터보샤프트 엔진의 천이 모델링 및 제어 = Transient Modeling and Control of Turboshaft Engine

국문 초록 (Abstract)

MATLAB/SIMULINK™ 환경하에서 터보 축 엔진의 천이 상태 특성을 분석하였으며 PI제어를 이용하여 엔진의 출력 터빈 속도를 제어하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 4개의 엔진 주요 구성품(압축기, 연소기, 가스발생기 터어빈, 출력터어빈)에는 유체 혼합공간(mixing volume)을 갖고 있으며 유로를 따라 각 구성품간의 유체의 흐름이 발생한다. 각 제어 공간(control volume)의 가스 상태는 압력, 온도, 유량으로 표현되며, 이때 열역학적 에너지 상태를 구할 수 있다. 제어공간으로 유입되고 나가는 유량은 질량평형이 성립해야 하며 회전체의 동역학은 주어진 에너지(토크)에 대한 구성품의 회전관성 모멘트와 회전각속도의 관계를 따른다. 엔진의 천이상태는 대표적으로 연료 유량의 변화에 따라 나타나면 연료 유량의 변화에 따른 잉여토크는 엔진의 회전수를 증가시키는 효과를 묘사하였다. 본 엔진 모델에 제어기를 적용하기 위해 엔진모델을 선형화 하였으며 선형모델의 검증과정을 거쳐 로터 회전속도를 제어어하는 제어기를 설계하였다. 개발된 제어기로 인해 연료 유량변화에 대한 엔진의 응답속도가 개선됨을 알 수 있었다. 또한 이러한 제어기를 이용하여 엔진의 운용 범위 내에서 엔진의 가속과 감속에 대한 성능 해석을 수행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents a design method of the speed control of the turboshaft engine. A nonlinear dynamic model of the turboshaft engine is developed to predict the transient behavior using mixed flow model (MF) and control volume (CV) model method. The dynamic model is constructed using MATLAB/SIMULINK™ and consists of 4 major components which are compressor, burner, gas turbine and power turbine. Each component is connected to the other through the flow of mass and energy. Due to the variation of fuel flow rate, a torque unbalance is produced, which is integrated to change the rotational speed of the engine. Several linearized models are derived at various operating conditions and the qualities of the each linear model is verified by simulations. The speed control is designed, and simulation is performed to evaluate the performance of the speed control.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 = 1
• 1.1 연구 개발의 필요성 = 1
• 1.2 국내·외 관련기술 현황 = 2
• 1.3 연구 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안 = 3
• 1.4 본 연구 내용 요약 = 3
• 제 2장 엔진 모델링 = 4
• 2.1 엔진 모델링 = 4
• 2.2 각 구성품의 모델링 수식 = 5
• 2.3 연료혼합 가스의 열역학적 계산 = 11
• 2.4 각 구성품의 일 계산 = 11
• 2.5 Quasi-Steady 모델링 수식 및 반복계산 해법 = 13
• 제 3장 터보축 엔진의 SIMULINK 모델링 = 16
• 3.1 해석 프로그램 구성 = 16
• 3.2 반복계산 = 16
• 제 4장 정상상태 성능 검증 = 18
• 4.1 정상상태 입력조건 = 18
• 4.2 정상상태 해석 결과 = 19
• 제 5장 엔진 선형모델 및 제어기 설계 = 23
• 5.1 비선형엔진의 선형 모델 = 23
• 5.2 출력터빈 회전 속도 제어기 설계 = 27
• 제 6장 결론 = 32
• 참고문헌 = 33
• APPENDIX = 35
• ABSTRACT = 38