Nonlinear observer in control system of a turbine jet engine.

• Autorzy: Pawlak W. I.

Warianty tytułu

PL

Nieliniowy obserwator w układzie sterowania turbinowego silnika odrzutowego.

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The time period of a jet engine full acceleration (from idle run rotating speed to full thrust) is a very important operational parameter. Minimization of this period is an important problem to be solved during the design of the fuel supply and control system. There are many methods of acceleration process control, especially in the case of engines with complicated design configurations. This work presents the problem of acceleration of a simple, single spool turbine jet engine with a so-called stable geometry, in which only one input (control) signal exists - fuel flow rate. Two methods of acceleration control consisting of limitation of the maximum allowable temperature of working medium in front of and behind the turbine in transient states were analyzed. In order to avoid difficulties associated with the direct measurement of actual temperatures, the so-called nonlinear engine observer was applied. With the use of the computer simulation method it was proven that the control algorithm with the limited maximum temperature in front of the turbine makes it possible the shortening of the acceleration time period significantly in comprison with a similar algorithm, that realizes the limitation of temperature behind the turbine.

PL

Czas pełnej akceleracji silnika odrzutowego (od prędkości obrotowej biegu jałowego do pełnego ciągu) jest ważnym parametrem eksploatacyjnym. Minimalizacja tego czasu jest jednym z ważnych problemów do rozwiązania podczas projektowania układu zasilania i sterowania silnika. Istnieje wiele sposobów sterowania procesem akceleracji, szczególnie w przypadku silników o złożonych konfuguracjach konstrukcyjnych. Tu przedstawiono zagadnienie akceleracji prostego, jednowirnikowego turbinowego silnika odrzutowego o tzw. stałej geoemtrii, w którym występuje tylko jeden sygnał wejściowy (sterujący) - wydatek paliwa. Przeanalizowano dwa sposoby sterowania akceleracją, polegające na ograniczaniu w stanach nieustalonych dopuszczalnej maksymalnej wartości temperatury czynnika roboczego przed lub za turbiną. W celu uniknięcia występujących przy tym trudności, związanych z bezpośrednim pomiarem chwilowych wartości temperatury, zastosowano tzw. nieliniowy obserwator silnika. Przy użyciu metody komputerowej symulacji wykazano, że algorytm sterowania z ograniczeniem maksymalnej wartości temperatury przed turbina pozwala na znaczne skrócenie czasu pełnej akceleracji - w porównaniu z anlogicznym algorytmem realizującym ograniczone temperatury za turbiną.

Słowa kluczowe

EN

turbine engine; jet engine; control system; nonlinear observer

PL

silnik turbinowy; silnik odrzutowy; system sterowania; obserwator nieliniowy

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. L, nr 3
• Strony: 227--245
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Pawlak W. I.

• Institute of Aviation, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Bideau R. J.: The development of a computer code for the estimation of combustor exhaust temperature using simple gas analysis measurement. Trans. of the ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1999, Vol. 121, No. 1. pp. 80-88.
• [2] Bussworth D. R., Jones Т. V., Chana K. S.: Unsteady total temperature measurements downstream of о high-pressure turbine. Trans. of the ASME, Journal of Turbomachinery, 1998, Vol. 120, No. 4, pp. 760-767.
• [3] Camp T. R., Day I. J.: A study of spike and modal stall phenomena in a low-speed axial compressor. Trans. of the ASME, Journal of Turbomachinery, 1988, Vol. 120, No. 3, pp. 393-401.
• [4] D'Andrea R., Behnken R. L., Murray R. M.: Rotating stall control of axial flow compressor using pulsed air injection. Trans. of the ASME, Journal of Turbomachinery, 1997, Vol. 119, No. 4, pp. 742-752.
• [5] Dobrianskij G. W., Martianova Т. S.: Dinamika Aviacjonnych GTD. Mašinostrojenije, Moskwa 1989.
• [6] Eveker K. M., et al.: Integrated control of rotating stall and surge in high-speed multistage compression systems. Trans. of the ASME, Journal of the Turbomachinery, 1988, Vol. 120, No. 3, pp. 440-445.
• [7] Freeman C., et al.: Experiments in active control of stall on an aeroengine gas turbine. Trans. of the ASME, Journal of Turbomachinery, 1998, Vol. 120, No. 4, pp. 637-647.
• [8] Hendricks G. J., Sabnis J. S., Feulner M. R.: Analysis of instability inception in high-speed multistage axial-flow compressors. Trans. of the ASME, Journal of Turbomachinery, 1997, Vol. 119, No. 4, pp. 714-722.
• [9] Korczewski Z.: Modelling Gas-Dynamical Processes within a Turbocharging System of a Marine Four-Stroke Engine. Journal of KONES Internal Combustion Engines. Warsaw-Gdynia 2001, Vol. 8, No. 1-2, pp. 213-220.
• [10] De Lucia M., Lafranchi C.: An infrared pyrometry system for monitoring gas turbine blades: Development of a computer model and experimental results. Trans. of the ASME, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 1994, Vol. 116, No. 1, pp. 172-177.
• [11] Lawless P. В., Fleeter S.: Active control of rotating stall in a low-speed centrifugal compressor. AIAA Pap., Journal of Propulsion and Power, 1999, Vol. 15, No. 1, pp. 34-42.
• [12] Olifirof F. N., et al.: Integrirovannaja -Sistema Ypravlenija Silovoj Ustanovki SWWP. Wiestnik MAI, 1996, Vol. 3, No. 1, pp. 19-29.
• [13] Pawlak W. I., Wiklik K., Morawski J. M.: Synteza i Badanie Układów Sterowania Lotniczych Silników Turbinowych Metodami Symulacji Komputerowej. Biblioteka Naukowa Instytutu Lotnictwa, Warszawa 1996.
• [14] Pawlak W. I.: Influence of an Unequality of Gas Thermal Field at the Jet Engine Turbine Inlet on to the Speed of Transient Processes - Result of Experiments with simulation Model. Journal of KONES Internal Combustion Engines Vol.7, Warsaw - Lublin, 2000, Vol. 7, No. 1-2, pp. 426-435.
• [15] Pawlak W. I.: Monitoring of K-15 engines performance on the 1-22 Iryda Airplanes. Polish Theoretical and Applied Mechanics Society, Mechanics in Aviation „ML-VIII", 998, pp. 349-359.
• [16] Pawlak W. I.: Applications of Turbine Jet Engine Operating Parameters Nonlinear Observers 27th International Science Conference on Combustion Engines KONES 2001, September 9-12, 2001, Jastrzębia Góra, Poland, Conference Proceedings, pp. 79-86.
• [17] Saravanamuttoo H. I. H.: Recommended practices for measurement of gas path pressures and temperatures for performance assess of aircraft turbine engines and components. AGARD Advisory Nr 245 Report of the Propulsion and Energetics Panel Working Group 19. June 1990.
• [18] Swaminathan V. P., Allen J. M., Touchton G. L.: Temperature estimation and life prediction of turbine blades using post-service oxidation measurement. Trans, of the ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1997, Vol. 119, No. 4, pp. 922-929.
• [19] Van Essen H. A., de Lange H. С.: Nonlinear Model Predictive Control Experiments on a Laboratory Gas Turbine Installation. Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, April 2001, Vol. 123, pp. 347-352.
• [20] Weigh H. J., et al.: Active stabilisation of rotating stall and surge in a transonic single-stage axial compressor. Trans, of the ASME, Journal of Turbomachinery, 1997, Vol. 120, No. 4, pp. 625-636.