Single spool turbojet engine modelling and control
Tek makaralı turbojet motoru'nun modellenmesi ve kontrolü
- Tez No: 895105
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Bu tez çalışması gaz türbinli motorları ele almaktadır. Gaz türbinli motorlar günümüzde ulaşım, savunma sanayi ve enerji üretim endüstrisi gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. İlk olarak 1700'lü yıllarda ortaya çıkan bu motorlar 1900'lü yıllarda daha da önem kazanmıştır. Yüksek verimlilikte yüksek güçler üretebildiklerinden daha fazla kullanılmaya başlanmıştır. Üretimlerinde kullanılan materyallerin ve tasarımlarının geliştirilmesiyle beraber kullanım alanları artmıştır. Kullanım alanlarındaki değişimler ve tasarım değişiklikleri gaz türbinli motorlarda kullanılan kontrol yöntemlerinin yetersiz kalmasına ve bu nedenle yöntemlerin sürekli geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur. Turbojet motor kontrol yöntemleri hala daha geliştirilmekte ve değişmektedir. Tasarım değişiklikleri gaz türbinli motorlarının kontrolünü karmaşıklaştırılmıştır. Bu karmaşıklık lineer olmayan dinamikler ile geniş bir alanı kapsayan değişken uçuş ve çevre koşullarından kaynaklanmaktadır. Tezin ilk bölümü giriş bölümüdür. Tezin ikinci bölümü, ilk turbojet motoru olan Whittle tipi jet motorundan itibaren geliştirilen çeşitli gaz türbini motorlarına odaklanmaktadır. Turbofan, turboprop, turboşaft ve turbojet motorlarının özellikleri ve çalışma mantıkları sırasıyla anlatılmaktadır. Her motor türünün avantajları, dezavantajları ve geliştirilme nedenleri tartışılmaktadır. Çok şaftlı motorların özellikleri, avantajları ve geliştirilme gerekçeleri anlatılmaktadır. Motorlarda kullanılan farklı bypass oranlarının özellikleri ve geliştirilme nedenleri sunulmaktadır. Bu bilgilerin ardından, tezın ana odağı olan tek şaftlı bir turbojet motoru örneği kullanılarak gaz türbinli motorun çalışma aşamaları ve akışı açıklanmaktadır. Daha sonra, genel gaz türbini motorlarının çalışma prensibi, basınç-hacim ve entalpi-entropi diyagramları kullanılarak Brayton çevrimleri aracılığıyla açıklanmaktadır. Üçüncü bölümde ise bir gaz türbini motorunun modellenmesine yer verilmektedir. Tek şaftlı turbojet motoru, literatürdeki yöntem ve denklemler kullanılarak dinamik denklemlerle modellenmiştir. Modelleme sürecinde turbojet motoru hava girişi, kompresör, yanma odası, türbin ve egzoz olmak üzere beş ana bölgeye ayrılmıştır. Her bölge, içerdiği mekanik bileşenlerle birlikte tanımlanmıştır ve dinamik denklemler literatür yardımıyla elde edilmiştir. Motorlara özgü olan performans haritaları ve tasarım parametrelerinden bahsedilmiştir. Tüm dinamik denklemler ile tasarım parametreleri birleştirilerek bir tek şaftlı turbojet motorunun sıcaklık, basınç ve kütlesel akış değişimleri ortaya konmuştur. Tezin dördüncü bölümünde, yüksek doğruluklu model, turbojet motoru test verileri ile karşılaştırılmış ve modelin performansı gösterilmiştir. Yüksek doğruluklu model'de hali hazırda kullanılan bir jet motorunun performans haritaları ve motora özgü tasarım parametreleri kullanılmıştır. Oluşturulan ve doğrulanan bu model kontrol tasarım işlemleri için çok karmaşık ve çok değişkenlidir. Bu nedenle kontrol tasarım işlemlerini gerçekleştirmek ve tasarımlara ön sınama yapmak amacıyla basitleştirilmiş modeller oluşturulması gerekmektedir. Yüksek doğruluklu modele sentetik giriş değerleri verilerek sentetik çıkış değerleri elde edilmiştir. Elde edilen giriş ve çıkış sinyallerine sistem tanıma deneyleri uygulanmıştır. Bu deneylerin sonucunda yüksek güvenilirlikli modeli temsilen farklı şartlar için oluşturulmuş basit transfer fonksiyonlar elde edilmiştir. Daha sonra oluşturulan bu modellerin yüksek güvenilirlikli model ile yakınsama oranlarına yer verilmiştir. Tezin beşinci bölümü, turbojet motorlarında kullanılan kontrol yöntemlerine ve genel kontrol yapısına odaklanmaktadır. Bu bölümde turbojet motorlarında karşılaşılan kontrol problemleri ele alınmaktadır. Turbojet motorunu kontrol ederken dikkate alınması gereken performans parametreleri ve kontrol gereksinimleri tartışılmaktadır. Bu analiz ve karşılaştırmalarda üç farklı kontrol yöntemi ele alınmaktadır. Bu yöntemler, literatürde bulunan klasik kontrol yöntemleri ile değişken kazançlı kontrolcü ve parçalı doğrusal kontrol yöntemleridir. Üç farklı kontrol yöntemi, basitleştirilmiş turbojet motor modeli transfer fonksiyonları kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarım isterleri, turbojet motorun hızlanması, yavaşlaması ve kontrolcünün gürültü altında tepkisidir. Bu karşılaştırmaları yapmak amacıyla çeşitli senaryolar oluşturulmuştur. Senaryolarda turbojet motorun bulunduğu uçuş koşulları turbojet motorun hızına bağlı olarak değiştirilmiştir. Bu şekilde kontrolcülerin performansı tasarım noktalarından bağımsız olarak çeşitli uçuş koşulları altında incelenmiştir. Tezin altıncı bölümünde ise kontrol yöntemlerinin performansını test etmek için çeşitli senaryolar oluşturulmuştur. Bu senaryoların bir önceki bölümde bahsedilen senaryolardan farkı, uçuş koşullarının, beklenen düzeyde olup turbojet motor hızına bağlı olarak değişmesidir. Beşinci bölümde bahsedilen kontrol yöntemleri, oluşturulan senaryolar kullanılarak yüksek güvenilirlikli turbojet motoru modeli ile MATLAB'da simülasyonlar yoluyla karşılaştırılmıştır. Simülasyon sonuçları ve karşılaştırmalar grafikler ile verilmiştir. Kontrol tasarımının performansını sınayan performans parametrelerinin karşılaştırması simülasyon sonuçlarının verildiği grafiklerin altında karşılaştırılmıştır. Tezin son bölümünde tasarlanan kontrolcülerin simülasyon sonuçları değerlendirilmiştir. Tezde bahsedilen yöntemlerinin hangi şartlar altında kullanılabileceği ve ne gibi gelişim olanaklarına sahip olduğundan bahsedilmiştir.
Özet (Çeviri)
Gas turbine engines are widely used today in transportation, defence industry, and various fields. Among all gas turbine engines, the single-shaft turbojet engine is the closest resemblance to the initial design, the Whittle-type jet engine. But still control of Turbojet Engines evolving because of nonlinear dynamics in different flight and enviromental conditions. Thesis first chapter is an introduction. The second chapter of the thesis focuses on various gas turbine engines developed since the advent of the first turbojet. The characteristics of turbojet, turboprop, turbofan, and turboshaft engines are described in sequence. The advantages and disadvantages of each type of engine, as well as the reasons for their development, are discussed. The features, advantages, and development rationale of multi-shaft engines are examined. The characteristics and development reasons of different bypass ratios that using in engines are presented. Following this concise information, the operating stages and flow of a gas turbine engine are explained using a single-shaft turbojet engine as an example. Subsequently, the working principle of general gas turbine engines is elucidated through Brayton cycles using pressure-volume and enthalpy-entropy diagrams. At third chapter is based on modelling of a Gas Turbine engine. The single-shaft turbojet engine has been modelled with dynamic equations using the methods and equations in literature. The modelling process split the turbojet engine into five main regions: air intake, compressor, combustion chamber, turbine, and exhaust. Each region was described along with the mechanical components involved, and the dynamic equations were derived with the help of literature. In the fourth chapter of thesis, high fidelity model compared with turbojet engine test data and performance of high fidelity model was shown. After that system identification processes were applied to the high fidelity model for create simple engine model to develop control algorithm. The fifth chapter of the thesis focuses on the control methods and general control structures employed in turbojet engines. This chapter also addresses the control problems and modelling disturbances encountered in turbojet engines. The performance parameters and control requirements to be considered when controlling a turbojet engine are discussed. Finally, this chapter presents the structures and algorithms of the classical control method found in the literature and the proposed gain-adaptive and controller-selection control algorithms, which are the objectives of the thesis. In the last section of the thesis, various scenarios have been created to test the performance of two different control methods. The control methods mentioned in the fifth section were compared through simulations in MATLAB using generated scenarios with a turbojet engine model. The simulation results are presented. In the final section of the thesis, the simulation results are explained.
Benzer Tezler
- Aerodynamic design of a novel low pressure compression system for variable-speed micro turbofan
Değişken hızlı micro turbofan için yenilikçi düşük basınçlı kompresör sisteminin aerodinamik tasarımı
MENAL İLHAN CHANBAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERCAN ACARER
- Simulations of a novel low pressure compression system for variable-speed micro turbofan
Değişken hızlı mikro turbofan için özgün bir düşük basınç kompresör sisteminin simulasyonları
MUHAMMET TAYYİP GÜRBÜZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Havacılık Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERCAN ACARER
- Elektrohidrolik kontrollü mobil hidrolik yön denetim valfi tasarımı
The design of electrohydraulic control mobile hydraulic control valve
BURAK YERLİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ
- Doğru akım motoru ve step motorun mikroişlemci yardımıyla sekronizasyonu ve bobin sarma makinesine uyarlanması
The synchronization of a direct current motor and stepper motor using a microprocessor and applied to a coil winding machine
NURİ ÖZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Karaelmas ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SIRRI SUNAY GÜRLEYÜK
- H&-robust optimal kontrol tekniğinin kullanılması ile T 700 turbo motorunun güç türbini hızının kontrolü
Power turbine speed control of the GE-T700 turbo engine using the H -robust optimal control technique
CÜNEYT YILMAZ