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문제 정의
- 이와 같은 실시간 시뮬레이터를 이용하여 가상 엔진 시뮬레이터를 개발하여 기 개발하여 사용 중인 소형제트엔진 성능시험장치에 적용하고자 한다.
제안 방법
- 개발된 SIMULINK 성능모델 프로그램은 상수 블록을 이용하여 고도, 마하수, 표준대기온도 변화, RPM값을 입력 값으로 하였으며, 최종 출력 값으로 진추력, 비연료소모율 SFC, 연료유량, 공기유량, 각 단별 온도, 압력 값이 계산 되도록 구성되어 있다. 그리고 서브시스템 블록에는 Fcn 블록을 이용하여 주요 열역학적 관계식들의 계산이 이루어진다[9].
- 본 연구에서는 기존의 소형제트엔진 성능시험 장치에 실시간 가상 엔진 시뮬레이터를 적용하여 실제 엔진 테스트와 가상 엔진 테스트를 다목적으로 수행할 수 있도록 소형제트엔진 성능 시험장치를 업그레이드 하였다. 실시간 시뮬레이터를 구현하기 위해서는 실시간 엔진 모델(S/W)과, 실시간 엔진 모델을 임베디드하여 독립적으로 구동 가능한 실시간 target machine(H/W)이 요구 된다.
- 실시간 모니터링 화면은 사용자가 엔진 테스트 중 실시간으로 계측되는 데이터를 한눈에 쉽게 읽고 확인할 수 있도록 Fig. 4와 같이 LabVIEW를 이용하여 개발하였다.
- 실시간 엔진 모델을 구현하기 위해 시험 데이터를 이용한 선형 SIMULINK 모델을 개발하였다. 구현된 소형제트엔진 성능시험장치 대상 엔진의 실시간 엔진 모델은 Fig.
- 실시간 엔진 시뮬레이터의 실시간 엔진 모델은 소형제트엔진 성능시험장치의 터보제트 엔진을 대상으로 하였으며, MATLAB/SIMULINK로 동적 모델을 개발하였다.
- 서브시스템 블록들은 Intake, Compressor, Combustor, Turbine, Jet pipe로 이루어져 있으며 Matching 블록에서 일 조합과 유량조합이 이루어진다. 압축기와 터빈 블록에는 각 구성품의 압축비 및 효율, 유량을 찾기 위해 탐색 서브시스템을 구성하였다. 이 때 각 맵 데이터는 행렬 식으로 저장되어 있다.
- 4와 같이 엔진의 주요 변수인 추력, 연료유량, 공기유량, 배기가스온도(EGT: Exhaust Gas Temperature)의 변화량을 모니터링한다. 여기에서 소형제트엔진 성능시험장치 대상 엔진의 기준 성능 엔진 모델은 앞선 연구를 통하여 개발한 정상상태 성능해석 모델을 이용하였다[8].
대상 데이터
- 현재 운용중인 소형제트엔진 성능시험장치에 가장 많이 장착되어 사용되고 있는 소형제트엔진은 130 N급 터보제트 엔진이며, 본 시험장치를 이용하여 다양한 조건의 엔진성능시험을 수행할 수 있다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 가상 엔진 시뮬레이터도 이 엔진을 대상으로 하였다.
- 소형제트엔진 성능시험장치에 사용된 대상 엔진은 추력 130 N급의 소형 터보제트 엔진으로 주로 Radio Control Micro Aircraft의 추진 장치로 사용되고 있으며 1단 원심 압축기, 역류 애눌러형 연소실, 1단 축류 터빈으로 구성되어 있다. 또한 연료 공급을 위한 연료펌프, 연료필터, 연료밸브 및 점화플러그, 시동 모터 등의 보기류가 있으며 전자식엔진제어장치에 의해 자동으로 제어된다.
- 소형제트엔진 성능시험장치에 사용될 가상 엔진 시뮬레이터의 실시간 하드웨어는 Fig. 12와 같이 MATLAB/SIMULINK와의 호환성을 고려하여 xPC Target Turnkey 제품인 Speedgoat사의 “Performance real-time target machine”을 선정 하였다.
이론/모형
- 실시간 엔진 모델에는 시험 데이터를 이용한 선형 Matlab/SIMULINK 모델을 사용하였고, 실시간 target machine에는 Speedgoat사의“Performance real-time target machine”을 사용하여 구성하였다.
성능/효과
- 14와 같이 수정(corrected) 회전수에 대하여 실시간 엔진 모델의 추력(Thrust)가 선형적으로 보이는 이유는 선형화된 시험데이터를 이용하여 역으로 실시간 엔진 모델을 구성하였기 때문으로 사료된다. 따라서 지상용 성능시험장치로 사용되는 소형제트엔진 성능시험장치의 실시간 엔진 모델로는 사용 가능함을 확인 할 수 있었다.
- 실시간 엔진 모델에는 시험 데이터를 이용한 선형 Matlab/SIMULINK 모델을 사용하였고, 실시간 target machine에는 Speedgoat사의“Performance real-time target machine”을 사용하여 구성하였다. 소형제트엔진 성능시험장치에 통합하여 시험한 결과 실시간 엔진 모델의 출력 데이터는 실제 엔진 성능시험 결과와 일치함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 개발된 가상 엔진 시뮬레이터는 독립적인 교육시스템으로도 활용될 수 있으며, 엔진 제어기 개발 시 테스트 벤치로의 활용도 가능할 것으로 기대된다.
- 그러나 현재 가상 엔진 모드에서는 소형제트엔진 성능시험장치의 전자식엔진제어기와 개발된 실시간 target machine이 연동되지 않고 소형제트엔진 성능시험장치의 TLA(Thrust Lever Angle) 신호를 받아 독립적으로 작동하고 있다. 따라서 추후 ECU로 제어되는 실시간 target machine 인터페이스를 추가 개발할 예정이다.
- 또한 개발된 가상 엔진 모델 외에 다양한 타입의 가상 엔진 시뮬레이터를 개발할 예정이다.
- 새로운 소형제트엔진 성능시험장치는 시뮬레이터를 통해 기존의 문제점이었던 소음이나 운용, 유지비용을 절감할 수 있어 교육 현장에서 더욱 활발하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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