소형 왕복엔진 항공기용 추진성능모델 연구

최원(Won Choi),김광해(Kwang Hae Kim),김지홍(Ji Hong Kim),이원중(Won Joong Lee) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

왕복엔진은 효율, 가격 측면의 우수한 장점으로 소형 프로펠러 항공기에서 많이 사용되고 있다. 국내에서는 KC-100, LSA, PAV, UAV등의 개발에 왕복엔진이 주요하게 사용되고 있다. 본 연구에서는 소형항공기 개념설계에 사용할 수 있는 자연 흡기, 터보차저 엔진에 대한 성능 모델을 구축하였다. 왕복엔진 항공기 순항고도에서의 비행조건을 설계점으로 적용하여 프로펠러 성능해석을 통해 최적 설계를 하였으며 적합한 프로펠러 성능모델을 구축하였다. 엔진 성능 모델과 프로펠러 성능 모델의 결합을 통하여 소형왕복엔진 항공기 성능해석을 위한 통합 추진 성능 모델을 구축하였다. Reciprocating engine is widely used for small propeller driven aircraft. because it is the superior efficiency and low price. Currently, reciprocating engine is used for the development of KC-100, LSA, PAV, UAV in domestic. In this study, Naturally aspirated engine and turbocharger engine performance model is developed. The propeller is designed and analyzed at cruise condition of reciprocating engine aircraft using optimum method, the propeller performance model is developed. The Integrated propulsion performance model is developed, through the matching with engine and propeller performance model, for small reciprocating engine aircraft performance analysis.

가변사이클엔진 성능과 형상 통합 설계 절차 연구

김명호(Myungho Kim),유경원(Gyongwon Ryu),권민찬(Minchan Kwon),황기영(Kiyoung Hwang),민성기(Seongki Min) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12

가변사이클엔진(VCE) 성능과 형상 설계를 통합하고자 엔진 구성품을 정의하고, 사이클 성능 모델과 기본 설계 프로그램을 제시하였다. 사이클 성능 결과는 구성품 설계 요구 조건을 설정하고, 구성품 설계 결과에 따라 사이클 성능 모델을 재설계하였다. 구성품 형상은 엔진 형상 개념 설계 정의에 따라 해당 위치에 배치하고, 그 외 유로는 사이클 성능 모델 결과와 사용자 설계 변수를 반영하여 가시화하였다. 통합 설계 절차는 엔진 성능과 반복설계를 고려하여 설계 흐름과 데이터, 형상 정보 처리로 구분하여 정립하였다. To integrate the performance and geometry design of variable cycle engine(VCE), the engine components were classified and the cycle performance model and the preliminary design programs were proposed. The design requirements of VCE components were fixed by the cycle performance results and the engine cycle model was redesigned considering the results of components design. The engine geometries by the component design were arranged through the concept of VCE geometry. The rest of duct and bypass geometries were visualized using the cycle performance design and user defined properties. In this paper, The procedure of integration design of VCE performance and geometry was established and divided by the design flow path, design and geometry properties in consideration of the engine performance and design iterations.

후기연소기가 장착된 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬 엔진 성능 모델링

최원(Won Choi),이일우(Il-Woo Lee),양준호(Jun-Ho Yang) 한국항공우주학회 2011 韓國航空宇宙學會誌 Vol.39 No.3

엔진 제작사의 엔진 시뮬레이션 상세한 정보는 일반적으로 공개되지 않으며 운용자는 엔진제어를 위해 단지 몇몇 파라미터만을 사용할 수 있다. 따라서, 엔진 성능모델을 생성하기 위해서는 제한된 가용 자료를 기초로 할 수 밖에 없다. 본 논문에서는 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬엔진 성능 모델링에 관해 기술하였다. 대상 엔진은 Pratt and Whitney F100-PW-229 터보팬 엔진을 적용하였다. F100-PW-229 터보팬 엔진성능 모델을 구축하기 위하여 일반적인 공개된 자료와 문헌 정보를 기초로 하여 설계변수들에 대한 민감도 해석 및 Adaptive Random Search method를 이용한 파라미터 최적화 과정을 통하여 미지의 구성품 특성값들을 예측 적용하였다. 엔진덱 데이터와 구축된 엔진성능 모델의 해석 결과 비교를 통하여 엔진성능 모델이 적합하게 구성되었음을 확인하였다. The details of engine manufacturer's engine simulations are generally kept secret and only those parameters that are used for control purposes are accessible to users. Hence, there is often only a limited amount of data accessible for creating a performance model of the engine. The performance modeling of a low bypass turbofan engine for supersonic aircraft is described herein. The Pratt and Whitney F100-PW-229 engine has been employed for low bypass turbofan engine performance modeling. Published data from the open literature are used as initial data for building the F100-PW-229 engine performance model. The unknown components' characteristics were estimated by optimization of parameters using by adaptive random search method and sensitivity analysis with respect to design variables. The engine performance model was evaluated to be properly constructed through the comparison of result of engine performance analysis and engine deck data.

MATLAB/SIMULINK와 LabVIEW를 이용한 소형 터보제트엔진 실시간 정상상태 성능 모니터링 프로그램 개발

공창덕(Changduk Kong),고성희(Seonghee Kho),박길수(Gilsu Park),박광림(Gwanglim Park) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

가스터빈 엔진의 성능은 그 구성품 성능 특성에 큰 영향을 받는다. 보통 이러한 구성품 성능 특성은 엔진 개발 시 각 구성품별 요소시험을 통하여 얻을 수 있지만 이는 제작사의 고유 자산이기 때문에 쉽게 제공되지 않는다. 그렇기 때문에 보통 공개된 유사 성능 맵을 스케일링하거나 역으로 구성품 성능맵을 생성하여 사용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 소형 가스 터빈 엔진 시험 장치를 구성하여 몇 구간에서의 시험을 통해 데이터를 축적하고 이를 이용 하여 맵을 생성 하는 방법을 제시하였다. 또한 SIMULINK와 LabVIEW를 이용하여 GUI기반의 실시간 정상상태 모니터링 프로그램을 개발하였다. 개발한 정상상태 성능 모델의 검증을 위하여 지상 정지 조건에서 실제 측정 데이터 값과 새로 생성한 구성품 성능 맵을 사용한 정상상태 성능해석 결과와 비교하여 개발한 모델을 검증 하였다. The gas turbine engine performance is greatly relied on its component performance characteristics. Usually these components performance characteristic are obtained by each component experimental test, but they are not generally provided by engine supplier. Therefore the component maps for performance simulation are usually obtained by scaling from published similar performance maps or by conversely generating from acquisited performance data. In this study a small jet engine performance test set-up is built, and experimental performance test data of a micro jet engine are acquisited at several engine speed conditions. Then the component maps are inversely generated from the measured performance data. The proposed condition monitoring system is coded in a friendly GUI type program for easy practical application by a commercial tool, MATLAB/SIMULINK and LabView.

소형 선박용 디젤엔진에서 엔진초기화 세팅을 통한 연소성능 및 배기배출물 개선에 관한 연구

류영현,정균식,남정길 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.7

Tugboats that sail along a coast may experience poor engine combustion performance due to frequent entry and departure and frequent change of the ship’s speed. Decrease in combustion performance may cause an increase in specific fuel consumption and an increase in harmful exhaust emissions. Consequently, the engine maintenance cycle may be shortened, and its maintenance cost may increase. An initialization method that returns a small marine diesel engine to the state of a new engine needs to be employed to improve the combustion performance and reduce exhaust emissions. This method involves adjusting the matching of the exhaust turbocharger initialization, fuel injection timing, and fuel injection amount. By using this method, it is possible to optimize the engine by considering its future load range. This study measured and diagnosed the combustion condition of a small ship (tugboat) equipped with a 4-stroke diesel engine, which is currently operated. The methods to improve combustion performance and reduce exhaust emissions were then suggested. When the engine performance was improved through engine initialization, the maximum compression pressure increased by 34.9%, maximum explosion pressure by 24.7%, indicated mean effective pressure by 10.9%, engine output by 20.0%, and specific fuel consumption by 4.2%. Additionally, the exhaust gas temperature decreased by an average of 39.2 °C. The result of exhaust emission measurement revealed that particulate matter decreased by 55.8%, carbon dioxide known as greenhouse gas by 12.5%, carbon monoxide by 74.4%, and nitrogen oxide by 4.4%. 연안을 항해하는 소형선박(Tug boat)은 잦은 입·출항과 잦은 선속 변경으로 엔진의 연소성능이 저하될 수 있다. 연소성능의 저하는 연료 소비율 증가 및 유해 배기배출물 증가의 원인이 될 수 있다. 또한 그러한 이유로 엔진정비 주기가 짧아질 수 있어 엔진정비 비용이 증가될 수 있다. 소형 선박용 디젤엔진의 연소성능 및 배기배출물을 개선하기 위하여 제시된 방안으로 엔진을 신조시의 상태로 돌려보내는 초기화 방법으로 배기 과급기 초기화 매칭, 연료분사시기 및연료분사량을 조정하는 것이며, 이 방법을 이용하여 향후 엔진의 사용부하영역을 고려한 최적화도 가능하다. 본 연구에서는 현재 운항되고 있는 4행정 디젤엔진이 탑재된 소형선박(Tug boat)의 연소상태를 계측하여 진단하였으며, 연소성능개선 및 배기배출물 저감 방안을 제시하였다. 엔진초기화를 통해 엔진성능이 개선된 후에 최고압축압력은 34.9%, 최고폭발압력은 24.7%, 도시평균유효압력은 10.9%, 엔진 출력은 20.0% 증가하였으며, 연료소비율도 4.2% 향상되었다. 또한, 배기가스 온도는 평균 39.2 ℃ 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 배기배출물의 계측결과, Dust(PM)는 엔진성능 개선 후에55.8% 감소하였으며 GHG(Green House Gas)로 알려진 이산화탄소는 12.5%, 일산화탄소는 74.4% 감소하였고 질소산화물도 4.4% 감소되는 결과를 얻었다.

초음속 항공기용 저바이패스 터보팬엔진 성능 모델링

최원(Won Choi),정인면(In Myon Jeong),유재호(Jae Ho You),이일우(Il Woo Lee) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5

본 논문에서는 초음속 항공기용 저바이패스 터보팬엔진 성능 모델링에 관해 기술하였다. 대상 엔진은 Pratt and Whitney F100-PW-229 터보팬 엔진을 적용하였다. 일반적으로 엔진성능에 관한 상세한 상용정보는 알려져 있지 않다. F100-PW-229 터보팬 엔진성능 모델을 구축하기 위해 구성품의 일반적 특성에 대해 서술했으며 가정을 하였다. 엔진성능 해석을 위한 기초자료는 공개된 자료와 문헌정보를 이용하였다. Gasturb11을 이용한 엔진성능 해석 결과 엔진성능 모델이 적합하게 구성되었음을 보여주었다. This paper dealt with the Performance Modeling of a low-bypass turbofan engine for supersonic aircraft. The Pratt and Whitney F100-PW-229 engine has been employed for low-bypass turbofan engine performance modeling. Generally, The complete commercially-classified information concerning the engine are unknown. So, Components" generic characteristics are described and assumptions made in order to model the F100-PW-229 engine performance model. All the analysis has been undertaken using published data taken from the open literature. The results of the Engine Performance using Gasturb11 showed that the Engine performance model was evaluated to be properly constructed.

2스풀 분리 배기 방식 엔진의 정상상태 성능모사 및 작동 진단

추교승,성홍계 항공우주시스템공학회 2019 항공우주시스템공학회지 Vol.13 No.1

There is a growing interest in engine diagnostic technology for gas turbine engines. An engine simulation program, precisely simulating the engine performance, is required in order to apply it to the engine diagnosis technology for engine health monitoring. In particular, the simulation program can predict not only design point performance but also off-design point and partial load performance in accurate. So the engine simulation program for the 2-spool separate flow type turbofan engine was developed and the JT9D-7R4G engine of PW(Pratt & Whitney) was analyzed. The steady-sate performance analysis is conducted at both design and off-design points in flight path and the differences between analysis results of takeoff and cruise conditions are compared. The effect of Reynold’s correction method was analyzed as a scaling method of the engine component performance. The simulation results was compared with NPSS 가스터빈 엔진에 대한 엔진 진단기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 엔진 건전성 진단기술에 적용 가능한 정확한 엔진 성능모사 프로그램의 중요성은 점점 더 커지고 있다. 이를 위한 엔진 성능모사는 설계점 해석으로부터 시작하여 탈설계점 성능모사, 부분부하 성능모사를 정확하게 수행해야 할 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 2-스풀 분리 배기 방식 터보팬 엔진에 대한 엔진 시뮬레이션 프로그램을 개발하고 PW(Pratt & Whitney)사의 JT9D-7R4G 엔진을 해석하였다. 각 비행영역에서의 설계점과 탈설계점에서의 정상상태 성능모사를 수행하고, 최대이륙조건 설계점과 순항상태 설계점의 해석결과의 차이를 비교하였다. 또한 구성품 성능선도 축척법 중 하나인 Reynold’s Correction의 효과를 분석하였다. 개발된 프로그램의 결과와 NPSS의 결과를 비교하여 프로그램을 검증하였다.

소형터보제트엔진 성능 모델링 및 실용성능진단 연구

공창덕(Changduk Kong),박광림(Gwanglim Park),고성희(Seonghee Kho),기자영(Jayoung Ki) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

EHM 시스템은 엔진 성능 변화를 측정하여 어떤 구성품에서 문제가 발생했는지를 진단할 수 있는 시스템으로 오버홀 계획, 성능 저하 등을 예측하는데 사용하여 적시에 정비가 가능하기 때문에 신뢰성 및 유용성을 개선할 수 있다. 이에 본 연구에서는 소형 가스터빈 엔진 성능 시험장치를 구성하여 EHM 시스템에 대한 연구를 수행 하였다. 본 연구에서 제안한 EHM 시스템은 크게 성능감시 모듈, 성능진단 모듈, 경향분석 모듈, 정비주기 예측 모듈로 이루어져 있고 본 연구에서는 먼저 성능감시 모듈과 성능진단 모듈에 대한 연구를 수행 하였다. EHM(Engine Health Monitoring) systems can add significant value by being able to diagnose what components are at the root of a change in engine performance. This information can be used to focus overhaul planning, understand performance degradation, etc. In this study, a small gas turbine engine performance test equipment was manufactured in order to study the EHM system. The EHM system proposed in this study consists of performance monitoring module, performance diagnostics module, trend analysis module, and predictive maintenance cycle module. However, in this study, performance monitoring module and performance diagnostics module were studied.

실험데이터 기반 마이크로 가스터빈엔진 탈 설계점 성능해석

김승재,최성만,이동호 한국추진공학회 2018 한국추진공학회지 Vol.22 No.6

가스터빈엔진의 탈설계점 운전 성능해석을 수행하기 위해서는 구성품의 성능 특성을 파악하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 가스터빈의 성능특성을 이해하기 위하여 마이크로 가스터빈엔진 성능시험장치를 구축하였다. 구축된 마이크로 가스터빈 시험 장치를 이용하여 엔진의 회전수에 따른 유동장내의 온도와 압력 데이터를 수집하였으며, 수집된 실험 데이터를 이용하여 압축기 성능선도를 구성하였다. 터빈 출구부에서 배기가스를 포집하여 연소효율을 계산하였다. 구성된 압축기 성능선도와 연소효율을 GasTurb 성능해석 소프트웨어에 적용하여 지상 정지시의 탈설계점 성능해석을 수행하였고, 측정된 엔진성능데이터와 비교분석을 수행하였다. It is essential to understand the characteristics of gas turbine components in order to carry out an off-design analysis of a gas turbine engine. In this study, a micro gas turbine engine test system was constructed to understand the performance characteristics of gas turbines. The temperature and pressure in the flow path of the micro gas turbine was collected by measuring the engine spool speed, and a compressor map was constructed by using the experimental data. The exhaust gas was collected at the turbine outlet and the combustion efficiency was calculated. An off-design performance analysis at ground static was performed using GasTurb software by applying the compressor map and combustion efficiency obtained from the experimental data. Futhermore, we compared and evaluated the analysis results with engine operating data.

선박 엔진 성능평가를 위한 데이터 및 물리 기반 모델 연동 엔진 시뮬레이션 모델 개발

최요나단,윤성준,이병일,김탁곤,함범철 한국시뮬레이션학회 2024 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.33 No.3

내연기관 엔진 성능평가를 위해서는 다양한 방법이 사용된다. 그러나 기존에 사용되던 방법들에는 각자 한계가 있다. 본 연구에서는 기존 엔진 성능평가 방법들의 한계들을 극복하고자 데이터 기반 모델 및 물리 기반 모델 연동 엔진 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 터보차저 엔진 작동 과정에 관여하는 대표적인 구성 요소들을 식별하고 각 구성 요소는 특성에 맞게 데이터 기반 모델 혹은 물리 기반 모델로 모델링되었다. 설계된 구성 요소 모델들을 C++ 및 Python으로 구현 및 결합하여 엔진 시뮬레이터를 개발하였다. 시뮬레이터의 정상 동작을 확인하기 위하여 여러 변수의 수렴성을 시험하였다. 최종적으로 시뮬레이션 결과와 실제 엔진 시험 결과의 비교에서 대부분 변수가 5% 이하의 오차를 보임에 따라 시뮬레이션 모델이 검증되었음을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 시뮬레이터를 적용한다면 적은 노력으로 다양한 엔진 모델들에 대한 성능평가가 가능할 것으로 기대된다. 동시에 추후 엔진 디지털트윈 개발 시 시뮬레이터가 핵심 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. There are various methods to evaluate performance of a internal combustion engine. However, there have been several limitations for each methods. In this study, to overcome such limitations of a previous method, a data- driven model and physics based model linked simulation model is developed. The representative components of turbocharged engine which participate in running loop of an engine are sorted out. Sorted out components are modeled either by data-driven method or by physics based method. The engine simulator is developed by combining component model using C++ and Python. The convergence of several variables is tested to verify a simulator. Finally, as most variables has shown less than 5% error in comparison between the simulation result and the real engine test result, it is concluded that the simulator is validated. It is expected that the developed simulator could evaluate performance of various engine models with small effort. In addition, it is expected that the developed simulator would play a key role in developing an engine digital twin.