KR101409361B1 - Method for modeling engine performance for aircraft - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬 엔진 성능 모델링 기술에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 일 형태로서 본 발명은, 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법으로서, (a) 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진을 선정하는 단계; (b) 상기 타깃 엔진의 설계 변수들의 값을 포함하는 기초 성능자료를 수집하는 단계; (c) 상기 (b) 단계를 통해 수집된 설계 변수들에 대한 민감도를 분석하여 상기 타깃 엔진의 성능에 영향을 미치는 하나 이상의 중요 변수를 추출하는 단계; (d) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율을 결정하는 단계; (e) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 터빈 냉각공기 유량을 결정하는 단계; (f) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 팬 압력비를 결정하는 단계; 및 (g) 상기 (d) 단계로부터 결정된 상기 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율과, 상기 (e) 단계로부터 결정된 상기 터빈 냉각공기 유량과, 상기 (f) 단계에서 결정된 상기 팬 압력비를 설정조건으로 하여, 상기 (c) 단계에서 추출된 상기 하나 이상의 중요 설계 변수로부터 최적의 목적 함수값을 구하기 위한 최적화 해석을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 (g) 단계에서의 상기 최적화 해석은 어댑티브 랜덤 서치법(Adaptive Random Search Method)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법을 제공한다.The present invention relates to a low-pass turbofan engine performance modeling technique for supersonic aircraft.
As a form for realizing this, the present invention provides a method of modeling an engine performance of an aircraft, comprising the steps of: (a) selecting a target engine to be modeled; (b) collecting basic performance data including values of design parameters of the target engine; (c) analyzing sensitivity to the design variables collected through the step (b) and extracting one or more important variables that affect the performance of the target engine; (d) determining an intake port voltage recovery rate of the target engine to be modeled; (e) determining a turbine cooling air flow rate of the target engine to be modeled; (f) determining a fan pressure ratio of the target engine to be modeled; And (g) setting the turbine cooling air flow rate determined from the step (e) and the fan pressure ratio determined in the step (f) as conditions for setting the intake port voltage recovery rate of the target engine determined from the step (d) And performing an optimization analysis to obtain an optimal objective function value from the one or more important design variables extracted in the step (c), wherein the optimization analysis in the step (g) is performed by an adaptive random search method Random Search Method). ≪ / RTI >
Description
본 발명은 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬 엔진 성능 모델링 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method of modeling an engine performance of an aircraft, and more particularly to a low-pass turbofan engine performance modeling technique for a supersonic aircraft.
일반적으로, 가스터빈 엔진 성능 시뮬레이션들은 엔진 개발 동안 수집된 방대한 양의 엔진 시험 데이터를 기초로 하여 가스터빈 엔진 개발자들에 의해 생성된다.Generally, gas turbine engine performance simulations are generated by gas turbine engine developers based on vast amounts of engine test data collected during engine development.
이러한 시뮬레이션들의 상세한 정보는 엔진 개발 업체의 비밀로 유지되고 단지 몇몇의 파라미터 값들만이 구매자들이 제어의 목적으로 접근할 수 있다.Detailed information about these simulations is kept secret by the engine developer, and only a few parameter values are accessible to buyers for control purposes.
많은 연구자들은 가스터빈 엔진 성능 모델을 기초로 엔진의 성능과 수명 관리를 하기 원하기 때문에 그들이 운용하는 엔진에 대한 세부 파라미터들에 대한 정보를 원한다.Many researchers want information on the engine's performance and lifetime based on the gas turbine engine performance model, so they want information on the specific parameters of the engine they operate.
엔진 개발 프로그램의 협력적인 관계에서 후발업체들은 선진업체에서 공개하는 부분적인 사이클 데이터만을 획득할 수밖에 없기 때문에 엔진 구성품 설계자 및 엔진 성능 연구자들이 가스터빈 시뮬레이션을 개발하는 것은 제한된 정보를 기초로 할 수밖에 없다.In the collaborative relationship of the engine development program, engine component designers and engine performance researchers are forced to develop gas turbine simulations based on limited information, since latecomers only have to acquire partial cycle data published by leading companies.
본 발명은 상술한 점을 감안하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 웹사이트 및 공개된 소수의 자료를 기반으로 하여 항공기의 엔진(예컨대, 후기연소기가 장착된 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬 엔진)의 성능을 모델링하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the foregoing, and it is an object of the present invention to provide a low-pass turbofan engine for a supersonic aircraft equipped with a late burner, ). The purpose of the model is to model the performance of the system.
상술한 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 형태는, 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법으로서, (a) 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진을 선정하는 단계; (b) 상기 타깃 엔진의 설계 변수들의 값을 포함하는 기초 성능자료를 수집하는 단계; (c) 상기 (b) 단계를 통해 수집된 설계 변수들에 대한 민감도를 분석하여 상기 타깃 엔진의 성능에 영향을 미치는 하나 이상의 중요 설계 변수를 추출하는 단계; (d) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율을 결정하는 단계; (e) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 터빈 냉각공기 유량을 결정하는 단계; (f) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 팬 압력비를 결정하는 단계; 및 (g) 상기 (d) 단계로부터 결정된 상기 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율과, 상기 (e) 단계로부터 결정된 상기 터빈 냉각공기 유량과, 상기 (f) 단계에서 결정된 상기 팬 압력비를 설정조건으로 하여, 상기 (c) 단계에서 추출된 상기 하나 이상의 중요 설계 변수 각각에 대한 최적화 해석을 수행하여, 상기 하나 이상의 중요 설계 변수 각각에 대한 상기 항공기의 엔진 성능을 만족시키는 값을 설계영역 내에서 찾아내는 단계를 포함하되, 상기 (g) 단계에서의 상기 최적화 해석은 어댑티브 랜덤 서치법(Adaptive Random Search Method)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of modeling an engine performance of an aircraft, the method comprising: (a) selecting a target engine to be modeled; (b) collecting basic performance data including values of design parameters of the target engine; (c) analyzing sensitivity to the design parameters collected through the step (b), and extracting one or more important design variables that affect the performance of the target engine; (d) determining an intake port voltage recovery rate of the target engine to be modeled; (e) determining a turbine cooling air flow rate of the target engine to be modeled; (f) determining a fan pressure ratio of the target engine to be modeled; And (g) setting the turbine cooling air flow rate determined from the step (e) and the fan pressure ratio determined in the step (f) as conditions for setting the intake port voltage recovery rate of the target engine determined from the step (d) Performing an optimization analysis for each of the one or more critical design variables extracted in step (c) to find values in the design area that satisfy the engine performance of the aircraft for each of the one or more critical design variables Wherein the optimization analysis in the step (g) is performed by an adaptive random search method.
바람직한 실시예에 따라, 상기 엔진은 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬 엔진을 대상으로 하는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment, the engine may be for a low-bypass turbofan engine for a supersonic aircraft.
바람직한 실시예에 따라, 상기 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율은 GASTURB 프로그램을 통해 제공되는 흡입구 전압력 회복율 선도에 0.88 ~ 1.37 의 계수를 적용한 값일 수 있다.According to a preferred embodiment, the intake port voltage recovery rate of the target engine may be a value obtained by applying a coefficient of 0.88 to 1.37 to the intake port voltage recovery rate diagram provided through the GASTURB program.
바람직한 실시예에 따라, 상기 타깃 엔진의 터빈 냉각공기 유량은 엔진 코어 질유량(mass flow)의 15% ~ 25% 범위의 값일 수 있다.According to a preferred embodiment, the turbine cooling air flow rate of the target engine may be in the range of 15% to 25% of the engine core mass flow.
도 1은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 모델링 방법에 적용되는 타깃 엔진의 일 예인 F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진을 나타내는 도면.
도 3은 도 2의 F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진의 사이클 해석을 위한 엔진 모델을 나타내는 도면.
도 4는 도 2의 F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진의 주요 설계변수들의 5% 변화에 따른 민감도 해석 결과를 나타내는 도면.
도 5는 도 2의 F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진의 흡입구 전압력회복율을 나타내는 도면.
도 6은 도 2의 F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진의 압축기 단수와 각 단에서의 압력비 경향성을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 모델링 방법의 최적화 해석에 적용되는 어댑티브 랜덤 서치법(Adaptive Random Search Method)을 설명하기 위한 도면.
도 8 및 도 9는 탈설계점 해석에 적용된 저압압축기 및 고압압축기 성능선도를 각각 나타낸 도면.
도 10은 엔진 모델과 참고문헌 1의 저압압축기 작동선 비교값을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 따른 모델링 방법에 적용된 고압터빈 성능선도와 작동선을 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 따른 모델링 방법에 적용된 저압터빈 성능선도와 작동선을 나타낸 도면.
도 13 내지 도 16은 본 발명에 따른 모델링 방법에 적용되는 부분 부분 성능 해석결과를 나타내는 도면.
도 17 및 도 18은 밀리터리 파워(Military Power) 조건에서의 고도, 속도 변화에 따른 전추력(Gross Thrust) 및 연료 유량(Fuel Flow)을 각각 나타내는 도면.
도 19 및 도 20은 최대 추력(Max. AB Power) 조건에서의 고도, 속도 변화에 따른 전추력(Gross Thrust) 및 연료 유량(Fuel Flow)을 각각 나타내는 도면.1 is a flow chart illustrating a method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention;
2 is a view showing an F100-PW-229 low-bypass turbo fan engine, which is an example of a target engine applied to the modeling method according to the present invention.
3 is a view showing an engine model for cycle analysis of the F100-PW-229 low-bypass turbo fan engine of FIG. 2;
FIG. 4 is a view showing a sensitivity analysis result according to a change of 5% of main design parameters of the F100-PW-229 low-bypass turbofan engine of FIG. 2; FIG.
5 is a view showing the inlet voltage force recovery rate of the F100-PW-229 low-bypass turbo fan engine of FIG. 2;
6 is a view showing the number of compressors and the pressure ratio tendency at each stage of the F100-PW-229 low-bypass turbo fan engine of FIG. 2;
FIG. 7 is a diagram for explaining an adaptive random search method applied to optimization analysis of a modeling method according to the present invention. FIG.
Figs. 8 and 9 are diagrams showing the performance diagrams of the low-pressure compressor and the high-pressure compressor applied to the off-design point analysis, respectively.
10 is a view showing an engine model and a comparison value of a low-pressure compressor operating line of
11 is a diagram showing performance curves and operating lines of a high-pressure turbine applied to the modeling method according to the present invention.
12 is a diagram showing performance curves and operating lines of a low-pressure turbine applied to the modeling method according to the present invention.
FIGS. 13 to 16 are diagrams showing partial partial performance analysis results applied to the modeling method according to the present invention. FIG.
17 and 18 are graphs showing the total thrust force and the fuel flow rate according to the altitude and the speed change under the military power condition, respectively.
19 and 20 are graphs showing total thrust force and fuel flow rate according to altitude and speed change under the condition of maximum AB power, respectively.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소 들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
한편, 이하의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명은 후기연소기가 장착된 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬 엔진을 예로 들어 설명하고 있지만, 그 외의 다른 항공기용 엔진에 대해서도 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.Meanwhile, as will be apparent from the following description, it should be understood that the present invention is also applicable to other aircraft engines, although the present invention is described by taking a low-bypass turbofan engine for a supersonic aircraft equipped with a later combustor as an example.
도 1은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법은, 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진을 선정하는 제 1 단계(S101); 상기 타깃 엔진의 설계 변수들의 값을 포함하는 기초 성능자료를 수집하는 제 2 단계(S102); 상기 제 2 단계를 통해 수집된 설계 변수들에 대한 민감도를 분석하여 상기 타깃 엔진의 성능에 영향을 미치는 하나 이상의 중요 변수를 추출하는 제 3 단계(S103); 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율을 결정하는 제 4 단계(S104); 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 터빈 냉각공기 유량을 결정하는 제 5 단계(S105); 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 팬 압력비를 결정하는 제 6 단계(S106); 및 상기 제 4 단계로부터 결정된 상기 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율과, 상기 제 5 단계로부터 결정된 상기 터빈 냉각공기 유량과, 상기 제 6 단계에서 결정된 상기 팬 압력비를 설정조건으로 하여, 상기 제 3 단계에서 추출된 상기 하나 이상의 중요 설계 변수로부터 최적의 목적 함수값을 구하기 위한 최적화 해석을 수행하는 제 7 단계(S107)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention includes: a first step (S101) of selecting a target engine to be modeled; A second step (S102) of collecting basic performance data including values of design parameters of the target engine; A third step (S103) of analyzing sensitivity to the design variables collected through the second step and extracting one or more important variables that affect the performance of the target engine; A fourth step (S104) of determining the intake port voltage recovery rate of the target engine to be modeled; A fifth step (S105) of determining a turbine cooling air flow rate of the target engine to be modeled; A sixth step (S106) of determining a fan pressure ratio of the target engine to be modeled; And the turbine cooling air flow rate determined from the fifth step, and the fan pressure ratio determined in the sixth step are set as conditions for setting the intake-port voltage recovery rate of the target engine determined from the fourth step, the turbine cooling- And a seventh step (S107) of performing an optimization analysis to obtain an optimal objective function value from the at least one important design variable.
바람직한 실시예에 따라, 상기 제 7 단계(S107)에서의 상기 최적화 해석은 어댑티브 랜덤 서치법(Adaptive Random Search Method)에 의해 수행되는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment, the optimization analysis in the seventh step (S107) may be performed by an adaptive random search method.
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법의 각 세부 단계 내용을 살펴보면 다음과 같다.
Referring to FIG. 1, details of each detailed step of a method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention will be described.
[[ 모델링의Modeling 대상이 되는 타깃 엔진을 선정하는 제 1 단계( A first step of selecting a target engine to be a target S101S101 )])]
본 발명자들은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법의 제 1 단계로서, 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진을 선정하는 과정을 수행하였다.The present inventors performed a process of selecting a target engine to be modeled as a first step of a method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention.
바람직한 실시예에 따라, 타깃 엔진은 후기연소기가 장착되어 있으며, F-15 및 F-16에서 사용되는 저바이패스 F100-PW-229 엔진을 대상으로 하는 것일 수 있다.According to a preferred embodiment, the target engine may be of a low bypass F100-PW-229 engine fitted with a late combustor and used in F-15 and F-16.
도 2는 본 발명에 따른 모델링 방법에 적용되는 타깃 엔진의 일 예인 F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진을 나타낸 것이다.2 shows a F100-PW-229 low-bypass turbo-fan engine, which is an example of a target engine applied to the modeling method according to the present invention.
F100-PW-229 엔진은 3단 팬과 10단의 압축기, 2단 저압터빈과 2단 고압터빈으로 구성되어 있는 쌍스풀 터보팬 엔진 형태를 가진다. 또한, F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진은 밀리터리 파워(Military Power), 79.1kN, 최대 후기연소기 파워(Maximum Afterburner Power), 129.6kN 의 추력을 발생하며 비연료 소모율은 Military Power, 77.5kg/kNㆍh, Maximum Afterburner Power, 197.8kg/kNㆍh 의 특성을 가진다.
The F100-PW-229 engine has a two-spool turbo fan engine configuration consisting of a three-stage fan, a ten-stage compressor, a two-stage low pressure turbine and a two-stage high pressure turbine. In addition, the F100-PW-229 low-bypass turbo fan engine generates Military Power, 79.1kN, Maximum Afterburner Power, and 129.6kN of thrust. The non-fuel consumption rate is 77.5kg / kN · h, Maximum Afterburner Power, and 197.8 kg / kN · h.
[타깃 엔진의 설계 변수들의 값을 포함하는 기초 성능자료를 수집하는 제 2 단계([The second step of collecting the basic performance data including the values of the design parameters of the target engine S102S102 )])]
본 발명자들은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법의 제 2 단계로서, 웹사이트 및 공개 루트를 통해 타깃 엔진의 설계 변수들의 값을 포함하는 기초 성능자료를 수집하는 과정을 수행하였다.As a second step of a method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention, the inventors performed a process of collecting basic performance data including values of design parameters of a target engine through a website and a public route.
예를 들어, 엔진 사이클 시뮬레이션을 생성하기 위한 가용한 데이터의 양과 그것들의 적합성은 조건마다 다르다.For example, the amount of data available to generate engine cycle simulations and their suitability vary from condition to condition.
일반인들이 구할 수 있는 엔진의 시장 브로셔에는 실제 엔진데이터 대신 엔진의 바이패스비, 터빈 온도, 유량과 같은 몇몇 주요 값만을 보여준다. 또한, 다른 작동점의 값을 혼합하여 보여주기 때문에 원천데이터로서는 신뢰성이 낮다.The market brochures of the engines available to the public show only some key values, such as the engine's bypass ratio, turbine temperature, and flow rate, instead of the actual engine data. In addition, since the values of the other operating points are mixed and shown, reliability as the source data is low.
다음의 표 1은 웹사이트 및 공개 루트를 통해 수집한 F100-PW-229 엔진 기초 자료이다.Table 1 below is the F100-PW-229 engine base data collected via the website and public route.
[표 1][Table 1]
본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법에서는 웹사이트 및 공개된 관련 자료를 기반으로 하여 엔진 성능 모델링을 수행하였으며, 상기 표 1은 수집된 F100-PW-229 터보팬 엔진의 기초 성능자료를 보여준다. 표 1의 내용은 엔진에 대한 특정값을 나타내지 못하며, 일정 범위 안에서 엔진 성능치를 예측해서 사용해야 함을 알 수 있다.In the method of modeling the engine performance of the aircraft according to the present invention, the engine performance modeling was performed based on the website and related related data. Table 1 shows basic performance data of the collected F100-PW-229 turbo fan engine Show. The contents of Table 1 do not show the specific value for the engine, and it is understood that the engine performance value should be predicted within a certain range.
한편, 다음의 표 2는 웹사이트 및 공개 루트를 통해 수집한 F100-PW-229 엔진의 구성품 특성을 나타낸다. 엔진의 구성품의 특성치는 탈설계점 해석시 필수적으로 요구되며, 그 신뢰성에 따라 엔진의 운용 성능을 정확히 확인할 수 있다.Meanwhile, the following Table 2 shows the component characteristics of the F100-PW-229 engine collected through the website and public route. The characteristic value of the components of the engine is indispensably required in the analysis of the undesigned point, and the performance of the engine can be confirmed accurately according to the reliability thereof.
[표 2][Table 2]
[상기 제 2 단계를 통해 수집된 설계 변수들에 대한 민감도를 분석하여 상기 타깃 엔진의 성능에 영향을 미치는 하나 이상의 중요 변수를 추출하는 제 3 단계(A third step of analyzing the sensitivity of the design parameters collected through the second step and extracting one or more important variables that affect the performance of the target engine S103S103 )])]
본 발명자들은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법의 제 3 단계로서, 저바이패스 터보팬 엔진 모델링을 위해 사용되는 시뮬레이터 프로그램(예를 들어, GASTURB 프로그램)에 적용될 하나 이상의 중요 변수를 추출하는 과정을 수행하였다.As a third step of the method for modeling the engine performance of an aircraft according to the present invention, the present inventors extracted one or more important variables to be applied to a simulator program (for example, a GASTURB program) used for low-bypass turbofan engine modeling .
구체적으로, 도 3은 F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진 사이클 해석을 위한 엔진 모델을 나타내며, 본 발명자들은 F100-PW-229 터보팬 엔진 설계점 해석을 위해 수집된 설계변수 이외의 미지수인 설계변수들에 대하여 추력과 연료소모율에 대한 민감도 해석을 수행하였다.3 shows an engine model for the F100-PW-229 low-bypass turbo fan engine cycle analysis. The inventors of the present invention found that the design parameters other than the collected design variables for the F100-PW-229 turbofan engine design point analysis Sensitivity analysis for thrust and fuel consumption rate was performed for design variables.
도 4는 주요 설계변수들의 5% 변화에 따른 민감도 해석 결과를 나타낸다.Figure 4 shows the sensitivity analysis results for 5% variation of major design variables.
도 4를 통하여, 설계 변수 중 Turbine Cooling Air, Fan과 터빈 효율이 엔진 성능에 크게 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
4, Turbine Cooling Air, fan and turbine efficiency among the design variables have a great influence on engine performance.
[[ 모델링의Modeling 대상이 되는 타깃 엔진의 흡입구 전압력 The inlet voltage of the target engine 회복율을The recovery rate 결정하는 제 4 단계( The fourth step of determining S104S104 )])]
본 발명자들은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법의 제 4 단계로서, 엔진 모델링을 위해 사용되는 시뮬레이터 프로그램(예를 들어, GASTURB 프로그램)에 적용될 설정값인 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율을 결정하는 과정을 수행하였다.As a fourth step of a method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention, the present inventors determine the intake port voltage recovery rate of a target engine, which is a set value to be applied to a simulator program (for example, a GASTURB program) .
구체적으로, 특정 엔진들에 대한 흡입구 전압력 회복율 정보는 극히 드물며, 본 발명자들은 엔진 모델링을 위해 사용되는 시뮬레이터 프로그램(예를 들어, GASTURB 프로그램)에서 기본적으로 제공되는 흡입구 전압력 회복율 선도에 0.88 ~ 1.37 의 계수를 적용하여 설계점 및 탈설계점의 목표값에 수렴하도록 성능 선도를 재구성하였다.Specifically, the inlet voltage force recovery rate information for specific engines is extremely rare, and the present inventors have found that the inlet voltage regeneration rate basically provided in a simulator program (for example, a GASTURB program) used for engine modeling has a coefficient of 0.88 to 1.37 And the performance map was reconfigured so as to converge to the target values of the design point and the off-design point.
도 5는 본 발명의 제 4 단계 과정 수행에 따라, 엔진 성능 모델링용으로 재구성된 흡입구 전압력 회복율을 나타낸다.
5 shows the intake port voltage recovery rate reconstructed for engine performance modeling according to the fourth step of the present invention.
[[ 모델링의Modeling 대상이 되는 타깃 엔진의 터빈 냉각공기 유량을 결정하는 제 5 단계( A fifth step of determining the turbine cooling air flow rate of the target engine to be the target ( S105S105 )])]
본 발명자들은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법의 제 5 단계로서, 엔진 모델링을 위해 사용되는 시뮬레이터 프로그램(예를 들어, GASTURB 프로그램)에 적용될 설정값인 타깃 엔진의 터빈 냉각공기 유량을 결정하는 과정을 수행하였다.As a fifth step of a method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention, the inventors of the present invention calculate a turbine cooling air flow rate of a target engine, which is a set value to be applied to a simulator program (for example, a GASTURB program) .
예를 들어, F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진의 터빈 냉각공기 유량을 설정하기 위해서는 터빈의 수명과 엔진 성능 값을 고려하여 설정해야 하며, 바람직한 실시예에 따라, 본 발명에서는 엔진 코어 질유량(mass flow)의 15%~25% 범위 안에서 터빈 냉각 공기 유량을 설정하였다.
For example, in order to set the turbine cooling air flow rate of the F100-PW-229 low-bypass turbo fan engine, it is necessary to set the life time of the turbine and the engine performance value in consideration of the value of the engine performance. The turbine cooling air flow rate was set within the range of 15% to 25% of the mass flow.
[[ 모델링의Modeling 대상이 되는 타깃 엔진의 팬 Fans of the target engine to be targeted 압력비를Pressure ratio 결정하는 제 6 단계( (Step < RTI ID = 0.0 > S106S106 )])]
본 발명자들은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법의 제 6 단계로서, 엔진 모델링을 위해 사용되는 시뮬레이터 프로그램(예를 들어, GASTURB 프로그램)에 적용될 설정값인 타깃 엔진의 팬 압력비를 결정하는 과정을 수행하였다.As a sixth step of a method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention, the inventors of the present invention determine the fan pressure ratio of a target engine which is a set value to be applied to a simulator program (for example, a GASTURB program) .
예를 들어, GASTURB 프로그램에서 F100-PW-229 터보팬 엔진의 팬(Fan)은 저압압축기를 의미하며, 내부 팬(Inner fan) 영역(Station 25)과 외부 팬(Outer fan) 영역(station 13)으로 구성된다.For example, in the GASTURB program, the fan of the F100-PW-229 Turbo Fan Engine refers to the low pressure compressor and has an Inner fan area (Station 25) and an Outer fan area (station 13) .
예를 들어, 도 6은 압축기 단수와 각 단에서의 압력비 경향성을 나타내며, 각 점들은 해석에 적용된 팬과 고압압축기의 압력비를 의미한다. 코어와 바이패스 전압력비는 최대 추력을 얻기 위해 거의 일치해야 한다. 3단 팬 압축비를 4.04로 설정하고 설계점 해석시 코어와 바이패스 출구의 전압력이 각각 327.71kPa, 287.71kPa 로 유사한 결과를 구했으며, 설계점 해석결과 적용된 팬 압력비와 고압압축기 압력비 값이 타당하는 것을 알 수 있다.
For example, FIG. 6 shows the number of compressors and the pressure ratio tendency at each end, where each point represents the pressure ratio of the fan and high pressure compressor applied to the analysis. The core and bypass pre-pressure ratio should closely match to obtain maximum thrust. The third-stage fan compression ratio was set to 4.04, and the voltage outputs of the core and the bypass outlet were 327.71 kPa and 287.71 kPa, respectively. The fan pressure ratio and the pressure ratio of the high- Able to know.
[상기 제 3 단계에서 추출된 상기 하나 이상의 중요 설계 변수로부터 최적의 목적 [From the one or more critical design variables extracted in the third step, 함수값을Function value 구하기 위한 최적화 해석을 수행하는 제 7 단계(A seventh step of performing optimization analysis for obtaining S107S107 )])]
본 발명자들은 본 발명에 따른 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법의 제 7 단계로서, 상기 제 4 단계 내지 제 6 단계에서 산출된 데이터들을 기초로 하여 최적화된 목적 함수값을 산출하는 과정(본 실시예에서는 "Total Fuel Flow"를 최소화하는 과정)을 수행하였다.The seventh step of the method for modeling an engine performance of an aircraft according to the present invention is a method for calculating an optimized objective function value based on the data calculated in the fourth to sixth steps The process of minimizing "Total Fuel Flow" was performed.
바람직한 실시예에 따라, 본 발명의 제 7 단계 과정인 최적화 해석 과정은 상기 제 4 단계로부터 결정된 상기 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율과, 상기 제 5 단계로부터 결정된 상기 터빈 냉각공기 유량과, 상기 제 6 단계에서 결정된 상기 팬 압력비를 설정조건으로 하여 수행될 수 있다.According to a preferred embodiment, the optimization analysis process as a seventh step of the present invention includes the steps of: calculating a recovery rate of the intake port voltage of the target engine determined from the fourth step, the turbine cooling air flow rate determined from the fifth step, The fan pressure ratio may be set as a set condition.
ㆍ최적화 이론ㆍ Optimization theory
저바이패스 터보팬 엔진 최적화 문제는 여러개의 국부적 극점들이 존재하는 글로벌(global) 최적화 문제이기 때문에 최적점을 찾기 위해서는 많은 계산량이 요구된다.The low-bypass turbofan engine optimization problem is a global optimization problem in which there are several local extreme points, so a large amount of computation is required to find the optimum point.
예를 들어, 랜덤 서치법(Random Search Method)은 글로벌 최적화 문제에 널리 사용되고 있는 방법 중의 하나이다. 이 방법은 알고리즘이 상대적으로 단순하며, 목적함수의 형태에 영향을 적게 받기 때문에 목적함수의 특성에 대한 정보가 극히 제한적인 공학적 문제에 적용될 때 많은 장점을 지니고 있다.For example, the Random Search Method is one of the widely used methods for global optimization problems. This method has many advantages when the algorithm is relatively simple and has little effect on the shape of the objective function, so that information on the characteristics of the objective function is applied to the engineering problem which is extremely limited.
그러나, 랜덤 서치법의 수렴은 확률적으로만 언급될 수 있으며, 엄밀한 의미에서 수렴은 목적함수의 계산 회수가 무한대가 될 때만 보장될 수 있다.However, the convergence of the random search method can only be referred to in terms of probability, and in a strict sense convergence can be ensured only when the number of calculations of the objective function becomes infinite.
또한, 이러한 랜덤 서치법의 수렴은 전적으로 무작위 추정치(random trial number)의 평균값과 분산에 직접적인 영향을 받는다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 수렴 속도를 개선하기 위해서 랜덤 서치법의 일부를 수정한 어댑티브 랜덤 서치법(Adaptive Random Search method)을 사용하였다.Also, convergence of this random search method is directly affected by the mean value and variance of the random trial number directly. Therefore, in the present invention, an adaptive random search method is used in which a part of the random search method is modified to improve convergence speed.
어댑티브 랜덤 서치법은 현재까지의 최적화 과정에서 보여준 경로를 바탕으로 무작위 추정치의 평균값과 분산을 최적화 단계마다 보정해 주는 방법이다.The adaptive random search method is a method that corrects the average value and variance of random estimates for each optimization step based on the route shown in the optimization process so far.
최적화 시킬 변수의 수를 "n" 이라 할 때, 무작위 추정 변수는 아래의 식 (1)과 같이 n 차원의 구(sphere) 안에서 균일한 확률을 가지고 생성된다. 이러한 관계가 도 7에 나타나 있다.Assuming that the number of variables to be optimized is "n", the random estimation variable is generated with a uniform probability in the n-dimensional sphere as shown in the following equation (1). This relationship is shown in Fig.
상기 식 (1) 에 있어서, Vⅰ *, Ri 은 n 차원 벡터로서 현재까지의 최적 설계 변수와 추적 방향을 의미한다.In the above equation (1), V i * and R i are n-dimensional vectors, which means the optimum design parameters up to the present and the tracking direction.
변수 "c" 는 추적 구(Search Sphere)의 반경을 의미하며, "k"는 최적화 단계를 나타낸다.The variable "c" means the radius of the search sphere, and "k"
만약, Ri 이 0 이라면 어댑티브 랜덤 서치법은 현재까지 추적한 최적점 주위에서만 다음 단계의 최적점을 찾게 된다. 현재까지의 최소화 과정으로부터 다음 단계의 추적 범위를 결정하는 것에 대해서는 다음의 식 (2)를 사용하였다.If R i is 0, the adaptive random search method finds the optimal point of the next step only around the optimum point that has been traced so far. The following formula (2) is used to determine the tracking range of the next step from the minimization process so far.
상기 식 (1) 및 식 (2)에 적용된 변수들을 정의하면 다음과 같다.The variables applied to the equations (1) and (2) are defined as follows.
다음의 표 3 및 표 4는 밀리터리 파워(Military Power) 를 만족하는 해석을 위한 주요 변수와 구속 조건을 각각 나타낸다.The following Tables 3 and 4 show the main parameters and constraint conditions for the analysis satisfying the military power, respectively.
[표 3][Table 3]
[표 4][Table 4]
다음의 표 5는 F100-PW-229 저바이패스 터보팬 엔진의 파라미터 최적 결과를 나타낸다.Table 5 below shows parameter optimal results for the F100-PW-229 low-bypass turbo-fan engine.
표 5에서는, 설계점의 목표값을 밀리터리(Military Power) 로 설정하였다.In Table 5, the target value of the design point is set to Military Power.
[표 5][Table 5]
여기서, Military Power 는 후기연소기가 작동하지 않는 상태에서의 최대 가용 추력을 의미한다. 또한 여기서는, Sea level, Mach Number 0.2, ISA, Bleed Air 0%, Power offtake 12kW 조건에 대하여 해석하였다.Here, Military Power means the maximum usable thrust when the late combustor is not operating. In this case, Sea level, Mach number 0.2, ISA, Bleed
다음의 표 6은 설계점 해석결과를 보여주고 있다.The following Table 6 shows the results of the design point analysis.
[표 6][Table 6]
상기 표 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, Military Power 에 대한 설계점 해석결과 요구조건을 만족하는 결과값을 산출하였음을 알 수 있다.
As can be seen from Table 6, it can be seen that the result value satisfying the requirement of the design point analysis result for the military power is calculated.
[항공기의 엔진 성능을 [Engine performance of aircraft 모델링하기Modeling 위한 그 밖의 과정들] Other processes for
◎ ◎ 탈설계점Off-design point 해석 Translate
앞서 검토한 바와 같은, 본 발명의 제 1 단계(S101) 내지 제 7 단계(S107)의 과정에 의한 설계점 해석 이외에 다음의 탈설계점 해석을 포함하는 과정을 더 수행함으로써 항공기의 엔진의 세부 성능을 더욱 정확하게 모델링할 수 있다.In addition to the design point analysis by the process of the first step (S101) to the seventh step (S107) of the present invention as described above, Can be more accurately modeled.
구체적으로, 설계점을 벗어난 지점에서 항공기 구성품 효율을 예측하기 위해서는 적합한 구성품 선도가 요구된다. 구성품 성능 선도를 축적하는 일반적인 방법은 성능 선도의 설계점 데이터를 새로운 엔진의 설계점 데이터에 맞도록 축척인자 값을 구하여 구성품 성능도의 전체 데이터에 곱하는 방법이다. 이 방법은 기존의 엔진과 새로운 엔진의 성능이 비슷하여야 신뢰성이 높은 구성품 선도를 만들 수 있다. 실제 성능이 유사한 성능 선도를 얻는다는 것은 매우 어렵다. 본 발명자들은 아래와 같이 GASTURB 프로그램에서 적용하는 축적기법을 적용하여 유사 구성품 성능 선도를 축적하여 해석에 적용하였다.Specifically, proper component design is required to predict aircraft component efficiency at points outside the design point. A general way to accumulate component performance leads is to multiply the performance data of the performance lead by the scale factor value to fit the design point data of the new engine and multiply the whole data of the component performance. This method is capable of creating a reliable component lead by matching the performance of the existing engine with that of the new engine. It is very difficult to obtain a performance map similar to the actual performance. The present inventors applied the accumulation technique applied in the GASTURB program as follows to accumulate the similar component performance diagram and apply it to the analysis.
또한, 다음의 표 7은 위의 식 (3) 내지 (6) 을 이용하여 계산된 엔진성능 모델에 적용하는 저, 고압 압축기, 터빈 성능선도의 스케일 팩터(scale factor)를 나타낸다.The following Table 7 shows the scale factor of the low, high-pressure compressor, turbine performance diagram applied to the engine performance model calculated using the above equations (3) to (6).
[표 7][Table 7]
ㆍ부분 부하 성능 해석ㆍ Part load performance analysis
설계점 해석에서 설계점의 값이 정확하더라도 탈설계점 해석에서 적용되는 구성품의 특성치가 실제 엔진의 특성을 반영하지 못하면 정확한 엔진 성능이 불가능할 수 있다. 엔진 구성품의 특성치는 엔진 제조회사의 고유한 정보이므로 공개되어 있는 자료는 극히 없는 실정이다. 따라서, F100-PW-229 터보팬 엔진 압축기 특성과 유사한 압축기 성능선도를 조사하였으며, B.L.Koff, "F100-PW-229 Higher Thrust in Same Frame Size", J. Eng. Gas Turbines Power, Volume 111, Issue 2, April, 1989 의 문헌(이하, 참고문헌 1)에 나와 있는 엔진 시험데이터를 통한 압축기 성능 데이터를 Smooth C 프로그램을 이용하여 탈설계점 해석에 적용할 수 있는 압축기 성능선도를 생성하였다. 시험데이터 사이의 값들은 interpolation 을 통해 성능선도를 구축하였다. 도 8 및 도 9는 탈설계점 해석에 적용된 저, 고압압축기 성능선도를 나타낸다.Although the value of the design point is accurate in the design point analysis, accurate engine performance may not be possible if the characteristic value of the component applied in the design point analysis does not reflect the characteristics of the actual engine. The characteristics of the engine components are unique to the engine manufacturer, so there is no data available. Therefore, the performance of compressors similar to those of the F100-PW-229 turbofan engine compressor was investigated. B.L. Koff, "F100-PW-229 Higher Thrust in Same Frame Size", J. Eng. A compressor capable of applying compressor performance data through the engine test data described in the literature of Gas Turbines Power, Volume 111,
도 10은 엔진 모델과 상기 참고문헌 1의 저압압축기 작동선 비교값을 도시하고 있다. 도 10을 통해, 해석 결과와 시험데이터가 잘 맞음을 알 수 있다.10 shows the engine model and the low pressure compressor operating line comparison value of the
또한, 터빈 성능 선도의 경우 터빈의 운용 범위가 매우 좁기 때문에 GASTURB 프로그램에서 제공하는 일반적인 터빈 성능선도를 스케일링하여 해석에 적용하였다.Also, because the operating range of the turbine is very narrow for the turbine performance diagram, the general turbine performance diagram provided by the GASTURB program is scaled and applied to the analysis.
도 11 및 도 12는 엔진 모델에 적용된 터빈 성능선도와 작동선을 나타내고 있으며, 구체적으로 도 11은 고압터빈 성능선도와 작동선을 나타내고 있고, 도 12는 저압터빈 성능선도와 작동선을 나타내고 있다.11 and 12 show a turbine performance diagram and an operating line applied to the engine model. Specifically, FIG. 11 shows the performance line and the operating line of the high-pressure turbine, and FIG. 12 shows the performance line and the operating line of the low-pressure turbine.
부분부하 성능은 설계요구 수정회전속도 이하의 엔진 가스발생기 회전수에 따른 성능으로 정의한다.The partial load performance is defined as the performance according to the number of revolutions of the engine gas generator which is less than the design required correction rotational speed.
도 13 내지 도 16은 부분부하 성능 해석 결과를 나타내고 있다. 구체적으로 도 13은 "Gross Thrust vs. GG Spool Speed" 결과를 나타내고, 도 14는 "Fuel Flow vs. GG Spool Speed" 결과를 나타내고, 도 15는 "Mass Flow vs. GG Spool Speed" 결과를 나타내고 있으며, 도 16은 "HPC 압력비 vs. GG Spool Speed" 결과를 나타내고 있다.13 to 16 show partial load performance analysis results. Specifically, FIG. 13 shows the result of "Gross Thrust vs. GG Spool Speed", FIG. 14 shows the result of "Fuel Flow vs. GG Spool Speed", FIG. 15 shows the result of "Mass Flow vs. GG Spool Speed" , And Fig. 16 shows the result of "HPC pressure ratio versus GG spool speed ".
ㆍ고도, 속도 변화에 따른 해석ㆍ Analysis according to altitude and speed change
도 17 및 도 18은 고도, 속도 변화에 따른 Gross Thrust, Fuel Flow 를 나타내며 곡선들은 위에서부터 아래로 Sea Level 부터 10kft, 30kft, 50kft, 60kft 까지의 엔진덱 자료와 해석 결과값을 나타내고 있다. 구체적으로, 도 17은 "Gross Thrust vs. Mach Number(Military Power)" 결과를 나타내고 있으며, 도 18은 "Fuel Flow vs. Mach Number(Military Power)" 결과를 나타내고 있다.FIGS. 17 and 18 show the gross thrust and the fuel flow according to the altitude, the speed change, and the curves show the engine deck data and the analysis result values from Sea Level to 10kft, 30kft, 50kft, and 60kft from the top to the bottom. Specifically, FIG. 17 shows the results of "Gross Thrust vs. Mach Number (Military Power)", and FIG. 18 shows the results of "Fuel Flow vs. Mach Number (Military Power)".
도 17 및 도 18을 함께 참조하면, Gross Thrust 의 경우 Sea Level, 초음속 영역에서 차이를 보여주고 있으나 다른 영역에서는 엔진 모델의 결과가 엔진덱 결과와 유사한 경향을 보여 준다. 연료 소모율은 속도가 증가할수록 오차가 커지지만 경향성은 유사하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 차이의 원인은 추정치로 적용된 구성품 값들의 정확도에 있으며 특히 흡입구 압력 회복율은 엔진 유입 유량에 직접적으로 영향을 미치므로 해석에 적용된 값은 임의의 값으로부터 추정한 값이기에 특정 영역에서 오차가 발생하는 주요 원인이라 볼 수 있다. 본 과정을 통해 구축된 엔진 성능 모델에 실제 엔진의 상세한 성능 제한치와 구성품 성능도가 적용되면 보다 신뢰성 높은 해석값을 구할 수 있을 것으로 이해된다.
Referring to FIGS. 17 and 18, Gross Thrust shows a difference in sea level and supersonic region, but in other regions, the result of the engine model is similar to that of the engine deck. The fuel consumption rate increases as the speed increases, but the tendency is similar. The reason for this difference is the accuracy of the component values applied as the estimates. In particular, since the inlet pressure recovery rate directly affects the engine inflow flow rate, the values applied to the analysis are estimated from arbitrary values, This is a major cause. It is understood that more reliable analytical value can be obtained if the detailed performance limit of the actual engine and the component performance are applied to the engine performance model constructed through this process.
◎ 후기연소기 적용 사이클 해석◎ Cycle analysis of late combustor application
고성능의 군용 초음속 항공기는 항상 고속으로 비행하지 않고 필요시에 단시간 동안만 추력을 증가시킬 수 있어야 하므로, 최신형 전투기에는 터보제트 엔진보다 우수한 저바이패스 터보팬 엔진에 후기연소기를 장착하여 사용하고 있다.High-performance military supersonic aircraft are not always flying at high speeds and should be capable of increasing thrust only for a short period of time if needed. Therefore, the latest fighter is equipped with a late burner in a low-bypass turbofan engine superior to a turbojet engine.
밀리터리 파워(Military Power) 기준의 F100-PW-229 엔진 성능 모델을 기초로 하여 후기연소기를 고려한 엔진 성능 모델로 재구축하여 성능해석을 수행하였다.
Based on the F100-PW-229 engine performance model based on the Military Power standard, the performance model was reconstructed with the engine performance model considering the late combustor.
ㆍ후기연소기 적용 ㆍ Application of late combustor 설계점Design point 해석 Translate
엔진덱을 통한 후기연소기를 적용한 엔진 성능값에 수렴하기 위하여 GASTURB 프로그램의 파라메트릭 반복해석 방법을 이용하여 후기연소기 설계 변수값을 설정하였으며, 이에 따라 설계점 해석을 수행하였다.In order to converge the performance value of the engine using the late burner through the engine deck, the design parameters of the late combustor were set by using the GASTURB program parametric iterative analysis method.
Sea Level, ISA 조건에서 후기연소기 적용 엔진 성능값은 Gross Thrust 113.727kN, 연료량 6.7kg/s 를 나타낸다.In Sea Level, ISA condition, the engine performance value of late combustor is 113.727kN of Gross Thrust and 6.7kg / s of fuel amount.
다음의 표 8은 파라메트릭 반복해석을 통해 설정된 후기연소기 설계변수값을 나타낸다.The following Table 8 shows the values of the late combustor design variables set through the parametric iterative analysis.
[표 8][Table 8]
이론적으로, 후기연소기 연소 온도는 모든 산소가 소모된다고 할 때 근사적인 화학량적으로 2300K ~ 2500K 에 도달한다고 알려져 있다.Theoretically, it is known that the combustion temperature of the latter combustor reaches an approximate stoichiometry of 2300K to 2500K, assuming that all the oxygen is consumed.
후기연소기 연소 온도는 다음의 식 (7)을 이용하여 예측할 수 있으며, "Modeling of the Performance of a F100-PW229 Equivalent Engine under Sea-Level Static Conditions", 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Aug, 2-5, 2009 의 문헌(이하, 참고문헌 2)에서 주어진 후기연소기 유입 온도 870K와 화학량적 온도 2500K 를 적용하여 약 2337K에 도달할 수 있다는 것을 알 수 있다.The combustion temperature of the latter combustor can be predicted by using the following equation (7), and it is predicted that the combustion temperature of the latter combustor can be predicted using the following equation (7) It can be seen that it can reach about 2337K by applying the late combustor inlet temperature of 870K and stoichiometric temperature of 2500K given in Exhibit, Aug, 2-5, 2009 (hereinafter referred to as Reference 2).
본 후기연소기 적용 엔진 성능 모델에는 손실을 고려하여 후기연소기 연소 온도에 2200K 를 적용하였다.In the engine performance model of the latter combustor, 2200 K was applied to the combustion temperature of the latter combustor in consideration of the loss.
후기연소기의 효율은 연소된 가스와 혼합되어 있는 공기를 연소하는 것이기 때문에 연소 효율이 연소기 효율(0.98)에 비해 낮은 값을 적용하였다.Since the efficiency of the latter combusts the air mixed with the combusted gas, the combustion efficiency is lower than the combustor efficiency (0.98).
후기연소기 적용 설계점 해석 결과 후기연소기 유입 온도가 864K 로 해석 결과가 적절함을 알 수 있으며, 후기연소기 적용 엔진 성능 해석 결과 Gross Thrust Error 1.16%, Fuel Flow Error 0.93% 로 설계점 해석이 타당함을 알 수 있다.
As a result of analysis of the design point for the late combustor, it can be understood that the result of analysis of the late combustor inlet temperature is 864K, and the analysis result of the engine applied to the late combustor is 1.16% for the gross thrust error and 0.93% for the fuel flow error. Able to know.
ㆍ 후기연소기 적용 ㆍ Application of late combustor 탈설계점Off-design point 해석 Translate
도 19 및 도 20은 고도, 속도 변화에 따른 Gross Thrust, Fuel Flow 를 나타낸다. 구체적으로, 도 19는 "Gross Thrust vs. Mach Number(MAX. Afterburner Power)" 결과를 나타내고 있으며, 도 20은 "Fuel Flow vs. Mach Number(MAX. Afterburner Power)" 결과를 나타내고 있다.19 and 20 show the gross thrust and the fuel flow according to the altitude and the velocity change. 19 shows the result of "Gross Thrust vs. Mach Number (MAX. Afterburner Power)", and FIG. 20 shows the result of "Fuel Flow vs. Mach number (MAX.
도 19 및 도 20에서, 곡선들은 위에서부터 아래로 Sea Level 부터 10kft, 30kft, 50kft, 60kft 까지의 엔진덱 자료와 해석 결과값을 나타낸다.In FIGS. 19 and 20, the curves show engine deck data and analysis results from Sea Level to 10kft, 30kft, 50kft, and 60kft from top to bottom.
Gross Thrust 의 경우 엔진덱 결과와 유사한 경향을 보여주고 있으나 연료 소모율은 저고도, 초음속 영역에서 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 차이는 후기연소기에서의 연료 소모율은 연소기에서의 연료 소모율에 유입 공기유량을 더한 값에 비례하므로, 해석에 적용된 흡입구 압력 회복율 값이 크다고 판단할 수 있다.Gross Thrust shows a similar tendency to the engine deck results, but the fuel consumption rate differs in the low and supersonic regions. The difference is that the fuel consumption rate in the latter combustor is proportional to the fuel consumption rate in the combustor plus the inflow air flow rate, so that the inlet pressure recovery rate applied to the analysis can be considered to be large.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (4)
(a) 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진을 선정하는 단계;
(b) 상기 타깃 엔진의 설계 변수들의 값을 포함하는 기초 성능자료를 수집하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계를 통해 수집된 설계 변수들에 대한 민감도를 분석하여 상기 타깃 엔진의 성능에 영향을 미치는 하나 이상의 중요 설계 변수를 추출하는 단계;
(d) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율을 결정하는 단계;
(e) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 터빈 냉각공기 유량을 결정하는 단계;
(f) 상기 모델링의 대상이 되는 타깃 엔진의 팬 압력비를 결정하는 단계; 및
(g) 상기 (d) 단계로부터 결정된 상기 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율과, 상기 (e) 단계로부터 결정된 상기 터빈 냉각공기 유량과, 상기 (f) 단계에서 결정된 상기 팬 압력비를 설정조건으로 하여, 상기 (c) 단계에서 추출된 상기 하나 이상의 중요 설계 변수 각각에 대한 최적화 해석을 수행하여, 상기 하나 이상의 중요 설계 변수 각각에 대한 상기 항공기의 엔진 성능을 만족시키는 값을 설계영역 내에서 찾아내는 단계를 포함하되,
상기 (g) 단계에서의 상기 최적화 해석은 어댑티브 랜덤 서치법(Adaptive Random Search Method)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법.A method of modeling an engine performance of an aircraft,
(a) selecting a target engine to be modeled;
(b) collecting basic performance data including values of design parameters of the target engine;
(c) analyzing sensitivity to the design parameters collected through the step (b), and extracting one or more important design variables that affect the performance of the target engine;
(d) determining an intake port voltage recovery rate of the target engine to be modeled;
(e) determining a turbine cooling air flow rate of the target engine to be modeled;
(f) determining a fan pressure ratio of the target engine to be modeled; And
(g) determining a turbine cooling air flow rate determined from the step (e), and the fan pressure ratio determined in the step (f) as conditions for setting the intake port voltage recovery rate of the target engine determined from the step (d) performing an optimization analysis for each of the one or more critical design variables extracted in step (c) to find values within the design area that satisfy the engine performance of the aircraft for each of the one or more critical design variables, ,
Wherein the optimization analysis in step (g) is performed by an adaptive random search method.
상기 엔진은, 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬 엔진인 것을 특징으로 하는 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법.The method according to claim 1,
Wherein the engine is a low-bypass turbo-fan engine for a supersonic aircraft.
상기 타깃 엔진의 흡입구 전압력 회복율은 GASTURB 프로그램을 통해 제공되는 흡입구 전압력 회복율 선도에 0.88 ~ 1.37 의 계수를 적용한 값인 것을 특징으로 하는 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the intake port voltage recovery rate of the target engine is a value obtained by applying a coefficient of 0.88 to 1.37 to a suction port voltage recovery rate diagram provided through the GASTURB program.
상기 타깃 엔진의 터빈 냉각공기 유량은 엔진 코어 질유량(mass flow)의 15% ~ 25% 범위의 값인 것을 특징으로 하는 항공기의 엔진 성능을 모델링하는 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the turbine cooling air flow rate of the target engine is in the range of 15% to 25% of the engine core mass flow.
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