήρα αυτόν, αρχικά δημιουργήθηκε ο κανόνας μεταβολής του εμβαδού του ακροφυσίου και στη συνέχεια το μοντέλο του κινητήρα γραμμικοποιήθηκε. Ο υπολογισμός των κερδών πραγματοποιήθηκε αποκλειστικά στο PROOSIS, με κατάλληλη μετατροπή του κώδικα του MATLAB και εισαγωγής του μέσω στατικής βιβλιοθήκης στο PROOSIS, απλοποιώντας την όλη διαδικασία. Το μοντέλο του κινητήρα με το σύστημα ελέγχου δομήθηκε και δοκιμάστηκε σε προσομοιώσεις βαθμιαίων μεταβάσεων, αλλά και σε γρήγορη επιτάχυνση, με σκοπό να αξιολογηθεί η λειτουργία και η εγκυρότητα του σχεδιασμού των κατευθυντών, ενώ εκτιμήθηκε και η επίδραση της δυναμικής συμπεριφοράς του μεταβλητού ακροφυσίου. Συνοπτικά, δημιουργήθηκε μία γενική μεθοδολογία που επιτρέπει την γραμμικοποίηση μοντέλων και τον υπολογισμό των κερδών των κατευθυντών που απαιτούνται σε όλο το εύρος του φακέλου πτήσης για μοντέρνους αλλά και επόμενης γενιάς αεροπορικούς κινητήρες, με έναν αυτοματοποιημένο και ξεκάθαρο τρόπο.	el
heal.advisorName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	196 σ.
heal.fullTextAvailability	true