19315

۱۹۳۱۵

مدل‌سازي و كنترل عملكرد موتور توربوفن با در نظر گرفتن مشخصات مرحله‌به‌مرحله كمپرسور در شرايط پرواز

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

۱۳۹۴-۹۷

۱۳۹۷/۳/۲۹

دكتر مرتضي منتظري

مكانيك

امروزه جهت تأمين نيروي پيشران موردنياز هواپيماهاي تجاري از موتورهاي توربوفن استفاده مي‌شود. توليد نيروي پيشران زياد، ميزان مصرف سوخت مناسب و ايجاد سرعت بالاتر نسبت به موتورهاي ملخي در شرايط پروازي، سبب توجه ويژه به اين نوع توربين‌ها شده است. با توجه به هزينه بالاي تست عملي توربوفن‌ها، مدل‌سازي اين موتورها در سال‌هاي اخير موردتوجه قرار گرفته است. جهت ساخت يك مدل جامع از موتور، بايد علاوه بر مدل‌سازي دقيق سيكل ترموديناميكي، شرايطي كه موتور قرار است در آن كار كند به‌خوبي تعريف شوند. از اين منظر شرايط پروازي‌اي كه موتور توربوفن در آن كار مي‌كند نيز بايستي در مدل‌سازي لحاظ گردد. علاوه بر آن، هر موتور يك‌ سري محدوديت‌هاي فيزيكي و عملكردي دارد كه با طراحي يك كنترلر مناسب، مي‌توان علاوه بر رعايت اين محدوديت‌ها، مصرف سوخت بهينه‌اي را نيز براي آن تأمين كرد. جهت جلوگيري از ايجاد ناپايداري در كمپرسور و كنترل دماي ورودي به توربين فشار بالا از بليد استفاده مي‌شود. لذا مدل‌سازي موتور با در نظر گرفتن مشخصات مرحله‌به‌مرحله كمپرسور براي مكان‌يابي بليد و تعيين ميزان بليد موردنياز از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. در اين رساله، مدل‌سازي و كنترل عملكرد موتور توربوفن با در نظر گرفتن مشخصات مرحله‌به‌مرحله كمپرسور در شرايط پرواز انجام شده است. بدين منظور جهت شبيه‌سازي شرايط پروازي از مفاهيمي نظير پاكت پروازي و مسير پروازي استفاده شده است. پاكت پروازي مربوطه با استفاده از نرم‌افزار تجاري Gasturb و مسير پروازي نيز با استفاده از اطلاعات ارائه‌شده توسط دفتر مهندسي پرواز به دست آمده است. همچنين اطلاعات مربوط به عملكرد دو هواپيماي ايرباس 320 و بوئينگ 737 كه داراي موتورهايي با مشخصات نزديك به موتور موردبررسي در اين پژوهش هستند، استخراج‌شده و از آن‌ها در شبيه‌سازي شرايط پروازي بهره گرفته شده است. مدل مورداستفاده، مدل ترموديناميكي موتور توربوفن IR59-MT-X است. علاوه بر آن، بليد طراحي‌شده براي اين مدل در قالب يك الگوريتم حلقه باز در محيط Simulink به مدل اضافه شده است. جهت محاسبه سوخت مناسب موتور، از الگوريتم Min-Max بهره گرفته شده است. آنگاه بهينه‌يابي ضرايب كنترلر در دو حالت استاندارد و پروازي، با الگوريتم ژنتيك صورت پذيرفته است. درنهايت نتايج مدل‌سازي و تحليل عملكرد با كنترلر Min-Max به ازاي سيگنال‌هاي ورودي ماخ، ارتفاع و فرمان خلبان ارائه شده است كه نشان مي‌دهد قيود موتور از محدوده مجاز خارج نشده‌اند و تراست موردنياز به نحو مطلوبي تأمين شده است. واژه‌هاي كليدي: موتور توربوفن – الگوريتم كنترلي Min-Max – الگوريتم ژنتيك – مدل با كمپرسور مرحله‌به‌مرحله – شرايط پروازي

1397/06/19

Modeling and Performance Control of a Turbofan Engine Using Stage-by-Stage Characteristics of the Compressor in Flight Conditions

9/10/2018 12:00:00 AM

Nowadays, turbofan engines are used to provide the propulsion in commercial aircrafts. High efficiency, less specific fuel consumption (SFC) and achieve to higher speeds in comparison with propeller engines in flight conditions, have attracted a special attention to this type of aero-engines. Because of costly laboratory testing of turbofan engines, modeling of them has been of a great importance. To construct a comprehensive engine model, apart from an accurate modeling of the thermodynamic cycle, operating conditions of the engine is of a great importance as well. Hence, flight conditions of the engine must also be modeled precisely. All aero-engines have some physical and practical limitations which could be satisfy by means of an appropriate controller design. This can also optimize fuel consumption. To avoid instability in the compressor and high pressure turbine inlet over-temperature, bleed can be applied. To do this, modeling of the aero-engine could be performed considering compressor stage-by-stage characteristics and thereby specify the location and quantity of the bleed. In this thesis, modeling and performance control of a turbofan engine using stage-by-stage characteristics of the compressor in flight conditions have been performed. In this way, to simulate flight conditions, some concepts like flight envelope and flight path have been adapted. Related flight envelope has been derived using the commercial software of Gasturb and the flight path has been obtained using flight engineering bureau information. Some related informations from aircrafts like Airbus 320 and Boeing 737, which their engines are similar to the current engine, have been extracted and used to simulate flight conditions. In this thesis a stage-by-stage thermodynamic model of IR59-MT-X turbofan engine has been used. The bleed algorithm for this engine has been added to the Simulink model on an open loop manner. Then, Min-Max algorithm has been used to calculate required engine fuel. To find the optimum controller coefficients in standard and flight conditions, generic algorithm has been used. Finally, the results of the modeling and performance analysis of the Min-Max controller due to mach number, altitude and PLA input signals have been presented which demonstrate no violation from the allowable limits and the achieveness of the required thrust. Keywords: Turbofan Engine, Min-Max Control Algorithm, Genetic Algorithm, Compressor Stage-by-Stage Modeling, Flight Conditions.