Development of a Small Jet Engine Performance Test Device by Applying the Real-time Gas Turbine Engine Simulator

Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2014.18.6.042

실시간 가스터빈 엔진 시뮬레이터를 적용한 소형 제트엔진 성능시험장치 개발

고성희

․ 공창덕

․ 기자영

Development of a Small Jet Engine Performance Test Device by Applying the Real-time Gas Turbine Engine Simulator

Seonghee Kho

․ Changduk Kong

․ Jayoung Ki

a

EGT Co., LTD, Korea

b

Department of Aerospace Engineering, Chosun University, Korea

*

Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

Test device using virtual engine simulator can help reduce the number of engine tests through tests similar to the actual engine tests and repeat the test under the same condition, and thus reduce the engine maintenance and operating costs. Also, as it is possible to easily implement extreme conditions in which it is hard to conduct actual tests, it can prevent engine damages that may happen during the actual engine test under such conditions. In this study, an upgraded small jet engine performance test device was developed that can conduct both real and virtual engine test by applying real-time engine model to the existing micro jet engine performance test device that was previously developed by authors. This newly developed multi-purpose small jet engine performance test device is expected to be used for various educational and research purposes.

초 록

가상엔진 시뮬레이터를 이용한 시험장치는 실제 엔진을 이용한 시험과 유사한 시험 수행을 통하여 엔 진 시험 횟수를 줄이고 동일한 조건에서 반복 시험이 가능하므로 엔진 정비 및 운용비용을 감소시켜 준 다. 그리고 실제 시험에서 수행하기 어려운 극한 상황을 쉽게 구현할 수 있기 때문에 실제 엔진 시험 시 발생할 수 있는 엔진 손상 및 위험한 시험을 대체해 준다. 본 연구에서는 사전 연구를 통해 개발하였던 소형제트엔진 성능시험장치에 실시간 엔진 모델을 적용하여 실제 엔진 시험과 가상 엔진 시험을 다목적 으로 수행할 수 있는 업그레이드 된 소형제트엔진 성능시험장치를 개발하였다. 새로 개발된 다목적 소형 제트엔진 성능시험장치는 교육용 및 연구용으로 더욱 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Key Words: Virtual Engine Simulator(가상엔진시뮬레이터), Engine Performance Test Device (엔진 성능시험장치), Real-time Simulator(실시간시뮬레이터), Small Jet Engine(소형제트엔진)

Received 5 November 2014 / Revised 14 November 2014 / Accepted 20 November 2014 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548

1. 서 론

사전 연구를 통해 개발하여 운용 중에 있는

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소형제트엔진 성능시험장치는 주로 가스터빈 엔 진의 작동 원리 및 지상 성능 시험에 관한 교육 시 실습용으로 사용된다[1]. 그러나 소음으로 인 해 교육 현장에서 반복적인 엔진 시험이 어려운 점, 정비 주기가 짧고(25~30 시간), 연료소모율이 큰 소형무인기용 제트엔진 사용으로 인해 운용 비용이 많이 소모되는 등의 애로사항이 있어 가 상 엔진 시뮬레이터 개발이 추가적으로 요구 되 었다.

가상 엔진 시뮬레이터는 실제와 거의 동일하 게 실시간으로 엔진 작동을 시뮬레이션 할 수 있어야 한다. 따라서 사용자가 정해 놓은 시간범 위 안에서 입력, 연산, 출력이 이루어지도록 시 뮬레이션 속도가 실제 시스템에서 이뤄지는 속 도만큼 빨라야 한다. 이와 같은 실시간 시뮬레이 션을 수행하기 위해서는 실시간에 가깝게 연산 을 수행할 수 있는 소프트웨어 개발과 적합한 하드웨어가 필요하다[2].

실시간 소프트웨어로는 RT-LAB, dSPACE, xPC Target, NI VeriStand 등이 주로 사용되고, 실시간 하드웨어로는 OPAL-RT Real-Time Simulators, dSPACE SCALEXIO, xPC Target Turnkey, NI PXI 등이 주로 사용된다[3-6].

이와 같은 실시간 시뮬레이터를 이용하여 가 상 엔진 시뮬레이터를 개발하여 기 개발하여 사 용 중인 소형제트엔진 성능시험장치에 적용하고 자 한다.

소형제트엔진 성능시험장치의 추가 모듈로 개 발된 가상 엔진 시뮬레이터는 대상 엔진제어장 치(ECU: Engine Control Unit)의 아날로그 신호 를 가상 엔진 모델의 입력으로 전달 받아 가상 엔진이 운용되고 이때 엔진 상태는 가상 센서를 통하여 센서 신호가 가상 엔진 시뮬레이터의 아 날로그 출력으로 엔진제어장치에 전달되도록 구 성한다. 또한 실제 엔진 시험과 동일한 절차로 시험을 진행하고 실시간 엔진 성능 모니터링 데 이터 및 엔진 소음도 유사하게 모사된다.

개발된 가상 엔진 시뮬레이터는 독립적인 교 육시스템으로도 활용될 수 있으며, 엔진 제어기 개발 시 테스트 벤치로의 활용도 가능할 것으로 기대된다.

2. 엔진성능시험장치 구성

소형제트엔진 성능시험장치는 소형가스터빈 엔진 주요 구성품의 온도 및 압력, 연료유량, 공 기유량, 추력 등을 고정밀도의 센서로 계측하고, 계측된 데이터는 LabVIEW를 이용한 모니터링 프로그램을 통하여 실시간으로 가시화 및 저장 되도록 제작된 교육용 가스터빈 시험장치 이다.

소형제트엔진 성능시험장치는 Fig. 1과 같이 엔 진, 추력 시험대, 공기유량 측정장치, 데이터 계 측 및 획득 장치, 모니터링 장치, 소음기, 배기라 인 등으로 구성되어 있고, Fig. 2와 같은 데이터 처리 흐름 구조를 가지고 있다[1].

엔진은 운용자의 요구에 따라 터보제트, 터보 팬, 터보샤프트, 터보프롭, 램제트 등 다양하게 장착할 수 있다.

현재 운용중인 소형제트엔진 성능시험장치에 가장 많이 장착되어 사용되고 있는 소형제트엔진 은 130 N급 터보제트 엔진이며, 본 시험장치를 이용하여 다양한 조건의 엔진성능시험을 수행할 수 있다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 가상 엔 진 시뮬레이터도 이 엔진을 대상으로 하였다.

2.1 대상 소형터보제트엔진

소형제트엔진 성능시험장치에 사용된 대상 엔 진은 추력 130 N급의 소형 터보제트 엔진으로 주로 Radio Control Micro Aircraft의 추진 장치 로 사용되고 있으며 1단 원심 압축기, 역류 애눌 러형 연소실, 1단 축류 터빈으로 구성되어 있다.

또한 연료 공급을 위한 연료펌프, 연료필터, 연 료밸브 및 점화플러그, 시동 모터 등의 보기류가

Fig. 1 Lay-out of the small jet engine performance

test device.

Fig. 2 Data flow of the small jet engine performance test device.

Type Turbojet

Compressor One stage centrifugal Combustion

Chamber Reverse flow annular Turbine One stage axial Thrust(max.@123,000

rpm) 137 N(14 kgf) RPM Range 33,000~123,000 rpm Exhaust Gas

Temperature (max.) 973 K Fuel Consumption 140 g/min(average)

Fuel Kerosene, Jet A, Diesel Lubrication Oil Mobil Jet2, Exxon

2380 Fuel-oil Mixing

Ratio 20 : 1

Maintenance Cycle 25 hours Dimensions 113 mm(D) x 270

mm(L)

Weight 1,650 g

Table 1. Specification of the small turbojet engine for small jet engine performance test device.

Fig. 3 Configuration of the turbojet engine for small jet engine performance test device.

Fig. 4 Data monitoring system.

있으며 전자식엔진제어장치에 의해 자동으로 제 어된다. Table 1은 소형제트엔진 성능시험장치 대상 엔진의 주요 제원이다[7].

2.3 실시간 성능 모니터링 시스템

실시간 모니터링 화면은 사용자가 엔진 테스 트 중 실시간으로 계측되는 데이터를 한눈에 쉽 게 읽고 확인할 수 있도록 Fig. 4와 같이 LabVIEW를 이용하여 개발하였다.

Fig. 4 에서 성능감시 모듈(performance monitoring module)은 대상 엔진의 기준 성능 엔진 모델과 실시간 계측 데이터를 비교 분석하 는 모듈로 Fig. 4와 같이 엔진의 주요 변수인 추 력, 연료유량, 공기유량, 배기가스온도(EGT:

Exhaust Gas Temperature)의 변화량을 모니터링

한다. 여기에서 소형제트엔진 성능시험장치 대상

엔진의 기준 성능 엔진 모델은 앞선 연구를 통

하여 개발한 정상상태 성능해석 모델을 이용하

였다[8].

2.4 MATLAB/SIMULINK 기준성능모델

개발된 SIMULINK 성능모델 프로그램은 상수 블록을 이용하여 고도, 마하수, 표준대기온도 변 화, RPM값을 입력 값으로 하였으며, 최종 출력 값으로 진추력, 비연료소모율 SFC, 연료유량, 공 기유량, 각 단별 온도, 압력 값이 계산 되도록 구성되어 있다. 그리고 서브시스템 블록에는 Fcn 블록을 이용하여 주요 열역학적 관계식들의 계 산이 이루어진다[9].

서브시스템 블록들은 Intake, Compressor, Combustor, Turbine, Jet pipe로 이루어져 있으 며 Matching 블록에서 일 조합과 유량조합이 이 루어진다. 압축기와 터빈 블록에는 각 구성품의

Fig. 5 Flow chart of performance simulation model program using SIMULINK.

Fig. 6 SIMULINK performance model of I-jet 130.

압축비 및 효율, 유량을 찾기 위해 탐색 서브시 스템을 구성하였다. 이 때 각 맵 데이터는 행렬 식으로 저장되어 있다. Fig. 5는 대상엔진의 정 상상태 성능해석 프로그램에 사용된 순서도 이 고, Fig. 6은 SIMULINK 성능모델 프로그램의

Fig. 7 Turbine subsystem block with turbine map.

Fig. 8 Compressor subsystem block with compressor map.

Fig. 9 SIMULINK performance model of matching

subsystem.

개략도이다.

Turbine과 Compressor 블록에 앞에서 생성한 맵이 Fig. 7, 8과 같이 들어가 적절한 작동점을 찾을 수 있다.

Fig. 9는 일 조합과 유량조합이 수행되는 Matching 서브시스템 이며 일 조합과 유량조합 을 위해 "Stateflow"를 사용하였다.

3. 가상 엔진 시뮬레이터 개발

가상 엔진 시뮬레이터는 소형제트엔진 성능시 험장치 대상 엔진과 동일한 물리적 신호와 데이 터를 입/출력하는 동적 모델을 실시간으로 구현 할 수 있다.

Fig. 10과 같은 실시간 시뮬레이터를 구현하기 위해서는 실시간 엔진 모델(S/W)과 실시간 엔진 모델이 탑재되어 독립적으로 구동 가능한 실시 간 머신(H/W)이 필요하다. 가상 엔진 시뮬레이 터의 구성도는 Fig. 10과 같고 상세사양은 Table 2와 같다.

3.1 실시간 엔진 모델

실시간 엔진 시뮬레이터의 실시간 엔진 모델 은 소형제트엔진 성능시험장치의 터보제트 엔진 을 대상으로 하였으며, MATLAB/SIMULINK로 동적 모델을 개발하였다.

Fig. 10 Real-time engine simulator configuration diagram.

실시간 엔진 모델을 구현하기 위해 시험 데이 터를 이용한 선형 SIMULINK 모델을 개발하였 다. 구현된 소형제트엔진 성능시험장치 대상 엔 진의 실시간 엔진 모델은 Fig. 11과 같다.

3.2 실시간 Target Machine

소형제트엔진 성능시험장치에 사용될 가상 엔 진 시뮬레이터의 실시간 하드웨어는 Fig. 12와 같이 MATLAB/SIMULINK와의 호환성을 고려 하여 xPC Target Turnkey 제품인 Speedgoat사 의 “Performance real-time target machine”을 선정 하였다. “Performance real-time target machine”은 저소음, 고속의 멀티코어 CPU를 제 공하고 랙마운트나 데스크탑에 장착 가능하다.

Model Specification Etc.

H/

W

Performance real-time

target machine

CPU Intel Core i5 3.6 GHz

Speedgoat GmbH.

Memory 2048 DDR2 RAM

Drive

Main: 32 GB Kingston Flash Drive

Hard Disk: 320 GB SATA

Slots 6 PCI(I/O

expansion) Intel Gigabit Ethernet Controller

Speedgoat Tools and Drivers for xPC Target

IO 104

A/I 8 ch, simultaneous sampling

Very fast 16 bit a n a l o g module

A/O 4 single-ended

channels D/I 8 TLL channels D/O 8 TLL channels

IO 107 A/O

16 ch, 3-wire b a l a n c e d differential 16 bit resolution

S/ W

OS/RTOS FreeDOS/ xPC Target kernel

MathWorks

MATLAB(32-bit or 64-bit), Simulink

R2011a or n e w e r releases MATLAB Coder

Simulink Coder xPC Target

Table 2. Real-time engine simulator specification.

Fig. 11 Real-time engine model for small jet engine performance test device.

Fig. 12 Real-time target machine configuration diagram.

4. 통합 및 시험

개발된 실시간 엔진 모델은 실시간 target machine에 임베디드 되어 Fig. 13과 같이 소형 제트엔진 성능시험장치의 옵션 모듈로 구성하였다.

소형제트엔진 성능시험장치에 통합하여 실시 간 엔진 모델의 출력 데이터와 실제 시험데이터 를 비교한 결과 Fig. 14~16과 같은 결과를 보였

Fig. 13 Integrated small jet engine performance test device (MGET™ 30) and real-time target machine configuration diagram.

Fig. 14 Comparison of thrusts by RPM change.

Fig. 15 Comparison of EGT by RPM change.

다. Fig. 14와 같이 수정(corrected) 회전수에 대

하여 실시간 엔진 모델의 추력(Thrust)가 선형적

으로 보이는 이유는 선형화된 시험데이터를 이

용하여 역으로 실시간 엔진 모델을 구성하였기

때문으로 사료된다. 따라서 지상용 성능시험장치

로 사용되는 소형제트엔진 성능시험장치의 실시

Fig. 16 Comparison of compressor outlet pressure by RPM change.

간 엔진 모델로는 사용 가능함을 확인 할 수 있 었다.

Fig. 15의 터빈 출구 온도(T5)와 Fig. 16의 압 축기 출구 압력(P3) 또한 실제 시험 데이터와 유 사한 패턴을 확인할 수 있었다. 이는 실시간 엔 진 시뮬레이터가 필요시 실제 엔진 시험을 대신 할 수 있음을 의미한다. 그러나 현재 가상 엔진 모드에서는 소형제트엔진 성능시험장치의 전자 식엔진제어기와 개발된 실시간 target machine이 연동되지 않고 소형제트엔진 성능시험장치의 TLA(Thrust Lever Angle) 신호를 받아 독립적으 로 작동하고 있다. 따라서 추후 ECU로 제어되는 실시간 target machine 인터페이스를 추가 개발 할 예정이다.

5. 결 론

본 연구에서는 기존의 소형제트엔진 성능시험 장치에 실시간 가상 엔진 시뮬레이터를 적용하 여 실제 엔진 테스트와 가상 엔진 테스트를 다 목적으로 수행할 수 있도록 소형제트엔진 성능 시험장치를 업그레이드 하였다. 실시간 시뮬레이 터를 구현하기 위해서는 실시간 엔진 모델(S/W) 과, 실시간 엔진 모델을 임베디드하여 독립적으 로 구동 가능한 실시간 target machine(H/W)이 요구 된다. 실시간 엔진 모델에는 시험 데이터를 이용한 선형 Matlab/SIMULINK 모델을 사용하 였고, 실시간 target machine에는 Speedgoat사의

“Performance real-time target machine”을 사용

하여 구성하였다. 소형제트엔진 성능시험장치에 통합하여 시험한 결과 실시간 엔진 모델의 출력 데이터는 실제 엔진 성능시험 결과와 일치함을 확인할 수 있었다.

새로운 소형제트엔진 성능시험장치는 시뮬레 이터를 통해 기존의 문제점이었던 소음이나 운 용, 유지비용을 절감할 수 있어 교육 현장에서 더욱 활발하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

또한 개발된 가상 엔진 모델 외에 다양한 타 입의 가상 엔진 시뮬레이터를 개발할 예정이다.

후 기

본 연구는 조선 대학교에서 2014년 연구 자금 지원을 받아 수행된 기초연구사업임.

References

1. Kho, S.H., "MGET30 Manual Version 3.1,"

Easy Gas Turbine Co., Ltd., pp. 1-5, 2012.

2. An, H.J., Seo, H.C. and Kim, C.H.,

"Analysis of THD According to Output Power Fluctuation of Photovoltaic Generation System Using Real Time Simulator", Journal of the Korea Institute of Electrical Engineers, Vol. 61, No. 3, pp.

361-366, 2012.

3. Yahia, B., "OPAL-RT Real-Time Simulators,"

REAL-TIME 2013 CONFERENCE, Paris, France., OPAL-RT, Jun. 2013.

4. Christian, D., "Real-Time Simulation:

Applications to More Electric Aircrafts,"

Embraer, Mar. 2010.

5. Brian, M., "Real-Time Testing with Simulink and xPC Target Turnkey," The MathWorks, Inc, 2010.

6. Jeong, H.M., "Development of the

Automotive and Aerospace Controller for

the RCP & HILS Solution," National

Instruments Co., NIDays, 2013.

7. KingTech T., "KingTech Turbines Manual,"

Ltd., pp. 1-53, Jul. 2013.

8. Kho, S.H., Ki, J.Y. and Kong, C.D.,

"Development of Condition Monitoring Test Cell Using Micro Gas Turbine Engine,"

ASME Turbo Expo, GT-2009-59931 Orlando,

Florida, U.S.A., pp. 375-382, Jun. 2009.

9. Kong, C.D., Kho, S.H. and Ki, J.Y., "A Study on Development of On-line Condition Monitoring Program of a Turbo shaft Engine," Journal of Korea Society of Propulsion Engineers, Vol. 12, No. 6, pp.

7-11, 2008.