A Study on Engine Health Monitoring using Linear Gas Path Analysis for Turboprop Engine

선형 GPA 기법을 이용한 터보프롭 엔진의 성능진단에 관한 연구

The steady-state performance analysis program for turboprop engine which was used for a small, middle industrial aircraft and a basic trainer aircraft was developed and linear Gas Path Analysis method was applied to Engine Health Monitoring for Turboprop engine. This program was compared with TURBOMARCH program which is well known with performance and power according to flight Mach No. at the standard atmospheric condition to prove a steady-state performance analysis program. From the result, inlet, exit temperature and pressure of each component had error within 3% and especially power according to flight Mach No. had error within 2.4% so that this program could be assured. To make sure if linear Gas Path Analysis is reasonable four cases were selected. The first is the case that fouling is occurred in compressor only. The second is the case that fouling is occurred in compressor and erosion is occurred in turbine. The third is the case that erosion is occurred in both compressor and turbine and power turbine at the same time. Finally, the case that fouling and erosion are occurred in compressor, compressor turbine and power turbine was selected. Different parameters were selected impartially among the independent parameters so that the effect of measurement parameter selection was observed. From the result, the more measurement parameters the smaller RMS error and even though the number of measurement parameters was the same, the RMS error was obtained differently according to which measurement parameters were selected. The case using eight instrument parameters of case IV-4 had small error comparably and was economic and it was important to select optimal number of measurement and optimal measurement parameters.

소, 중형 산업용 항공기나 초등 훈련기용으로 많이 이용되고 있는 터보프롭 엔진의 정상상태 성능해석 프로그램을 개발하고 성능진단을 위해 선형 GPA 기법을 적용하였다. 정상상태 성능해석 프로그램의 검증을 위해 상용 정상상태 해석 프로그램인 TURBOMARCH 해석결과와 비교하였다. 지상정지조건에서의 성능 및 비행마하수에 따른 출력 둥을 비교한 결과 각 구성품의 입,출구 온도 및 압력, 출력 등에서는 약 3%이하의 오차율을 보였으며, 마하수 변화에 따른 출력 비교에서도 최대오차율 2.4 % 이내로 프로그램의 신뢰성을 확인하였다. 선형 GPA 기법의 계측변수의 선정에 따른 정확성을 알기 위해 종속변수의 선정을 다르게 하여 오차율을 알아보았다. 성능저하 원인으로는 압축기에만 오염이 발생하였을 경우, 압축기와 압축기 터빈에 각각 오염과 부식이 발생하였을 경우, 압축기 터빈과 동력터빈에 동시에 부식이 발생하였을 경우, 압축기, 압축기 터빈, 동력터빈이 모두 오염과 부식이 발생하였을 경우를 가정하였다. 해석결과 계측기 변수가 많을수록 RMS 오차가 적었으며 같은 수의 계측기 변수라 하더라도 어떠한 변수를 계측하는가에 따라 오차율이 달라짐을 알 수 있었다. 비교적 오차율이 적으면서 경제성이 있는 경우는 8개의 측정변수를 이용한 경우로 최적의 계측기 수 및 계측기 변수 선정이 중요함을 알 수 있었다.