소형 가스터빈 엔진은 무인 항공기 및 소규모 비상 발전 시스템의 동력 기관으로서 각광받고 있으며, 중대형 가스터빈 엔진의 기초연구 및 가스터빈 교육용으로도 큰 의미를 가지고 있다. 현재 다수의 국내외 업체에서는 소형 가스터빈의 교육용 실험 장치를 제조 및 판매하고 있으나, 모두 운전 영역에서의 데이터 수집만이 가능하고 상용 ECU가 엔진을 제어하고 있기 때문에 소형 가스터빈의 열유체 역학적인 현상을 관측하는 것만이 가능하기 때문에 특정 목적에 따른 실험 변수의 제어를 통한 심화된 연구가 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 사용자의 활용도가 높은 LabVIEW 소프트웨어 및 하드웨어의 신호 수집, 제어 및 분석 체계를 이용하여 소형 가스터빈의 실험 변수 제어 및 데이터 수집, 분석이 하나의 통합된 시스템 내에서 수행될 수 있는 Intefrated Modifiable Test Rig의 설계 및 제작이 수행되었다.
소형 가스터빈 엔진은 무인 항공기 및 소규모 비상 발전 시스템의 동력 기관으로서 각광받고 있으며, 중대형 가스터빈 엔진의 기초연구 및 가스터빈 교육용으로도 큰 의미를 가지고 있다. 현재 다수의 국내외 업체에서는 소형 가스터빈의 교육용 실험 장치를 제조 및 판매하고 있으나, 모두 운전 영역에서의 데이터 수집만이 가능하고 상용 ECU가 엔진을 제어하고 있기 때문에 소형 가스터빈의 열유체 역학적인 현상을 관측하는 것만이 가능하기 때문에 특정 목적에 따른 실험 변수의 제어를 통한 심화된 연구가 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 사용자의 활용도가 높은 LabVIEW 소프트웨어 및 하드웨어의 신호 수집, 제어 및 분석 체계를 이용하여 소형 가스터빈의 실험 변수 제어 및 데이터 수집, 분석이 하나의 통합된 시스템 내에서 수행될 수 있는 Intefrated Modifiable Test Rig의 설계 및 제작이 수행되었다.
Micro gas turbine engine is well known as a power plant of unmanned aerial vehicle and a small scale emergency generation system and also, it is significant as initial research of large gas turbine and educational purpose of gas turbine. Many sort of Micro gas turbine test set for education is produ...
Micro gas turbine engine is well known as a power plant of unmanned aerial vehicle and a small scale emergency generation system and also, it is significant as initial research of large gas turbine and educational purpose of gas turbine. Many sort of Micro gas turbine test set for education is produced by several manufacturers, but all of the engine control system of them is separated with data acquisition system; moreover, the engine control algorithms are inaccessible and related variables could not be collected. In this investigation, the Integrated Modifiable Test Rig which has modifiable engine start-up, drive and situational control logics is developed by LabVIEW with I/O devices and it provides wide experimental applicability to studies of dynamic characteristics of fuel system and combustion instability.
Micro gas turbine engine is well known as a power plant of unmanned aerial vehicle and a small scale emergency generation system and also, it is significant as initial research of large gas turbine and educational purpose of gas turbine. Many sort of Micro gas turbine test set for education is produced by several manufacturers, but all of the engine control system of them is separated with data acquisition system; moreover, the engine control algorithms are inaccessible and related variables could not be collected. In this investigation, the Integrated Modifiable Test Rig which has modifiable engine start-up, drive and situational control logics is developed by LabVIEW with I/O devices and it provides wide experimental applicability to studies of dynamic characteristics of fuel system and combustion instability.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기존의 가스 터빈 엔진 실험 장치를 보다 본격적인 제어 및 성능 해석 연구에 적합한 장치로 개선하기 위하여 엔진 제어및 데이터 수집이 하나의 시스템으로 통합되며그 내용의 변경이 용이한 IMTR (Integrated Modifiable Test Rig)을 구축하였다. Fig.
본 연구에서는 상용 ECU를 통하여 제어 되던 일반적인 소형가스터빈 시험장비를 LabVIEW 및 관련된 입출력 장치들을 사용하여 IMTR (Integrated Modifiable Test Rig)으로 개량함으로써 엔진 성능 변수 제어 및 성능 변수들의 수집이 단일화된 플랫폼에서 실현가능하게 하였다. 또한, LabVIEW DAQ Device의 출력 기능을 통하여 엔진성능 변수들의 데이터에 따라 실험자의 연구목적에 맞게 성능 변수들을 제어할 수 있도록 하였으며, 제어 및 데이터 수집 인터페이스의 최적화로 더욱 정확하고 정밀한 엔진 제어 연구가 가능해지도록 하였다.
제안 방법
또한, 시동 및 추력 급상승 시 TIT의 Overshoot 으로 인한 터빈 손상을 방지하기 위하여 TIT가 설정한 온도까지 올라갈 시에 연료 유량을 빠른 속도로 제어하기 위한 Fuel Return valve를 설치하였다. Figure 7은 모든 제어 하드웨어 및 신호 수집 센서가 연결된 SC-2345 Carrier의 사진이다.
본 연구에서는 상용 ECU를 통하여 제어 되던 일반적인 소형가스터빈 시험장비를 LabVIEW 및 관련된 입출력 장치들을 사용하여 IMTR (Integrated Modifiable Test Rig)으로 개량함으로써 엔진 성능 변수 제어 및 성능 변수들의 수집이 단일화된 플랫폼에서 실현가능하게 하였다. 또한, LabVIEW DAQ Device의 출력 기능을 통하여 엔진성능 변수들의 데이터에 따라 실험자의 연구목적에 맞게 성능 변수들을 제어할 수 있도록 하였으며, 제어 및 데이터 수집 인터페이스의 최적화로 더욱 정확하고 정밀한 엔진 제어 연구가 가능해지도록 하였다.
Figure 3은 J850의 단면도로 압축기, 연소실, 터빈으로 구성되어 있으며, 압축구간과 연소구간, 팽창구간으로 나뉘어져 있다. 이에 따른 각 영역의 성능 파라메터 값들을 수집할 수 있도록 각각의 필요한 위치에 센서를 장착하여 그 값들을 받고 성능해석 및 성능 제어에 쓰일 수 있도록 하였다. Table 2는 Fig.
대상 데이터
본 연구에서 사용 될 National Instrument社의 PCI6221 DAQ Board(Fig.2참조) 및 SCC2345 DAQ Carrier는 8개의 아날로그 입력 외에 8개의 디지털 입/출력, 2개의 아날로그 출력, 2개의 카운터 입/출력이 지원되는 장치이다. 채널 당 최대 10kS/s정도의 해상도가 필요하므로 250kS/s의 아날로그 입력 샘플링률은 다른 디지털 출력 및 카운터 입력을 동시에 사용하더라도 충분한 샘플링률을 확보할 수 있게 한다.
성능/효과
1) 채널 당 40S/sec로 12채널 (온도4채널, 압력6채널, 로드셀 1채널, 유량센서 1채널)의 AI와 1채널의 GPCTR 펄스 신호의 RPM 수집 및 데이터 저장하며, 필요 시 원하는 채널의 해상도를 10kS/s까지 증가 가능.
더불어 이러한 각 제어 및 모니터링 로직은 FPGA 모듈이 지원되는 LabVIEW 하드웨어를 사용 시 실기에 직접 탑재할 수 있는 엔진 제어 유닛으로 비교적 손쉽게 개발 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 할 수 있다.
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