Abstract
The performance of the turbofan engine, a medium scale civil aircraft which has been developing in Rep. of Korea, was analyzed and the control scheme for optimization the performance was studied. The dynamic and real-time linear simulation was performed in the previous study The result was that the fuel scedule of the step increase overshoot the limit temperature(3105 $^{\cire}R$) of the high pressure turbine and got small surge margine of the high pressure compressor. Therefore a control scheme such as the LQR(Linear Quadratic Regulator) was applied to optimizing the performance in this studies. The linear model was expected for designing controller and the real time linear model was developed to be closed to nonlinear simulation results. The system matrices were derived from sampling operating points in the scheduled range and then the least square method was applied to the interpolation between these sampling points, where each element of matrices was a function of the rotor speed. The control variables were the fuel flow and the low pressure compressor bleed air. The controlled linear model eliminated the inlet temperature overshoot of the high pressure turbine and obtained maximum surge margins within 0.55. The SFC was stabilized in the range of 0.355 to 0.43.
현재 국내에서 개발되어왔던 중형항공기 후보엔진인 터보팬 엔진의 성능해석과 성능최적화를 위한 제어기법을 연구하였다. 선행된 연구에서 동적모사 및 실시간 선형모사를 수행한 결과 지상 정지조건 하에서 70% 엔진로터 회전수에서 100% 엔진로터 회전수로 급상승하는 경우 고압터어빈 입구온도에서 오버슈트가 발생하여 제한온도인 3105 $^{\cire}R$ 을 넘어감을 확인할 수 있었다 또한 압축기의 서지여유도 협소하여 엔진에 손상을 가져올 수 있다. 이에 본 연구에서는 보다 빠른 가속성능과 함께 엔진 성능의 최적화를 위해 LQR 제어기를 설계하였다. 제어기의 설계를 위해서는 선형모델을 구성해야하며 엔진의 비선형 거동에 보다 근접한 선형화를 위해서는 실시간 선형모사가 요구된다. 선형모델에 필요한 행렬은 자동점에 %의 섭동을 주어 5% 간격으로 구하였으며, 최소자승법을 이용하여 저압 엔진로터 회전수의 함수로 보간하는 방법으로 실시간 선형모사를 수행하였다. 제어변수는 연료유량의 증가속도와 압축기 블리드 공기유량으로 하였으며, 제어 결과 고압 터빈입구온도의 오버슈트를 제거하였으며 최대 압축기 서지여유도 0.55 이하로 확보였다. 비연료소모율도 0.353에서 0.43으로 안정됨을 확인할 수 있었다.
