مدل‌سازي ديناميكي موتور توربوفن دومحوره با جريان مخلوط شونده با اهداف كنترلي

Control oriented dynamic modeling of mixed flow dual shaft turbofan engine

موتورهاي توربيني هوايي داراي ديناميك پيچيده‌اي مي‌باشند. پيچيدگي‌هاي ساختاري موتور از يك‌سو و شرايط محيطي مختلف از سوي ديگر بر عملكرد موتور تأثير مي‌گذارند. در اين شرايط كنترل موتور بايد به‌گونه‌اي باشد كه اغتشاشات بر عملكرد صحيح موتور اثر نامطلوبي نگذاشته و موتور نيز پاسخ قابل قبولي به تراست درخواستي خلبان بدهد. ازاين‌رو نياز به مدل‌سازي دقيق موتور كه هم ديناميك اجزاي متعدد موتور را تحت پوشش قرار داده و هم از جنبه‌ي كنترل و بهينه‌سازي موتور قابليت استفاده داشته باشد، از اهميت بسزايي برخوردار است. در پژوهش حاضر، مدل‌سازي ترموديناميكي موتور توربوفن دومحوره با جريان مخلوط شونده در نقاط طراحي و بر اساس نقشه عملكردي استخراج‌شده از نرم‌افزار گزترب انجام‌شده و مدل‌سازي ديناميكي موتور توربوفن، با استفاده از تئوري نقاط خارج از نقطه طراحي در محيط نرم‌افزار متلب سيمولينك پياده‌سازي شده است. نتايج حاصل از مدل با نتايج پژوهش‌هاي با موتور مشابه مقايسه شده و تطبيق قابل قبولي را به دست آورده است و لذا قابليت استفاده در فرآيند طراحي كنترلر را فراهم مي آورد. در پايان آناليز حساسيت براي پارامترهايي مانند تراست، دور محور فشار بالا، محور فشار پايين، دماي محفظه احتراق و فشار فن موتور انجام‌شده است.

Aero-engines have complex dynamics. Structural complexities on one hand and different environmental conditions, on the other hand, affect the engine performance. Due to mentioned complexities, the aero-engines should be controlled in such a way that the disturbances do not affect the correct operation of the engine while the engine responds satisfactorily to the pilot request. Due to the complexity of the aero-engines behavior, the model-based control design of engines has attained significant attention. Therefore, the need for accurate engine modelling that covers both the dynamics of various engine components and can be used in terms of control and optimization of the engine is of strategic importance. In the present study, thermodynamic modelling of a dual spool turbofan engine with the mixed flow has been done in the design points (on-design) based on a performance map extracted from Gasturb software; in the next phase, a control-oriented dynamic model of the turbofan engine has been developed in MATLAB Simulink using off-design theory. The comparison of the model result with similar engine experimental data shows satisfactory agreement for control-oriented aims. Finally, a sensitivity analysis is performed for parameters such as thrust, high-pressure and low-pressure spools speed, combustion chamber temperature and engine fan pressure.