Förbättrad förbränningsstabilitet i EBK för turbofläktmotor RM12 genom förändrad motorreglering : Improved afterburner combustion stability for turbofan engine RM12 by modified engine control

(1)

F¨

orb¨

attrad f¨

orbr¨

anningsstabilitet i

EBK f¨

or turbofl¨

aktmotor RM12 genom

f¨

or¨

andrad motorreglering

Examensarbete utfört i Reglerteknik vid Tekniska Högskolan i Linköping

av

Jonas Ervestrand Reg nr: LiTH-ISY-EX–05/3743–SE

(2)

(3)

F¨

orb¨

attrad f¨

orbr¨

anningsstabilitet i

EBK f¨

or turbofl¨

aktmotor RM12 genom

f¨

or¨

andrad motorreglering

Examensarbete utfört i Reglerteknik vid Tekniska Högskolan i Linköping

av

Jonas Ervestrand LiTH-ISY-EX–05/3743–SE

Handledare: Dr. Torbj¨orn Norlander

Lic. Jonas Gillberg

Examinator: Dr. Mikael Norrl¨of

(4)

(5)

Avdelning, Institution Division, Department

Institutionen för systemteknik

581 83 LINKÖPING

Datum Date 2005-04-01 Språk

Language Rapporttyp Report category ISBN X Svenska/Swedish

Engelska/English Licentiatavhandling X Examensarbete ISRN LITH-ISY-EX--05/3743--SE

C-uppsats

D-uppsats Serietitel och serienummer _{Title of series, numbering} ISSN

Övrig rapport

____

URL för elektronisk version

http://www.ep.liu.se/exjobb/isy/2005/3743/

Titel

Title Förbättrad förbränningsstabilitet i EBK för turbofläktmotor RM12 genom förändrad motorreglering Improved afterburner combustion stability for turbofan engine RM12 by modified engine control

Författare

Author Jonas Ervestrand

Sammanfattning

Abstract

The engine of JAS 39 Gripen, RM12, has recently been equipped with a new flameholder and a new engine inlet. This change has caused an increased noise level from the engine when the afterburner is in use. The noise level reaches its peak when the afterburner is partially used. The problem is thought to be unstable combustion in the regions around the flameholder. A solution to the problem has been proposed by Volvo Aero. The idea is to modify the software in the engine control unit (FADEC) that changes the airflows in the engine. This master thesis implements the proposed changes and analyzes the effects of this implementation. The analysis is done by simulations of a model of the engine that Volvo Aero has created and implemented in

MatrixX/SystemBuild. Simulations showed that it is possible to achieve the desired result by the software changes. Further the simulations showed some problems with stability for the engine when controlled by the modified control unit. This was solved by implementing a filter in the FADEC software.

Nyckelord

Keyword

(6)

(7)

Sammanfattning

JAS 39 Gripen:s motor, RM12, har nyligen f¨orsetts med en ny flamh˚allare samt

en ny inloppsdel. Detta har resulterat i ett ¨okat motorljud d˚a motorns

efter-brännkammare används. Det ökade motorljudet hörs som mest d˚a efterbrännkammaren

utnyttjas till cirka h¨alften av sin maximala utnyttjandegrad. Problemet tros bero

p˚a instabil förbränning i ett omr˚adet runt flamh˚allaren. Ett förslag som syftar

till att förändra förh˚allandet mellan luftflödena i motorn har tagits fram av Volvo

Aero. Denna förändring görs genom att ändra den mjukvara som motorns styrenhet (FADEC) använder sig av. Syftet med detta examensarbete är att implementera dessa förändringar samt att analysera vilka resultat detta kan ge. Analysen har gjorts genom simuleringar av en motormodell av RM12 som är implementerad i MatrixX/SystemBuild och framtagen av Volvo Aero. Simuleringarna visar att det

är möjligt att uppn˚a önskad effekt genom de föreslagna ändringarna. Under

simu-leringarna framkom att l¨osningen hade vissa problem med stabilitet vid ett visst

arbetsomr˚ade. Detta l¨ostes genom att ut¨oka mjukvaran till FADEC med ett filter.

Abstract

The engine of JAS 39 Gripen, RM12, has recently been equipped with a new flameholder and a new engine inlet. This change has caused an increased noise level from the engine when the afterburner is in use. The noise level reaches its peak when the afterburner is partially used. The problem is thought to be unstable combustion in the regions around the flameholder. A solution to the problem has been proposed by Volvo Aero. The idea is to modify the software in the engine control unit (FADEC) that changes the airflows in the engine. This master thesis implements the proposed changes and analyzes the effects of this implementation. The analysis is done by simulations of a model of the engine that Volvo Aero has created and implemented in MatrixX/SystemBuild. Simulations showed that it is possible to achieve the desired result by the software changes. Further the simulations showed some problems with stability for the engine when controlled by the modified control unit. This was solved by implementing a filter in the FADEC software.

(8)

(9)

Tackord

Jag vill här passa p˚a att tacka dem som p˚a ett eller annat sätt hjälpt mig med

genomförandet av mitt examensarbete. Först och främst vill jag tacka min

han-dledare Dr. Torbj¨orn Norlander (Volvo Aero Corporation) f¨or att han t˚almodigt

svarat p˚a fr˚agor och delat med sig av sin kunskap. Jag vill ¨aven tacka Lic. Jonas

Gillberg och Dr. Mikael Norrlöf (LiTH) för deras stöd fr˚an skolans sida.

D¨arefter vill jag tacka alla dem p˚a avdelning 7164 Motorsystem som har hj¨alpt

mig under arbetets g˚ang.

Slutligen vill jag tacka Josefina Stenstam f¨or st¨od och uppmuntran.

Trollh¨attan 30 mars 2005 Jonas Ervestrand

(10)

(11)

Notation

Operatorer

Namn Beskrivning s Laplacevariabeln z Z-transformvariabeln v

(12)

F¨

orkortningar

F¨orkortning F¨orklaring

A8 Utloppsmunstyckets area

A8 ADJ TAB Tabell f¨or justering av dragkraft

A8 SCLR FILT JM Konstant f¨or bortkoppling av filter

A8 SCLR JM Storlek p˚a areajustering

A8T5 SCLR Reglerar ¨okning av BPR

BEACON Kodgenereringsprogram f¨or konstruktion av mjukvara till FADEC

BPR ByPassRatio (Bypass-f¨orh˚allande)

CA8CDMDS Modul f¨or ber¨akning av ZA8 DMD SEL

CA8CMULT Modul f¨or ber¨akning av ZA8 K WFR

CELCMULT Modul f¨or ber¨akning av A8T5 SCLR

CELCT5DM Modul f¨or ber¨akning av T5 REF

EAB EBK-verkningsgrad

EBK Efterbr¨annkammare.

FADEC Full Authority Digital Engine Controller

FASTC FADEC Application Software for Test from C

FI Flight Idle

FMV F¨orsvarets MatrielVerk

FTG FlygTomG˚ang

GI Ground Idle

IRP Intermediate Rating Point

MS Max sl¨ackt, fullt motorp˚adrag utan EBK.

MT Max t¨and, fullt motorp˚adrag med max t¨and EBK.

NH Varvtal f¨or h¨ogtrycksrotor

NL Varvtal f¨or l˚agtrycksrotor

PLA Power Level Angle (man¨overarmsvinkel)

PS16D Trycksv¨angningsniv˚a i EBK

PT56 Tryck i EBK

PT0 Omgivningstryck

PT0 MULT Reglerar dragkraftskompensering

RM12 ReaktionsMotor 12

SLS Sea-Level Static

T1 Omgivningstemperatur

T1 MULT Reglerar dragkraftskompensering

T5 Turbnitemperatur

T5 REF Referensv¨arde f¨or turbintemperatur

VAC Volvo Aero Corporation

WFM Weight of Fuel to Main

WFR HOLD Indikator p˚a om EBK ¨ar t¨and

WFR Weight of Fuel to Reheater

ZA8 K WFR Justerat ˚aterkopplat v¨arde p˚a utloppsarea

ZA8 DMD SEL Referensv¨arde f¨or utloppsarea

ZA8 SEL ˚Aterkopplat v¨arde p˚a utloppsarea

(13)

Inneh˚

all

1 Inledning 1 1.1 Bakgrund . . . 1 1.2 Problemformulering . . . 1 1.3 M˚al . . . 2 1.4 Metod . . . 2 1.5 Tidigare arbete . . . 2 2 RM12 5 2.1 Principer f¨or jetmotor . . . 5

2.2 Motormoduler . . . 6 2.2.1 Fläkt . . . 7 2.2.2 Kompressor . . . 8 2.2.3 Växell˚ada . . . 9 2.2.4 Brännkammare . . . 9 2.2.5 HT-turbin . . . 9 2.2.6 LT-turbin . . . 9 2.2.7 Efterbrännkammare . . . 9 2.3 Motorsstyrsystemet . . . 10 2.3.1 Motorns styrsignaler . . . 10 2.4 Sammanfattning . . . 11

3 F¨or¨andrad motorstyrning 13 3.1 Inledning . . . 13

3.2 Positiva effekter fr˚an ett ¨okat bypass-f¨orh˚allande . . . 13

3.3 Hur ¨okas bypass-f¨orh˚allandet . . . 14

3.4 FADEC funktionalitet . . . 14 3.5 Modul CELCMULT . . . 14 3.6 Sänkning av T5 . . . 15 3.7 Justering av A8 . . . 16 3.8 Dragkraftskompensering . . . 16 3.9 Justering av EBK-bränsleflöde . . . 17 3.9.1 Bakgrund . . . 17 3.9.2 Justering av bränsleflödestabell . . . 17 vii

(14)

viii Inneh˚all

3.9.3 Resultat av försök med justerat EBK-bränsleflöde . . . 17

3.10 Sammanfattning . . . 18 4 Modellering 21 4.1 Modifierade moduler . . . 21 4.2 Trycksv¨angningssimulator . . . 22 4.3 Sammanfattning . . . 22 5 Analys av stabilitet 25 5.1 Funktion . . . 25 5.2 Modell av ˚aterkoppling . . . 25 5.3 Modifierad modell . . . 26 5.4 Olinj¨ar ˚aterkoppling . . . 28

5.5 ˚Atg¨arder mot instabilitet . . . 29

5.5.1 Justering av tabell . . . 29

5.5.2 Inf¨orande av filter . . . 30

5.6 Slutsats av analys av stabilitet . . . 35

6 Simuleringar av motormodell 37 6.1 Motorsimuleringsm¨ojligheter . . . 37

6.2 Simulering i PC . . . 38

6.3 Simulering med olika temperatur, tryck och machtal . . . 38

6.4 Simulering med olika gasp˚adrag . . . 39

6.5 Slutsatser av simuleringsf¨ors¨ok . . . 40

7 Slutsatser 43 7.1 Resultat . . . 43

7.2 F¨orslag till fortsatt arbete . . . 43

7.3 Uppfyllda m˚al . . . 44

A Modell 47

B Moduler 49

C Simuleringsresultat 53

(15)

Inneh˚all ix

Figurer

2.1 Genomsk¨arning av motor RM12 . . . 6

2.2 Motormoduler i RM12 . . . 7

2.3 Sensor och aktuatorpossitioner, motor RM12 . . . 12

3.1 A8T5 SCLR som funktion av PT0, T1 och ZA8 K WRF. . . 16

3.2 Referensvärdet för bränslemängd till EBK under ett p˚adrag fr˚an MS till MT . . . 18

3.3 Förändring i dragkraft d˚a bränslemängd till EBK ändras . . . 19

4.1 Modell som simulerar PS16D utifr˚an motordata . . . 23

5.1 Modell av reglerloop f¨or A8-reglering . . . 26

5.2 A8-reglerloop modifierad genom ˚aterkoppling med konstant K . . . . 27

5.3 Det ˚aterkopplade v¨ardet som funktion av ZA8 K WFR. . . 27

5.4 Stegsvar som visar stabilitetsgr¨ans f¨or ˚aterkoppling. . . 28

5.5 A8-reglerloop modifierad genom olinj¨ar ˚aterkoppling. . . 29

5.6 Simulering som visar stabilitetsproblem vid tv˚a st¨allen. . . 30

5.7 Justerad tabell som ˚atg¨ard mot instabilitet. . . 31

5.8 Simulering med justerad tabell. . . 31

5.9 Ytterligare justeringar p˚a tabell mot instabilitet. . . 32

5.10 Slutlig simulering med justerad tabell. . . 32

5.11 Frekvensalanalys av signalen ZA8 K WFR visar att den dominerande frekvensen ¨ar ca 3 Hz. . . 33

5.12 Bestämning av frekvens p˚a instabil svängning med hjälp av spek-traltäthet ger ett noggrannare värde p˚a frekvensen. Frekvensen bestäms till 2.9 Hz. . . 34

5.13 Filterkarakteristik f¨or filter mot instabilitet. . . 35

5.14 A8-reglerloop modifierad genom (1) införande av Look-Up Table1 med tabellvärden enligt Figur 5.3a samt (2) införande av filter H1(z) (5.9) . . . 35

5.15 Simulering av reglerloop med filter. . . 36

6.1 Simuleringsresultat vid transientp˚adrag . . . 41

A.1 RM12 SYSTEM . . . 47

A.2 Delmodell RM12 till RM12 SYSTEM . . . 48

B.1 Modul CELCMULT. . . 50

B.2 Modul CELCT5DM. . . 50

B.3 Modul CA8CDMDS. . . 51

B.4 Modul CA8CMULT. . . 51

(16)

x Inneh˚all C.2 PS16D (trycksv¨angningsamplitud) f¨or varierande

inloppstempera-turer. . . 54

C.3 PS16D´s storlek i procent i f¨orh˚allande till PT56 (totaltryck efter turbiner). . . 55

C.4 PS16D f¨or varierande ZA8 K WFR . . . 56

C.5 Simulering i PC med olika gasp˚adrag. . . 57

C.6 Simulering i PC med gasp˚adrag fr˚an MS till MT l˚angsamt under 10 sekunder. . . 58

C.7 Simulering i PC med gasp˚adrag fr˚an MS till MT som ett slamp˚adrag. 59 C.8 Simulering i PC med gasp˚adrag fr˚an MS till PLA 115◦ _{som ett} stegp˚adrag. . . 60

C.9 Simulering i PC med gasp˚adrag fr˚an MS till MT som visar skillnaden mellan att anv¨anda filter 5.9 och utan. . . 61

D.1 Bestämning av självsvängningsfrekvens. . . 63

D.2 Bestämning av självsvängningsfrekvens. . . 64

(17)

Kapitel 1

Inledning

1.1 Bakgrund

Volvo Aero har en l˚ang historia bakom sig betr¨affande tillverkning av motorer till

svenska flygvapnet. Den f¨orsta best¨allningen om 40 nio-cylindriga flygmotorer kom

redan 1930 till d˚avarande lokomotivtillverkaren Nydqvist & Holm i Trollh¨attan.

Ett villkor i samband med aff¨aren var dock att ett frist˚aende bolag bildades f¨or

tillverkningen, vilket ocks˚a gjordes samma ˚ar n¨ar Nohab Flygmotorfabriker

star-tades. ˚Ar 1946 b¨orjade den f¨orsta jetmotorn Goblin, eller RM1A som den svenska

beteckningen var, att tillverkas p˚a licens fr˚an De Havilland Engine Co.

Utvecklin-gen och tillverkninUtvecklin-gen har därefter fortsatt och idag tillverkas den militära motorn RM12 som sitter i JAS 39 Gripen. Företaget bytte 1970 namn till Volvo Flygmotor AB och 1994 antogs dagens namn Volvo Aero Corporation. Den militära grenen

av f¨oretagets verksamhet har stadigt minskat fr˚an att ha varit huvudverksamheten

till att idag st˚a för en relativt begränsad del av Volvo Aero:s totala omsättning.

Det är dock viktigt att fortsätta underh˚alla och utveckla de militära produkter som

fortfarande finns kvar d˚a det genererar v¨ardefull kompetens som kan anv¨andas vid

utveckling av b˚ade milit¨ara och civila produkter i framtiden. [Aer05]

1.2 Problemformulering

RM12 har nyligen f¨orsetts med en ny inloppsdel samt en ny flammh˚allare.

Det-ta har under vissa flygf¨orh˚allande resulterat i att piloten upplever ett h¨ogre ljud

fr˚an motorn. Ljudet som f¨ormodas bero p˚a tryckvaritationer i efterbr¨annkammaren

(EBK) intr¨affar endast under EBK p˚adrag och ¨ar som starkast n˚agonstans mitt

emellan minimal och maximal tänd EBK. FMV, som är beställare av RM12, har

gett Volvo Aero i uppdrag att ˚atg¨arda detta. Det h¨ar examensarbetet syftar till

att undersöka vilka möjligheter som finns att via mjukvaruförändringar i RM12:s

reglersystem avlägsna problemet. Som utg˚angspunkt för förändringarna kommer

ett givet förslag fr˚an Volvo Aero att användas. Detta bygger p˚a att en sänkning

(18)

2 Inledning av turbintemperaturen med 50 Kelvin tillsammans med en ökning av utloppsarean om 10% skulle leda till en sänkning av motorljudet. Förslaget innefattar även en kompensering mot förlust av dragkraft som uppkommer av den sänkta turbintem-peraturen.

1.3 M˚

al

M˚alet med examensarbetet är att undersöka vilka möjligheter som finns att sänka

de trycksvängningar som uppst˚ar i EBK genom att öka förh˚allandet mellan

luft-str¨ommen som passerar vid sidan om k¨arnmotorn och den som passerar igenom

densamma, benämnt bypassförh˚allande. De fr˚agor som skall besvaras är:

1. Kan en förändring av föreslagna parametrar ˚astadkomma önskad effekt?

• Svaret f˚as genom att implementera f¨or¨andringarna

• Hur p˚averkar det systemet? (analyseras genom simulering)

• Uppfyller systemet kraven?

2. Finns det andra reglerstrategier som erh˚aller samma resultat (eller b¨attre)

men som har b¨attre egenskaper i andra avseenden?

1.4 Metod

Utvecklingen av de nya reglerfunktionerna kommer att g¨oras i

simuleringsprogram-met MatrixX/SystemBuild. Utg˚angspunkten kommer att vara den befintliga

ellen av RM12 som finns implementerad i SystemBuild. Som ett första steg mod-elleras nya reglerfunktioner i SystemBuild. Där kan simuleringar sedan göras, för

att verifiera att ¨onskat resultat erh˚alls. D˚a ¨onskat resultat uppn˚as kommer de nya

funktionerna modelleras i ett utvecklingsprogram som heter Beacon. Detta program används för att skapa kod som senare kan länkas och kompileras till en exekverbar fil som motorns styrenhet (FADEC) använder för reglering av motor RM12. Simu-leringar i SystemBuild kommer att göras med den nya FADEC-mjukvaran för att verifiera att resultatet blir det önskade.

1.5 Tidigare arbete

D˚a denna förändring av motorljud inte har upplevts som ett problem tidigare för

de motorer som inte har f¨orsetts med ny inloppsdel samt ny flamh˚allare har heller

inga arbeten kring detta utförts. Detta är även första g˚angen ny programvara

f¨or FADEC utvecklas helt och h˚allet inom Volvo Aero. Det som har gjort detta

möjligt är att Volvo Aero har utvecklat ett nytt verktyg för att kompilera och länka ihop C-kod till ett komplett körbart program som kan exekveras i FADEC.

(19)

1.5 Tidigare arbete 3 i realtidssimuleringsutrustning samt ¨aven vid motorprov med riktig motor. Denna

möjlighet underlättar avsevärt utveckling av nya funktioner för FADEC d˚a arbetet

(20)

(21)

Kapitel 2

RM12

Detta kapitel inneh˚aller en beskrivning av motor RM12, dess uppbyggnad och

funktion. Teknisk fakta f¨or motorn ges i Tabell 2.1 samt Tabell 2.2.

RM12, som st˚ar f¨or ReaktionsMotor 12 ¨ar utvecklad av GE (General

Elec-tric). Denna motor valdes till JAS 39 Gripen efter rekomendationer av Volvo Aero. Tillsammans med GE har Volvo Aero vidareutvecklat motorn f¨or att m¨ota de

krav som ställs p˚a enmotorapplikationer vad gäller säkerhet, prestanda samt

re-dundans. RM12 har genom denna modifiering bl.a. utrustats med en n˚agot st¨orre

samt förstärkt inloppsdel för att klara kollision med f˚aglar av m˚asstorlek samt

ett sekundärt tändsystem för att minska risken för motorbortfall. Motorn styrs via FADEC (Full Authority Digital Engine Control) och har ett hydromekaniskt styrsystem som backup ifall FADEC skulle fallera. [Cor98, Mat04]

2.1 Principer f¨

or jetmotor

Jetmotorns grundprincip bygger p˚a att luft accelereras bak˚at vilket genererar dragkraft.

Luften leds in i motorn genom inloppsdelen vidare in i en trestegsfläkt där luftens tryck och temperatur ökar. RM12 tillhör familjen turbofläktmotorer vilket innebär att en del av luftflödet genom motorn inte passerar genom själva kärnmotorn där

L¨angd 4.04 m

Inloppsdiameter 0.709 m

Torrvikt 1055 kg

Bypassf¨orh˚allnade 0.3:1

Totalt kompressionsf¨orh˚allnade 27.5:1

Max fl¨aktvartal 13 300 rpm

Max kompressorvarvtal 16 800 rpm

Tabell 2.1. Motordata RM12

(22)

6 RM12

Max dragkraft med EBK 80.5 kN

Max dragkraft utan EBK 54.0 kN

Min dragkraft (Tomg˚ang) 1.45 kN

Tabell 2.2. Motorprestanda RM12

förbränningen sker. Istället leds en del vid sidan av denna i en bypass-kanal för att

senare, efter l˚agtrycksturbinen, ˚aterföras med den förbrända gasen. Denna

uppdel-ning av luft sker efter fläktsteget där ca 30% av luften förs vidare i bypasskanalen. Resterande luftflöde passerar in i kompressorn där tryck och temperatur ökas yt-terligare i sju steg. Efter kompressorn leds luften in i brännkammaren där den

blandas med flygbränsle fr˚an 18 st bränslespridare som sitter jämnt fördelade

runt brännkammaren. Luft/bränsleblandningen antänds och expanderar bak˚at mot

h¨ogtrycksrotorn som genom rotation tar upp en del av den energi gasmassan

in-neh˚aller. H¨ogtrycksrotorn som ¨ar fast sammankopplad med kompressorn har till

uppgift att driva denna. Efter h¨ogtrycksrotorn sitter l˚agtrycksrotorn som p˚a samma

sätt driver fläkten. B˚ade fläkt och kompressor har justerbara ledskenor för att styra

luftflödet optimalt under r˚adande driftförh˚allande. Gasen strömmar efter

turbin-erna bak˚at och blandas med luften fr˚an bypasskanalen i efterbr¨annkammaren. Den

l¨amnar d¨arefter motorn genom ett konvergent-divergent utloppsmunstycke som

med sin reglerbara area styrs f¨or att erh˚alla optimal funktion. Vid vissa tillf¨allen

kan ytterligare dragkraft behövas. Bränsle kan d˚a sprutas in i efterbrännkammaren

och ant¨andas. Detta kan ge ett dragkraftstillskott p˚a upp till 50%, men

verkn-ingsgraden är l˚ag och processen kräver mycket bränsle, vilket gör att detta bara

anv¨ands under kortare perioder d˚a extra mycket dragkraft beh¨ovs. [Wib04]

Figur 2.1. Genomsk¨arning av motor RM12

2.2 Motormoduler

RM12 är uppbyggd av ett antal olika moduler som är enkla att montera och de-montera och som fritt kan bytas mellan de olika motorindividerna. Detta medför

(23)

2.2 Motormoduler 7

korta driftsstopp d˚a hela motorn inte behöver skickas till verkstad för att ˚atgärda

fel p˚a en enstaka modul. RM12:s moduler ¨ar: [Gen05, Cor98]

Figur 2.2. Motormoduler i RM12

2.2.1 Fl¨

akt

Fläktmodulen som är den främsta delen av motorn best˚ar av tre

huvudkomponen-ter.

(24)

8 RM12

• Fl¨aktstator • Fl¨aktrotor

Inloppsdelen best˚ar av 15 stycken fasta ih˚aliga ledskenor. P˚a bakkanten av dessa

fasta ledskenor finns r¨orliga ledskenor som kan justeras synkront via en st¨allring.

Inloppsdelen ¨ar f¨orsedd med ett antal h˚al som sitter p˚a bakkanten av

ledskenor-na samt runt om inloppsk˚apan. Till dessa lufth˚al leds varm luft via kanaler fr˚an

kompressorn f¨or att f¨orhindra att is bildas i motorn. Bakom inloppsdelen

kom-mer fläktrotorn som best˚ar av tre fläktsteg med tillhörande ledskenor mellan varje

steg. Mellan steg ett och tv˚a ¨ar ledskenorna st¨allbara och justeras tillsammans

med inloppsdelens justerbara ledskenor. Runt fläktrotorn sitter fläktstatorn som är

sammanfogad med skruvförband av tv˚a halvor. För att minimera risken för att luft

strömmar fram˚at i motorn mellan rotorblad och fläktstator är innerväggarna vid

rotorbladens toppar behandlade med ett speciellt ytskikt som n¨ots ner av

bladtop-parna tills ett minimalt spel mellan toppar och v¨agg uppst˚ar.

2.2.2 Kompressor

Kompressormodulen är den del av motorn där den största kompressionen av luften sker. Kompressormodulens huvudkomponenter är

• Främre stativ • Centrumväxel • Kompressorstator • Kompressorrotor • Brännkammarmantel • Fläktmantel • Motorfästring

Det ¨ar i fr¨amre stativet som luften delas upp mellan kompressorn och bypasskanalen

där ca 30% av luften passerar utanför kompressorn. Främre stativet är ocks˚a den

del där krafterna fr˚an motorn överförs till flygplanet. Bakom främre stativet sitter

kompressorrotor och kompressorstator. Dessa fungerar p˚a samma s¨att som fl¨aktens

rotor och stator med den skillnaden att de best˚ar av sju steg ist¨allet f¨or tre.

Mellan de tv˚a f¨orsta stegen finns justerbara ledskenor f¨or att ge luften en

op-timal inströmningsvinkel för varje driftfall. Efter kompressorn leds luften genom brännkammarmanteln vidare mot brännkammaren. Brännkammarmanteln är upp-byggd som en diffusor vilket innebär att luftens hastighet minskar samtidigt som trycket ökar.

(25)

2.2 Motormoduler 9

2.2.3 V¨

axell˚

ada

Växell˚adans uppgift är att driva den kringapparatur som krävs för att förse

flyg-planet och motorn med den kraft som beh¨ovs. Vid konstruktion av v¨axell˚adan har

man strävat efter att minimera höjden genom att bygga den n˚agot böjd.

2.2.4 Br¨

annkammare

I brännkammaren blandas luften med bränsle via 18 stycken bränslespridare som

sitter jämnt fördelade runt brännkammaren. Komponenten inneh˚aller även

turbin-ledskenor som riktar luftflödet i rätt anbl˚asningsvinkel mot högtrycksturbinen.

2.2.5 HT-turbin

Högtrycksturbinens uppgift är att driva kompressor samt växell˚adsaxel. Kraften

fr˚an turbinen överförs fram till kompressorn via en turbinaxel. Den höga

temper-atur som luften har i denna del av motorn st¨aller h¨oga krav p˚a material och

de-sign av turbinskovlar. Detta har l¨osts genom luftfilmskylning samt att ett speciellt enkristallmaterial har anv¨ants vid tillverkningen.

2.2.6 LT-turbin

L˚agtrycksturbinens uppgift är att driva fläkten. Kraften överförs via en axel inuti

h¨ogtrycksturbinaxeln fram till fl¨akten.

2.2.7 Efterbr¨

annkammare

Efterbr¨annkammarens huvudkomponenter ¨ar

• EBK-mantel • Flamh˚allare

• Flamr¨or och gasblandare • Utloppsmunstycke

• Br¨anslesystemkomponener

EBK-manteln utgör den bärande strukturen för EBK-modulen och är fastskru-vad med kompressormodulen via det bakre stativet. Innanför EBK-manteln sit-ter flamröret som fungerar som en värmesköld för EBK-manteln samtidigt som

den leder luft till utloppsmunstycket f¨or att kyla detta. I framkant p˚a flamr¨oret

finns det en gasblandare som blandar upp f¨orbr¨anningsgaser med den luft som

har passerat f¨orbi k¨arnmotorn i bypasskanalen. Flammh˚allaren sitter monterad i

framkant p˚a flamröret med uppgift att sätta den förbiströmmande gasen i

rota-tion vilket skapar ˚aterstr¨omningszoner med l˚ag axiell str¨omningshastighet, detta

(26)

10 RM12 motorn sitter utloppsmunstycket. Utloppsmunstycket har till uppgift att reglera turbintemperaturen samt se till att motorns verkningsgrad ¨ar maximerad.

2.3 Motorsstyrsystemet

Motorstyrsystemets uppgift är att förse piloten med den dragkraft som önskas. För

att best¨amma dragkraften har piloten ett gasreglage d¨ar vinkeln p˚a gasreglaget

best¨ammer motorns dragkraft. Gasreglagets vinkel ben¨amns PLA (Power Level

Angle) och kan varieras fr˚an 0◦ _{till 131}◦ _{(max t¨and EBK). Tabell 2.3 visar fyra}

fasta arbetspunkter som finns definierade f¨or gasreglaget samt dess vinkel. Det finns

även en svensk beteckning för vinkeln p˚a gasreglaget, MAV (ManöverArmsVinkel).

[Mat04]

Arbetspunkt Beskrivning Vinkel

MTG MarkTomG˚ang 18◦

FTG FlygTomG˚ang 28◦

MS Max t¨and grundmotor med sl¨ackt EBK 103◦

MT Max t¨and grundmotor med t¨and EBK 131◦

Tabell 2.3. Arbetspunkter f¨or RM12

2.3.1 Motorns styrsignaler

F¨or motor RM12 med FADEC enhet finns reglertekniskt tre olika funktionss¨att.

Tv˚a p˚adragsberoende reglermoder samt en hydromekanisk reservmod. Under

nor-mala f¨orh˚allnaden styrs motorn av n˚agon av de tv˚a p˚adragsberoende moderna.

Dessa definieras av: [Mat04]

• Gasp˚adrag utan EBK, d¨ar de reglerade parametrarna ¨ar

FVG - Variabla fl¨aktledskenor CVG - Variabla kompressorledskenor NH - Kompressorvarvtal

WFM - Br¨anslem¨angd till huvudmotor A8 - Utloppsmunstyckets area

• Gasp˚adrag med EBK, d¨ar de reglerade parametrarna ¨ar

TT5 - Turbintemperatur NL - Fl¨aktvarvtal

WFR - Bränslemängd till efterbrännkammare A8 - Utloppsmunstyckets area

(27)

2.4 Sammanfattning 11

D˚a det här arbetet gäller reglering av motor under EBK p˚adrag är det den andra

reglermoden som kommer att p˚averkas. Under detta driftf¨orh˚allnade regleras TT5,

NL, WFR samt A8. I Tabell 2.4 och Tabell 2.5 ses att WFR och A8 ¨ar styrsignaler

och TT5 samt NL är mätsignaler. Detta innebär att WFR och A8 kan p˚averkas

direkt genom aktuatorer. NL och TT5 kan endast p˚averkas genom att justera deras

referensv¨arden. Dessa tillst˚and styrs sedan mot referensv¨ardet genom p˚averkan av

en eller flera av styrsignalerna i Tabell 2.4.

Styrsignal Beskrivning Enhet

FVG St¨allbara fl¨aktledskenor ◦

CVG St¨allbara kompressorledskenor ◦

WFM Bränsleflöde till brännkammare kg/s

WFR Bränsleflöde till efterbrännkammare kg/s

A8 Variabel utloppsarea m2

Tabell 2.4. Styrsignaler tillg¨angliga f¨or RM12

2.4 Sammanfattning

Det h¨ar kapitlet har gett en kort beskrivning av de moduler som tillsammans bildar motor RM12, samt en introduktion till hur motorprocessen fungerar f¨or en

turbofl¨aktmotor. Slutligen har n˚agot om motorns styrsystem n¨amnts samt vilka

styr och mätsignaler som används. Nästa kapitel beskriver de förändringar som

behöver göras i styrsystemet för att erh˚alla ett ökat bypass-förh˚allande.

M¨atsignal Beskrivning Enhet

TT1 Temperatur i fl¨aktinlopp K

NL Varvtal l˚agtrycksrotor rps

TT25 Temperatur vid kompressorinlopp K

NH Varvtal h¨ogtrycksrotor rps

PS3 Statiskt tryck efter kompressor kP a

TT5 Temperatur efter l˚agtrycksturbin K

PT56 Totaltryck efter l˚agtrycksturbin kP a

(28)

12 RM12

(29)

Kapitel 3

F¨

or¨

andrad motorstyrning

Detta kapitel beskriver de f¨or¨andringar som har gjorts i mjukvaran till FADEC.

M˚alet med dessa är att uppn˚a ett högre bypass-förh˚allnade vid vissa av motorns

arbetsomr˚aden. Utg˚angspunkten har varit de befintliga reglerfunktioner som ¨ar

implementerade i FADEC edition 3.20 [GE 00].

3.1 Inledning

De piloter som noterat det h¨ogre motorljudet beskriver att ljudet verkar kopplat

till h¨ojd, hastighet och gasp˚adrag. Tydligast h¨ors ljudet fr˚an minimal hastighet p˚a

2 kilometers höjd till strax under överljudsfart vid 8 kilometers flyghöjd. Ljudet

hörs endast d˚a EBK är tänd och vid ca 120◦ _{PLA (Power Level Angle).}

Mo-torinloppstemperaturen, som beror av hastighet och h¨ojd, ¨ar under detta omr˚ade

av flygenvelopen1 _{ca 280}◦ _{K. Motorns inloppstryck PT0, som beror av h¨ojd och}

hastighet varierar inom omr˚adet fr˚an ca 101 kPa till ner mot 70 kPa vid 8 km h¨ojd.

En p˚averkan p˚a reglersystemet som h¨ojer BPR (bypass-f¨orh˚allnade/ByPass Ratio)

bör därför göras i det ovan beskrivna omr˚adet.

3.2 Positiva effekter fr˚

an ett ¨

okat bypass-f¨

orh˚

allande

Ett ökat bypass-förh˚allande tillsammans med vissa följdeffekter som ökat swirl

(ökade strömningsvirvlar) och machtal p˚a förbränningsgaserna förväntas f˚a en

pos-itiv effekt p˚a förbränningsstabiliteten i EBK. Denna ökade förbränningsstabilitet

är önskvärd d˚a den tros kunna reducera de vibrationer som förmodas ge upphov

till det h¨ogre motorljudet.

1_{De kombinationer av höjd och hastighet som är möjliga att flyga i.}

(30)

14 F¨or¨andrad motorstyrning

3.3 Hur ¨

okas bypass-f¨

orh˚

allandet

En ökning av bypass-förh˚allandet under EBK-p˚adrag kan göras genom att sänka

det referensv¨arde (T5 REF) som begr¨ansar turbinutloppstemperaturen (T5).

Ref-erensv¨ardet till T5 ber¨aknas utifr˚an motorinloppstemperatur och omgivningstryck.

Utloppsmunstyckets area (A8) används som reglerparameter för att begränsa T5

fr˚an att stiga över sitt referensvärde. D˚a T5 överskrider sitt referensvärde p˚averkas

en trimfunktion som ökar A8 vilket sänker trycket i EBK med en temperatursänkning som följd. Denna trycksänkning medför även att en större mängd luft passer-ar genom bypass-kanalen till EBK. Samtidigt som trycket i EBK sjunker ökpasser-ar

tryckdifferensen över l˚agtrycksturbinen vilket f˚ar till följd att fläktvarvtalet ökar.

Fläktvarvtalet är under EBK-p˚adrag styrt mot konstant varvtal och för att

kom-pensera mot ökande varvtal sänks bränsleflödet till huvudmotorns brännkammare. Denna sänkning av bränsleflöde medför att kompressorvarvtalet sjunker.

Det bibeh˚allna fläktvarvtalet innebär att samma mängd luft passerar genom

fläkten. Kompressorn har däremot ett lägre varvtal, och kan inte ta emot lika mycket luft som tidigare. Detta innebär att mängden luft som passerar vid sidan om kompressorn i bypass-kanalen ökar. Som följd av en sänkning av referensvärdet

till turbinutloppstemperaturen f˚as allts˚a:

• Lägre tryck i efterbrännkammare, vilket medför att motst˚andet i

kanalen minskar. Detta leder i sin tur till ett ¨okat luftfl¨ode genom bypass-kanalen.

• Ett l¨agre kompressorvarvtal som tillsammans med ett bibeh˚allet fl¨aktvarvtal

medför att en större mängd luft passerar genom bypass-kanalen.

3.4 FADEC funktionalitet

Beräkning av referensvärden till motorns styrda parametrar görs i FADEC. För

att ha en funktionalitet som är översk˚adlig är mjukvaran i FADEC sammanlänkad

av mindre beräkningsmoduler där varje beräkningsmodul beräknar en eller ett

par parametrar varje g˚ang den exekveras. D˚a FADEC exekverar loopas en l¨ankad

lista igenom d¨ar elementen i listan inneh˚aller anrop till de ber¨akningsmoduler som

skall exekveras. Listan loopas igenom 10 g˚anger per sekund och inneh˚aller 20

el-ement vilket innebär att den maximala uppdateringsfrekvensen för varje enskild beräkningsmodul är 200 Hz. De förändringar som görs i det här arbetet innebär

att vartannat element i listan m˚aste ut¨okas med ytterligare ett modulanrop.

Det-ta inneb¨ar att den nya modulen (se avsnitt 3.5) kommer att uppdateras med en frekvens om 100 Hz.

3.5 Modul CELCMULT

Mätdata insamlade fr˚an flygningar visar att det omr˚ade man vill öka bypassförh˚allandet

(31)

motorinlopp-3.6 S¨ankning av T5 15

stemperatur (T1) samt motorutloppsarea. Motorutloppsarean f˚as genom

parame-tern ZA8 K WFR som är ett m˚att p˚a hur stor denna är. En ny beräkningsmodul

CELCMULT skapas som beräknar utsignalerna A8T5 SCLR, PT0 MULT samt T1 MULT där A8T5 SCLR är produkten av T1 MULT, PT0 MULT och A8T5 MULT

fr˚an tabell 3.1. A8T5 SCLR varierar mellan noll och ett och anv¨ands som ett

m˚att p˚a hur stor ökning av bypass-förh˚allnade som önskas. Figur 3.1 visar hur

A8T5 SCLR varierar beroende p˚a T1, PT0 samt ZA8 K WFR. Det m¨orka omr˚adet

i mitten är det omr˚adet där A8T5 SCLR är ett och maximal ökning av

bypass-förh˚allnadet önskas. Utmed kanterna miskar A8T5 SCLR till noll vilket innebär

att ingen ökning av bypass-förh˚allandet önskas.

Motorinloppstemperatur (T1) [K] T1 MULT

≤ 255 0

270 1

288 1

≥ 308 0

Omgivningstryck (PT0) [kPa] PT0 MULT

≤ 40 0

60 0.45

≥ 70 1

ZA8 K WFR [%] A8T5 MULT

8 0 22 0.5 28 1 36 1 44 0.25 50 0

Tabell 3.1. Tabellen visar de parametrar vars produkt bildar A8T5 SCLR

3.6 S¨

ankning av T5

Turbintemperaturens referensvärde (T5 REF) beräknas av FADEC i en modul kallad CELCT5DM. En sänkning av turbintemperaturen (T5) görs genom att sänka

referensvärdet T5 REF. FADEC styr därefter turbintemperaturen mot rätt niv˚a

genom att justera motorns utloppsarea samt bränslemängd till huvudmotorn. För

att erh˚alla den ökning av bypassförh˚allande som önskas krävs enligt beräkningar2

en s¨ankning av T5 med 50◦_{K. Denna s¨ankning adderas till T5 REF genom}

utsig-nalen A8T5 SCLR fr˚an CELCMULT. A8T5 SCLR varierar mellan 0 och 1 och

skalas om till intervallet 0 till -90 Rankine, d¨ar Rankine ¨ar den amerikanska

tem-peraturenhet som anv¨ands i FADEC. (90 Rankine motsvarar 50◦_K.)

(32)

Figur 3.1. Bilden visar den styrkefunktion som avgör hur stor del av maximal justering av T5 och ZA8 K WFR som görs. Det mörka fältet i mitten motsvarar 1 (full justering) och minskar sedan till 0 längs kanterna.

3.7 Justering av A8

Utloppsarean A8 styrs genom ett ˚aterkopplat reglersystem. Aktuell utloppsarea (ZA8 SEL) mäts genom lägesgivare p˚a de hydraulcylindrar som ställer ut begärd area. Vid behov justeras denna lägessignal via en trimfunktion i FADEC för att re-glera turbintemperaturen. En sänkning av turbintemperaturen p˚a 50◦_{K motsvarar}

en ökning med ca 10% av slaglängden hos de kolvar som p˚averkar arean. Att l˚ata denna ökning ske med hjälp av trimfunktionen skulle vara för l˚angsamt. En framkoppling som utifr˚an storleken p˚a turbintemperatursänkningen p˚averkar lägessignalen införs därför för att erh˚alla en snabbare respons vid snabba temperatförändringar.

3.8 Dragkraftskompensering

Motorns dragkraft regleras av piloten via gasreglagets manöverarmsvinkel (PLA). Vid gasp˚adrag är det önskvärt att dragkraftsökningen är n˚agorlunda linjär. En sänkning av turbintemperaturen medför att dragkraften sänks lokalt. För att motver-ka detta behöver en kompensering göras som motvarar den dragkraftsförlust som turbintemperatursänkningen medför. Denna kompensering görs genom att, beroende p˚a hur stor temperatursänkningen är, öka referensvärdet till utloppsarean A8.

(33)

3.9 Justering av EBK-bränsleflöde 17 Dragkraftstillskottet kommer sig av att bränsleflödet till EBK är kopplat till ut-loppsarean där en större area medför ett ökat bränsleflöde vilket resulterar i ökad dragkraft.

3.9 Justering av EBK-br¨

anslefl¨

ode

Under arbetets g˚ang skulle en alternativ l¨osning visa sig intressant att studera.

Detta f¨orslag skall ses som helt frikopplat fr˚an grundf¨orslaget som presenterades

tidigare i detta avsnitt.

3.9.1 Bakgrund

FADEC:s reglerfunktioner är till stor del översatta fr˚an dess föreg˚angare DEC, som

i sin tur är byggd för att efterlikna det hydromekaniska styrsystemet som användes

innan det var möjligt att introducera datorer för beräkning ombord p˚a flygplan. För

att beräkna börvärden till styrparametrar har därför beräkningsmetoder som har

varit m¨ojliga att implementera utan avancerad datorkraft anv¨ants, s˚asom

tabell-slagning, addition och subtraktion. En styrparameter som f˚ar sitt b¨orv¨arde fr˚an

tabellslagning är referensvärdet för bränslemängden till efterbrännkammaren. Vid

ett p˚adrag fr˚an MS till MT beräknas bränslemängden utifr˚an maxvärdet av tv˚a

tabeller, och vid ca 120 grader PLA korsar de b˚ada tabellerna varandra vilket

resulterar i en olinj¨aritet hos utsignalen, se Figur 3.2.

Det är möjligt att denna olinjäritet, som inträffar i det omr˚ade där trycksvängningarna

har sin största amplitud skulle kunna förklara en del av den instabila förbränning som sker i EBK.

3.9.2 Justering av br¨

anslefl¨

odestabell

F¨or att j¨amna ut den brytpunkt som bildas d˚a de b˚ada tabellerna sammanfaller

adderas Ekvation (3.1) till utsignalen. Figur 3.2 visar hur utsignalen f˚ar en j¨amnare

¨overg˚ang mellan de b˚ada tabellerna.

3.9.3 Resultat av f¨

ors¨

ok med justerat EBK-br¨

anslefl¨

ode

D˚a motormodellen simuleras med den justering som har n¨amnts ovan kan man se

en f¨or¨andring p˚a dragkraftskurvan. Omr˚adet mellan de b˚ada tabellerna strax innan

120 grader PLA jämnas ut och överg˚angen blir mindre märkbar, vilket ses i Figur

3.3a. Trycksvängningsamplituden PS16D förändras i stort sett ingenting, möjligtvis

ökar den n˚agot med det justerade bränsleflödet. Förändringen resulterar dock inte i

en sänkning av PS16D och det är troligt att anta att brytpunkten mellan kurvorna i Figur 3.2 inte är orsaken till trycksvängningarna.

(34)

∆ = 0.8

1 + (γ − u)2 (3.1)

γ = Punkten d¨ar tabellerna sammanfaller

u = Insignalen PLA 130 125 120 115 110 105 100 135 AFRU_DMD 50 40 30 20 10 0 60

Figur 3.2. Referensvärdet för bränslemängd till EBK som funktion av PLA. Heldragen linje är simulerad modell utan justering, streckad linje är med ekvation (3.1) adderat till utsignalen.

3.10 Sammanfattning

D˚a försöket med justerat EBK-bränsleflöde inte gav n˚agon förbättring med avseende

p˚a trycksvängningar i EBK lämnas detta förslag. Det fortsatta arbetet koncentreras

p˚a det grundförslag som presenterades inledningsvis i detta avnsitt. Den förändring

som g¨ors kan sammanfattas i f¨oljande steg.

1. En beräkningsmodul (CELCMULT) skapas för att beräkna när ett ökat

bypass-förh˚allande är önskvärt. Modulen beräknar tre parametrar som används

för att verkställa ökningen i bypass-förh˚allnade samt för att kompensera för

(35)

3.10 Sammanfattning 19 PLA [deg] 130 125 120 115 110 105 100 135 FN [kN ] 80 75 70 65 60 55 85 PLA [deg] 130 125 120 115 110 105 100 135 PS16D [rms kPa] 5 4 3 2 1 6 (a) (b)

Figur 3.3. Simulering med och utan justerat bränsleflöde. (a) Streckat: Dragkraft med justerat bränsleflöde. Heldraget: Dragkraft utan justerat bränsleflöde. (b) Streckat: PS16D med justerat bränsleflöde. Heldraget: PS16D utan justerat bränsleflöde.

2. Modulen som beräknar T5 REF ändras s˚a att detta värde sänks d˚a den nya modulen CELCMULT beräknat att en sänkning är önskad.

3. Modulen som beräknar ˚aterkopplat areavärde ändras s˚a att det blir möjligt att p˚averka det ˚aterkopplade areavärdet.

4. Modulen som beräknar utloppsarean modifieras s˚a att en ökning av begärd area kan erh˚allas d˚a en sänkning av T5 görs. Detta för att kompensera för den dragkraftsförlust som uppst˚ar d˚a T5 sänks.

I nästa kapitel beskrivs de förändringar som görs i de specifika modulerna för att uppn˚a de effekter som beskrevs tidigare i detta kapitel.

(36)

(37)

Kapitel 4

Modellering

För att kunna se effekten av de tänkta lösningarna implementeras dessa i den modell av RM12 som Volvo Aero sedan tidigare har utvecklat. Modellen, som kallas RM12 SYSTEM är utvecklad i MatrixX/SystemBuild, se Appendix A, Figur A.1.

Modellen best˚ar av fem delmodeller:

• AMBIENT ber¨aknar omgivningsdata s˚asom tryck, temperatur, hastighet

och altitud.

• FPL39 1553B simulerar den busstrafik som sker mellan FADEC och dess

omgivning.

• FPL39 COCKPIT representerar gr¨anssnittet mellan cockpit och motor.

Här finns möjlighet att p˚averka m˚anga av de manöverdon som piloten har

till sitt f¨orfogande vid flygning.

• RM12 ¨ar uppbyggd av flera delmodeller som tillammans representerar motor

RM12. Ing˚aende modeller ¨ar ACTUATORS - st¨alldonsmodell, F404 RM12

- processmodell över motor, RM12 Sensors - modell över de sensorer som finns i motorn, SignalInterface - modell över signalgränssnitt, MFC -

mod-ell ¨over den mekaniska reglering av motorn som anv¨ands d˚a FADEC kopplas

bort, ABC - EBK-regulatormodell, FADEC - FADEC-modell

• RigDataLog ¨ar en signalgr¨anssnittsmodell som loggar data under simulering

som kan anv¨andas f¨or plottning.

4.1 Modifierade moduler

Den modell som används i MatrixX för att simulera FADEC är skapad fr˚an ett

stort antal .c och .h filer. Dessa skapas utifr˚an ett kodgenereringsverktyg som

het-er Beacon. I Beacon byggs reglhet-erfunktionhet-er upp genom byggblock p˚a samma s¨att

som i exempelvis Matlab/Simulink och MatrixX/SystemBuild. F¨or att f˚a

funk-tionaliteten ¨oversk˚adlig begr¨ansas storleken p˚a dessa reglerfunktioner till att passa

(38)

22 Modellering

in p˚a en A4-sida. Forts¨attningsvis kommer dessa kallas Beacondiagram eller

mod-uler. För att kunna genomföra den förändring som beskrevs i Kapitel 3 behöver vissa justeringar göras i tre av dessa Beacondiagram. En ny modul (CELCMULT) behöver skapas för att beräkna A8T5 SCLR, PT0 MULT samt BPR MULT. Dessa justeringar beskrivs nedan och modulerna ses i appendix B där CELCMULT ses i sin orginalform och de tre modifierade modulerna visas principiellt.

• CELCT5DM ber¨aknar T5 REF och har ut¨okats med en extra insignal

(A8T5 SCLR) som multipliceras med en konstant (T5 SCLR JM).

Resul-tatet fr˚an multiplikationen adderas till utsignalen T5 REF som justeras med

mellan 0 till -90 Rankine beroende p˚a A8T5 SCLR.

• CA8CMULT har ut¨okats med en extra insignal (A8T5 SCLR) som

mul-tipliceras med en konstant (A8 SCLR JM). Resultatet fr˚an multiplikationen

l˚agpassfiltreras genom ett filter (se avsnitt 5.5.2) och subtraheras slutligen

fr˚an ZA8 SEL (aktuell utloppsarea). En konstant (A8 SCLR FILT JM) kan

sättas till 0 vilket innebär att filtret kopplas bort. Om densamma sätts till 1 är filtret aktiverat.

• CA8CDMDS beräknar börvärdet (ZA8 DMD SEL) till A8 utifr˚an gasp˚adraget

(PLA SEL). Modulen har ut¨okats med en tabell (A8 ADJ TAB) som ¨okar

ZA8 DMD SEL vid vissa gasp˚adrag. För att inte börvärdet skall ändras d˚a

tryck och temperaturförh˚allnadena är s˚adana att risk för förhöjt motorljud

inte f¨oreligger multipliceras utsignalen fr˚an A8 ADJ TAB med PT0 MULT

och T1 MULT fr˚an Tabell 3.1.

• CELCMULT beräknar skalfaktorn A8T5 SCLR som används för justering

av T5 REF och ZA8 K WFR. ¨Aven T1 MULT och PT0 MULT som anv¨ands

vid dragkraftskompenseringen beräknas här. Insignal WFR HOLD är 0

en-dast d˚a EBK är tänd och används här för att tillse att justering av T5 och

A8 endast görs d˚a EBK är tänd.

4.2 Trycksv¨

angningssimulator

För att kunna se effekterna av de reglerändringar som görs behöver trycksvängningsniv˚an

(PS16D) simuleras. En simulator som utifr˚an EBK br¨anslefl¨ode (WFRT), EBK

verkningsgrad (EAB), totalt luftfl¨ode (W1), bypass-f¨orh˚allande (BPR),

omgivn-ingstryck (PT0) samt EBK-tryck (PT56) simulerar denna trycksv¨angningsniv˚a har

konstruerats av Volvo Aero, se figur 4.1.

4.3 Sammanfattning

Detta kapitel har beskrivit den modell som används vid simulering av RM12 samt de förändringar som har gjorts i de beräkningsmoduler som ligger till grund för programvaran i FADEC. Nästa kapitel studerar vilka effekter de förändringar som

(39)

4.3 Sammanfattning 23

gjorts ger med avseende p˚a stabilitet av det ˚aterkopplade system som reglering av

utloppsarean utg¨or. WFRT (g/s) W1 (kg/s) Product PT56 (kPa) PT0sim mult PT0 (kPa) PS16D% PS16D (kPa) EAB BPR mult BPR f(WFRT,EAB,W1) 0.01

(40)

(41)

Kapitel 5

Analys av stabilitet

Reglering av RM12:s utloppsarea sker via ett ˚aterkopplat system. En

stabilitets-analys av denna ˚aterkoppling har gjorts vid utvecklingen av FADEC vilken visar

att reglerloopen är stabil. Den justering som nu görs av areans ˚aterkopplade värde

ZA8 K WFR kan p˚averka stabiliteten hos systemet. För att säkerställa att

justerin-gen inte resulterar i instabilitet beh¨over en analys g¨oras av det justerade systemet.

5.1 Funktion

Tidigare n¨amndes att utloppsarean p˚averkas genom hydraulcylindrar. Dessa

hy-draulcylindrar försörjs av en hydraulpump där flödet kan justeras under drift (ställbart deplacement). Deplacementet styrs hydrauliskt via en ventil som i sin tur är styrd av en elektrisk momentmotor. Elmotorns drivström bestäms som differensen mellan önskat areareferensvärde (ZA8 DMD SEL) och ZA8 K WFR med viss justering för maxbegränsning och filtrering. Det som sker vid sänkning

av ZA8 K WFR är att differensen ökar och s˚aledes även strömstyrkan till

elmo-torn som bestämmer hydraulflödet, där ett ökat hydraulflöde innebär en större

utloppsarea. En p˚averkan av A8 g¨ors s˚aledes genom att p˚averka differensen mellan

ZA8 DMD SEL och ZA8 K WFR, vilket g¨ors genom att justera ZA8 K WFR.

5.2 Modell av ˚

aterkoppling

Figur 5.1 visar den nuvarande modellen av regulator, servo och aktuatorer samt sig-nalbehandlingen i FADEC. Ekvationerna (5.1) till (5.4) beskriver de överföringfunktioner som tillhör resp system.

CRt(s) = 13.2(1 + 0.025s) 1 + 0.0075s e −0.002s _(5.1) T M Dt(s) = 1 1 + 0.004se −0.005s _(5.2) 25

(42)

26 Analys av stabilitet VDTt VDT DEMOD & FILTERING TMDt TORQUE MOTOR DRIVER SA SERVOVALVE & ACTUATOR In CRt CONTROL REGULATOR 1+0.3 1+K_factor (mA) (mA) ZA8_K_WFR (%) (%) ZA8_DMD_SEL (%) (%) ZA8_SEL

Figur 5.1. Modell av reglerloop f¨or A8-reglering

SA(s) = 1.2 (1 + 0.03s)s (5.3) V DT t(s) = 1 1 + 0.0072s + 0.000026s2e −0.003s _(5.4)

5.3 Modifierad modell

Den˚aterkoppling som görs fr˚an ZA8 K WFR till ZA8 SEL inneh˚aller en tidsfördröjning samt en olinjäritet i form av en tabellslagning. Värdet fr˚an denna tabell ˚aterkopplas tillbaka till ZA8 SEL. Systemet mellan ZA8 SEL och ZA8 K WFR kan ses som ett slutet system med överföringsfunktion enligt ekvation (5.5). Variabeln K factor har i tidigare analyser valts till 0.3, vilket den f˚ar anta även här. Förstärkningen K är tänkt att representera den förstärkning som tabellen i Figur 5.3a utgör. Tabellen som är amplitudberoende kan ˚a andra sidan egentligen inte ses som en statisk förstärkning. Det kan emellertid vara intressant att undersöka om det finns ett gränsvärde för K som gör systemet instabilt.

Definition 5.1 (Stabilitetsomr˚ade) F¨or ett tidsdiskret system ¨ar stabilitetsomr˚adet

lika med det inre av enhetscirkeln. F¨or att samma system skall vara stabilt m˚aste

dess poler ligga i detta omr˚ade. [LG03].

Gc(z) =

1 + K f actor

1 + (1 + K f actor) · K · z−1 (5.5)

Om ekvation (5.5) omformuleras till

Gc(z) = (1.3)z

z + 1.3K (5.6)

inses att kravet p˚a stabilitet enligt Definition 5.1 är uppfyllt d˚a polerna till ek-vation (5.6) är inom enhetscirkeln, vilket är sant för alla |K| < 1

(43)

5.3 Modifierad modell 27

Figur 5.3b visas förstärkningen K som funktion av ZA8 K WFR, där K f˚as enligt

K = F (ZA8 K W F R)/ZA8 K W F R och F (ZA8 K W F R) motsvaras av Figur

5.3a. Det största värdet K antar är 0.36, vilket inte överstiger 0.769. Detta

in-nebär att ˚aterkopplingen som görs inte resulterar i instabilitet p˚a grund av för stor

förstärkning. Att K ≈ 0.77 är ett gränsvärde för stabilitet för det slutna systemet

Gc(z) inses genom att titta p˚a nämnaren i (5.6). Att detta även är ett gränsvärde

för hela systemet ses i Figur 5.4 där K varieras. D˚a K överstiger 0.77 blir systemet

instabilt och utsignalen viker av ned˚at efter en stunds simulering.

ZA8_DMD_SEL VDTt VDT DEMOD & FILTERING z 1 Unit Delay TMDt TORQUE MOTOR DRIVER SA SERVOVALVE & ACTUATOR K K CRt CONTROL REGULATOR 1+0.3 1+K_factor (mA) (%) ZA8_SEL ZA8_K_WFR (%) (mA)

Figur 5.2. A8-reglerloop modifierad genom ˚aterkoppling med konstant K

a b 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ZA8 K WFR [-] 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 ZA8_K_WFR K (a) (b)

Figur 5.3. (a) ˚Aterkopplat värde fr˚an ZA8 K WFR till ZA8 SEL. (b) Förstärkningen K som funktion av ZA8 K WFR.

(44)

28 Analys av stabilitet 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80 Tid [s] ZA8 K WFR

Figur 5.4. Stegsvar för olika värde p˚a K. D˚a K överstiger 0.77 ses hur systemet blir insta-bilt och ZA8 K WFR viker av ned˚at efter en stunds simulering.Streckprickad: K=0.76, Streckad: K=0.78

5.4 Olinj¨

ar ˚

aterkoppling

Den sv˚arighet som ligger i att unders¨oka stabiliteten hos systemet med ˚aterkoppling

beror p˚a att förstärkningen K inte är konstant. Förstärkningen varierar beroende

p˚a styrkan p˚a ZA8 K WFR vilket s˚ags i Figur 5.3b.

För att f˚a en modell som bättre överensstämmer med det verkliga systemet

görs n˚agra modifieringar. Förstärkning p˚a ˚aterkopplingen modeleras enligt Figur

5.5 där K har ersatts med tabellen i Figur 5.3 a. Blocken CRt(s) samt VDTt(s) ersätts med CRtd(z) (5.7) och VDTtd(z) (5.8) där CRtd(z) och VDTtd(z) är den diskretiserade överföringsfunktionen för CRt(s) respektive VDTt(s).

Anledningen till att dessa överföringsfunktioner diskretiseras är att i FADEC beräknas CRt(s) som beskriver regulatorn, och VDTt(s) som beskriver signalens

överföring fr˚an lägesgivaren till FADEC:s applikationsmjukvara diskret med en

uppdateringshastighet om 100 Hz.

Vid ett normalt motorp˚adrag fr˚an maximalt gasp˚adrag med sl¨ackt EBK (MS)

(45)

5.5 ˚Atg¨arder mot instabilitet 29

50 linj¨art med gasp˚adraget. En simulering med detta som insignal visar tydliga

stabilitetsproblem vid tv˚a omr˚aden, Figur 5.6a. De v¨arden p˚a ZA8 K WFR d¨ar

svängningarna börjar är 22 och 36, vilket ses i Figur 5.6b. Dessa punkter ˚aterfinns

som brytpunkter i ˚aterkopplingstabellen, Figur 5.3a.

CRtd = 23.8z − 14.08 z2_{− 0.2636z} (5.7) V DT td = 0.4738z 2_{+ 0.4842z + 0.01417} z3_{− 0.09061z}2_{+ 0.06271z} (5.8) ZA8_DMD_SEL VDTtd VDT DEMOD & FILTERING z 1 Unit Delay TMDt TORQUE MOTOR DRIVER SA SERVOVALVE & ACTUATOR Look−Up Table1 CRtd CONTROL REGULATOR 1+0.3 1+K_factor (mA) (%) ZA8_SEL ZA8_K_WFR (%) (mA)

Figur 5.5. A8-reglerloop modifierad genom inf¨orande av Look-Up Table1 med tabel-lv¨arden enligt Figur 5.3a

5.5 ˚

Atg¨

arder mot instabilitet

För att motverka den instabilitet som s˚ags i Avsnitt 5.4 kan tv˚a lösningar vara intressanta att studera vidare. Dessa är

1. Justering av tabellens utformning. 2. Inf¨ora filterverkan p˚a tabellens utsignal.

Dessa angreppss¨att beskrivs utf¨orligare i styckena nedan.

5.5.1 Justering av tabell

Vid simulering av ett EBK-p˚adrag där areareferensvärdet ökar fr˚an 8% till 50% s˚ags i Figur 5.6b att ZA8 K WFR svänger kraftigt med början vid 22% och 36%.

(46)

30 Analys av stabilitet a b 0 5 10 15 20 25 10 0 10 20 30 40 50 Tid [s] Kolvutstyrning [% ] 0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 50 60 Tid [s] ZA8_K_WFR (a) (b)

Figur 5.6. Figur (b) visar tydliga problem med instabilitet vid tv˚a omr˚aden. Dessa omr˚aden ˚aterfinns som brytpunkter i Figur 5.3a.(a) Streckat: Beg¨art arearefer-ensv¨arde. Heldraget: Aktuatorposition. (b) Den justerade ˚aterkopplade aktuatorposi-tionen ZA8 K WFR.

Dessa värden stämmer väl överens med brytpunkter i Figur 5.3a och det är rimligt

att anta att sv¨angigheten beror p˚a att dessa punkter passeras. Om tabellen

modi-fieras enligt Figur 5.7 f¨orsvinner den brytpunkt kring 22% som f¨ormodas ligga till

grund f¨or sv¨angningarna p˚a ZA8 K WFR. Resultatet vid en simulering med

sam-ma insignal som i Figur 5.6a visar att instabilitetsproblemet vid denna brytpunkt har f¨orsvunnit (Figur 5.8).

Ett liknande försök att eliminera brytpunkten p˚a tabellens högra sida skall visa

sig vara sv˚arare. Att räta ut linjen p˚a motsvarande sätt som gjordes p˚a den vänstra

sidan ger ingen förbättring. För att n˚a en acceptabel niv˚a p˚a svängningarna behöver

tabellen justeras enligt Figur 5.9. Denna justering ger vid samma simulering som tidigare resultatet i Figur 5.10.

Den justering som har gjorts av tabellen uppfyller inte kravet att

justerin-gen skulle g¨alla endast vid del-EBK. Som tabellen ser ut nu f˚as en kvarvarande

p˚averkan av A8 vid MT. Denna kvarvarande areaökning skulle medföra en förlust

av dragkraft vid max gasp˚adrag vilket inte är önskvärt.

Slutsatsen av detta blir att en justering av tabellens utformning inte ¨ar r¨att

metod f¨or att ˚atg¨arda det stabilitetsproblem som skapas av ˚aterkopplingen.

5.5.2 Inf¨

orande av filter

En alternativ l¨osning till att justera tabellen vilket gjordes i Avsnitt 5.5.1, ¨ar att

l˚agpassfiltrera det fr˚an tabellen ˚aterkopplade v¨ardet. Figur 5.11 visar en

frekven-sanalys av simuleringen i 5.6b. Frekvenfrekven-sanalysen visar att signalen inneh˚aller tv˚a

dominerande frekvenser vid ca 3 respektive 50 Hz. En n¨armare analys av

(47)

5.5 ˚Atg¨arder mot instabilitet 31 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ZA8_K_WFR [ -] 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 ZA8 K WFR K (a) (b)

Figur 5.7. För att eliminera den brytpunkt som l˚ag till grund för instabiliteten kring ZA8 K WFR = 22% (Figur 5.6) modifieras tabellen. (a) Streckad: Den justerade tabellen, Heldragen: Orginaltabellen (b) Streckad: Justerad förstärkning K som funk-tion av ZA8 K WFR, Heldragen: Orginal förstärkning K som funkfunk-tion av ZA8 K WFR

a b 0 5 10 15 20 25 10 0 10 20 30 40 50 Tid [s] Kolvutstyrning [% ] 0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 50 60 Tid [s] ZA8_K_WFR (a) (b)

Figur 5.8. Simulering av systemet med justerad ˚aterkopplingstabell visar att problemen med instabilitet försvinner. (a) Streckad: Begärt areareferensvärde Heldragen: Aktua-torposition (b) Den justerade ˚aterkopplade aktuatorpositionen ZA8 K WFR

Hz eller 18.2 rad/s. Se Figur 5.12.

Simuleringar har även gjorts med varierande insignal för att undersöka om självsvängningsfrekvensen är insignalsberoende. Se appendix D. Dessa visar att s˚a inte är fallet.

(48)

32 Analys av stabilitet a b 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ZA8_K_WFR [-] 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 ZA8 K WFR K (a) (b)

Figur 5.9. För att försöka motverka problemen med instabilitet med början vid ZA8 K WFR = 36 justeras tabellen.(a) Streckad: Den justerade tabellen, Heldragen: Orginaltabellen (b) Streckad: Justerad förstärkning K som funktion av ZA8 K WFR, Heldragen: Orginal förstärkning K som funktion av ZA8 K WFR

a b 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tid [s] Kolvutstyrning [% ] 0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 50 60 Tid [s] ZA8_K_WFR (a) (b)

Figur 5.10. Simulering av systemet med justerad ˚aterkopplingstabell visar klara förbättringar i det justerade omr˚adet. (a) Streckad: Begärt areareferensvärde Heldra-gen: Aktuatorposition (b) Den justerade ˚aterkopplade aktuatorpositionen ZA8 K WFR

störning som blir p˚a signalen, simuleras modellen med l˚agpass-filter av ordning 1, 2 och 4 placerade efter tabellen Look-up Table1 i Figur 5.5. Simuleringar visar att filtren i Tabell 5.1 är de filter med respektive högsta brytfrekvensen som klarar att tillfredsställande dämpa ut svängningarna.

Med dessa tre filter som alternativ ˚aterst˚ar att välja det filtret som bäst lämpar sig för implementering i den beräkningsmodul det är tänkt att placeras i. Önskvärda

(49)

5.5 ˚Atg¨arder mot instabilitet 33

egenskaper är att filtret relativt snabbt reagerar p˚a förändringar p˚a insignalen,

vilket framf¨or allt sker vid snabba motortransienter under EBK-p˚adrag. Vidare

bör filtret beräkningsmässigt sett vara enkelt d˚a det skall exekveras i realtid av

FADEC, vilket innebär att tiden för exekvering är begränsad. Figur 5.13 visar

stegsvar samt bodediagram f¨or de tre filtren. Filter H3(s) reagerar l˚angsammast,

iallafall till att börja med. Dessutom har filtret en översläng som talar emot det.

Detta tillsammans med att filtret har högst ordningstal och s˚aledes även är det

filter som kräver mest beräkningstid gör att detta alternativ inte kan anses vara

det bästa. Skillnaden i responstid mellan H1(s) och H2(s) är däremot inte s˚a stor

och b˚ada filtren kan anses vara ett bra val. Filter H1(s) v¨aljs dock p˚a grund av sitt

l¨agre ordningstal. Time Frequency 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Figur 5.11. Frekvensalanalys av signalen ZA8 K WFR visar att den dominerande frekvensen ¨ar ca 3 Hz.

Detta filter approximeras med hjälp av bilinjär transformation till en tidsdiskret motsvarighet för att passa in i den tidsdiskreta modellen som beskriver A8 regelerin-gen. Vid bilinjär transformation avbildas imaginära axeln p˚a enhetscirkeln, detta medför att frekvensskalan mellan det kontinuerliga filtret och det digitala inte blir exakt samma [LiU03]. För sm˚a ω stämmer det däremot överens väl och i detta fall blir skillnaden försumbar. Det digitala filtrets gränsfrekvens blir 6.9971 rad/s, vilket kan jämföras med det kontinuerliga filtrets gränsfrekvens vid 7 rad/s.

(50)

34 Analys av stabilitet 1 2 3 4 5 6 7 8 9 −15 −10 −5 0 5 10 15 Frequency (Hz)

Power Spectral Density (dB/Hz)

Welch PSD Estimate

Figur 5.12. Bestämning av frekvens p˚a instabil svängning med hjälp av spektraltäthet ger ett noggrannare värde p˚a frekvensen. Frekvensen bestäms till 2.9 Hz.

Filter Ordning Brytfrekvens [rad/s]

H1(s) =_s+77 1 7

H2(s) =_s2_+16.97s+144144 2 12

H3(s) =_s4_+41.81s3_+874s655402_{+10700s+65540} 4 16

Tabell 5.1. Filter f¨or stabilisering av ZA8 K WFR.

H1(z) = 0.03382z + 0.03382

z − 0.9324 (5.9)

(51)

5.6 Slutsats av analys av stabilitet 35 a b 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Step Response Time (sec) Amplitude 100 80 60 40 20 0 Magnitude (dB) 10 1 100 101 102 360 270 180 90 0 90 Phase (deg) Bode Diagram Frequency (rad/sec) (a) (b)

Figur 5.13. Filterkarakteristik f¨or filtren i Tabell 5.1, vilka har diskretiserats genom bilinj¨ar transformation (Tustins metod). Heldraget: H1(z) , Streckat: H2(z) ,

Streck-prickat: H3(z). (a) Stegsvar, (b) Bodediagram

5.6 Slutsats av analys av stabilitet

Det resultat som framkom i kapitlet visar att ett filter troligtvis behövs för att förbättra stabilitet och motverka att systemet blir svängigt inom vissa

arbet-somr˚aden. I kapitel 4 beskrivs var detta filter implementeras. I n¨asta kapitel

kom-mer simuleringar av hela motormodellen genomf¨oras. I dessa simuleringar har filtret (5.9) implementerats i modellen. H1(z) ZA8_DMD_SEL VDTtd VDT DEMOD & FILTERING z 1 Unit Delay TMDt TORQUE MOTOR DRIVER SA SERVOVALVE & ACTUATOR Look−Up Table1 CRtd CONTROL REGULATOR 1+0.3 1+K_factor 0.03382z+0.03382 z−0.9324 (mA) (%) ZA8_SEL ZA8_K_WFR (%) (mA)

Figur 5.14. A8-reglerloop modifierad genom (1) införande av Look-Up Table1 med tabel-lvärden enligt Figur 5.3a samt (2) införande av filter H1(z) (5.9)

(52)

36 Analys av stabilitet a b 0 5 10 15 20 25 10 0 10 20 30 40 50 Tid [s] Kolvutstyrninging [% ] 0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 50 60 Tid [s] ZA8_K_WFR (a) (b)

Figur 5.15. Simulering av systemet med filter. Efter att systemet svängt in sig fr˚an initialtilst˚andet ses inga tendenser till instabilitet. 5.9 (a)Streckat: Begärt arearefer-ensvärde, Heldraget: Aktuatorposition. (b) Den justerade ˚aterkopplade aktuatorposi-tionen ZA8 K WFR

(53)

Kapitel 6

Simuleringar av motormodell

Innan ny programvara f¨or FADEC kan testas i riktig motor i testcell kr¨avs att

verifieringar görs för att tillse att önskat resultat har uppn˚atts. Detta görs

van-ligtvis genom datorsimuleringar av den processmodell av RM12 som Volvo Aero

har utvecklat. Orsaken till att testningen utf¨ors genom simuleringar ¨ar att det b˚ade

är kostsamt att utföra motorprov med riktig motor samt att det vore riskfyllt för motor och provpersonal att köra en motor med programvara som inte är noggrant utvärderad.

6.1 Motorsimuleringsm¨

ojligheter

Vid avdelningen Motorsystem p˚a Volvo Aero finns m¨ojlighet att simulera olika

körfall för motor RM12. Detta kan göras antingen p˚a

• PC-milj¨o, genom simuleringsverktyget System build.

• realtidssimuleringsutrustning kopplad till en riktig FADEC enhet.

Under utvecklingsarbetet används oftast PC för simulering d˚a det är relativt enkelt

att uppdatera den programvara som kr¨avs f¨or att FADEC-modellen skall vara

exekverbar. Realtidssimulering med riktig FADEC-h˚ardvara kr¨aver lite mer arbete

för att den skall kunna användas. Före simulering i PC m˚aste en modell av FADEC

skapas i MatrixX. Detta g¨ors genom ett verktyg som Volvo Aero har utvecklat som

heter Beacon2MATRIXx och som utg˚ar fr˚an de Beacondiagram som skapas.

Vid simulering i realtidsutrustning anv¨ands riktig FADEC-h˚ardvara och

mjuk-varan skapas via ett verktyg som heter FASTC (FADEC Application Software for

Test from C). ¨Aven detta verktyg ¨ar utvecklat av Volvo Aero och utg˚ar fr˚an de

Beacondiagram som skapats.

(54)

38 Simuleringar av motormodell

6.2 Simulering i PC

Vid simulering i PC kan man som insignal v¨alja att ange de PLA man vill att

motorn skall f¨olja. Insignalen anges d˚a som en vektor d¨ar brytpunkterna som skall

passeras motsvaras av elementen i vektorn. En motsvarande vektor som anger

tid-punkt d˚a brytpunkterna skall passeras m˚aste ¨aven anges vid simulering. Vid

simu-lering interpoleras värden linjärt mellan brytpunkterna vid varje beräkningssteg. Exempel 1 visar hur insignal och tidsvektor ser ut för simuleringen i figur C.5.

Exempel 1

Resultatet i Figur C.5 har genererats av f¨oljande rader:

t=[0,5,20,25,40,45,45.01,50,50.01,55,55.01,60,60.01,65,65.01,70,... 70.01,75,75.01,85,85.01,95,95.01,105,105.01,115,115.01,125]’ pla=[103,103,131,131,103,103,131,131,103,103,120,120,131,131,...

120,120,103,103,28,28,131,131,28,28,120,120,28,28]’ out=sim("RM12_SYSTEM",{time=t,input=pla})

6.3 Simulering med olika temperatur, tryck och

machtal

Luftens tryck och temperatur varierar som funktion av h¨ojden. En modell ¨over hur

standardatmosf¨aren varierar ges av Ekvation (6.1) samt (6.2), vilka bygger p˚a ISO

standard 2533-1975(E) och är giltiga mellan -2 km till 11 km höjd. Pambär statiskt

omgivningstryck i Pascal och Tamb ¨ar statisk omgivningstemperatur i Kelvin.

Under flygning p˚averkas tryck och temperatur i motorinloppet av hastigheten

där ökad hastighet medför ökat tryck och temperatur. Ekvation (6.3) och (6.4) beskriver detta samband. Totaltemperaturen i motorinloppet benämns T T 1 och anges i Kelvin. Totaltrycket i motorinloppet benämns P T 1 och anges i Pascal.

I modellblocket Ambient, se Appendix Figur A.1, finns möjlighet att välja omgivningstryck, omgivningstemperatur samt hastighet. FADEC beräknar sedan

utifr˚an vald hastighet T T 1 och P T 1 som används för beräkning av motorns

styr-parametrar. För att se vilken effekt reglerändringen f˚ar p˚a olika höjd och machtal

görs simuleringar där tryck och temperatur varieras för att motsvara höjderna 0, 2, 4, 6, 8 och 11 km. Tabell 6.1 visar de data som används vid simuleringarna.

Vid varje driftspunkt varieras PLA gradvis fr˚an 107◦ _{till 131}◦ _{och data samplas}

när motorn uppn˚ar stationärt drifttillst˚and för varje helt gradtal. Simuleringarna

(55)

6.4 Simulering med olika gasp˚adrag 39

Pamb [kPa] Tamb [K] Hastighet [mach]

101.3 288.15 0.3, 0.6, 0.9 79.483 275.15 0.3, 0.6, 0.9 61.625 262.15 0.3, 0.6, 0.9 47.170 249.15 0.3, 0.6, 0.9 35.588 236.15 0.3, 0.6, 0.9 22.624 216.65 0.3, 0.6, 0.9

Tabell 6.1. Tryck, temperatur och hastighet som anv¨ants vid simulering.

den programvaran som är modifierad för att erh˚alla högre bypass-förh˚allnade,

ver-sion 3.20x. Resultatet av simuleringarna ses i Appendix C.1 - C.4.

Pamb = Pstd· (1 +Tgrad

Tstd · Galt) −Gstd

Tgrad·Rstd _(6.1)

Tamb = Tstd+ Tgrad· Galt (6.2)

Rstd = Pstd

Tstd· R0std

Galt = H¨ojd ¨over havsniv˚a i meter

Pstd = 101325.0 Tgrad = −0.0065 Tstd = 288.15 Gstd = 9.80665 R0std = 1.225 T T 1 = Tamb· (1 +κ − 1 2 · M 2₎ _(6.3) P T 1 = Pamb· (1 +κ − 1 2 · M 2₎3.5 _(6.4) M = Hastighet [mach] κ = 1.4

6.4 Simulering med olika gasp˚

adrag

F¨or att kunna se vilken effekt den nya programvaran ger vid olika p˚adrag har

ett antal simuleringar med varierande gasp˚adrag gjorts. Simuleringarna har gjorts