Tesis:
Application of ROM-based methods to aeroengines health monitoring, performance, and control
- Autor: RODRIGO RAMÍREZ, José
- Título: Application of ROM-based methods to aeroengines health monitoring, performance, and control
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70197/
- Director/a 1º: MONTAÑÉS GARCÍA, José Luis
- Resumen: Los fabricantes de aerorreactores más importantes del mundo muestran actualmente gran interés por los sistemas de monitorización encargados de seguir el estado de degradación en sus motores. Y ello para poder controlar mejor su funcionamiento, poder determinar con precisión los intervalos entre eventos de mantenimiento, reducir los tiempos de parada programada y aumentar el retorno de inversión de sus clientes. En definitiva, para mejorar la calidad de sus productos e incrementar el valor percibido por el mercado. Los intentos por aumentar la eficiencia de estos motores han sido determinantes, en las últimas décadas, en cuanto al rumbo que ha seguido la industria aeronáutica por diversos motivos. Conocer de forma precisa el estado de degradación de estos motores es clave para alcanzar todos estos objetivos. De entre todos los motores de reacción, los motores tipo turbofán bieje son los más empleados en la aviación comercial, motivo por el que esta tesis se centrará en ellos. En este sentido, los métodos basados en modelos de orden reducido (también conocidos como ROMs, por sus siglas en inglés) han resultado ser, en los últimos años, técnicas de una aplicabilidad muy destacable en diferentes campos técnicos. Buenos ejemplos de ello pueden encontrarse en su uso para el análisis de efectos aeroelásticos durante vuelo transónico en aviones actuales, o para el estudio de efectos de transferencia de calor en flujos aislados, entre otros. Dada la importante reducción de tiempo de cálculo que puede lograrse implementando este tipo de metodologías simplificadas (entre otras potenciales ventajas que se evaluarán en la tesis) en ciertos problemas que impliquen el manejo de una gran cantidad de datos, o el uso de modelos analíticos complejos, uno de los objetivos del estudio será determinar si los ROMs pueden también emplearse ventajosamente para la realización de diagnósticos y pronósticos en motores tipo turbofán (y similares), así como en el cálculo preciso de una variable tan relevante en estos motores como es la temperatura a la salida de la cámara de combustión, parámetro que suele emplearse en la determinación del régimen de funcionamiento. Para este propósito, se ha generado un modelo de motor, por medio del programa informático PROOSIS®, con la capacidad de simular su comportamiento, de modo que cuente con cierto grado de deterioro definible en cada uno de sus componentes. Dicho modelo se combinará con algoritmos desarrollados en MATLAB®, de optimización y de resolución de problemas inversos, con el objeto de determinar el estado de degradación del motor a partir de la información obtenida de la instrumentación montada en el mismo. Es decir, la degradación de ciertos componentes principales (fan, compresores y turbinas) se calculará a partir de datos recopilados por sensores instalados en el motor, mediante la aplicación de distintas técnicas numéricas (los sensores serán simulados). El objetivo principal de la tesis será, por lo tanto, la creación de una metodología que permita resolver el mencionado problema inverso asociado a la determinación del estado de degradación del aerorreactor más representativo en la actualidad. La exploración de las capacidades de los ROMs, en la realización de los cálculos llevados a cabo con el modelo completo, constituirá la última parte de la tesis. Se substituirá entonces al modelo, previamente desarrollado a través de PROOSIS®, por un tensor que contenga la información mínima necesaria para llevar a cabo la monitorización del estado del motor durante su operación, con vistas a lograr menores tiempos de cálculo, así como menores costes de implementación de la metodología en los sistemas de control disponibles a bordo de la aeronave, si ello fuera posible. Se espera que el beneficio que la metodología propuesta pueda suponer, como consecuencia del conocimiento preciso del estado de degradación de los motores, atraiga el interés de diversos operadores (e.g., aerolíneas) para implementarla en sus respectivas flotas. Dicho beneficio repercutiría en los costes de operación directos (mejora de eficiencia y ahorro de combustible), y en los costes indirectos asociados (mejoras derivadas en cuanto a mantenimiento y gestión de operación). ----------ABSTRACT---------- The most relevant jet engine manufacturers in the world are currently very interested in systems dedicated to the monitoring of the degradation in the engines they produce. The reasons behind include aiming for a better operational control, being able to accurately determine the intervals between maintenance events, reducing scheduled downtimes and, finally, improving the return on investment for their customers. In short, the main target is improving the quality of their products and to increase the value perceived by the market. Attempts to improve the efficiency of these engines have been decisive, in recent decades, in terms of the direction that the aeronautical industry has followed, for various reasons. Getting to know accurately the degradation condition in these engines is crucial to achieve all those goals. From all the jet engine models available today, the two-spool turbofan engine is the most widely used in commercial aviation, reason why this thesis will be focused on it. In this sense, methods based on reduced order models (also known as ROMs) have become techniques of a very remarkable applicability in different technical fields in recent years. Good examples can be found in its use for the analysis of aeroelastic effects during transonic flight in modern aircraft, or for the study of heat transfer effects in isolated flows, among others. Given the significant reduction in computational time that can be achieved by implementing this type of simplified methodologies (among other potential advantages that will be evaluated in the thesis) in certain problems that involve handling of a large amount of data, or the use of complex analytical models, one of the objectives of this study will be determining if ROMs can also be used advantageously for the development of diagnoses and prognoses in turbofan engines (and similar gas turbine engine models), as well as in the accurate calculation of a variable as relevant in these engines as the temperature at the outlet of the combustion chamber is, parameter that is typically used in determining the engine’s operating regime. To do so, an engine model has been created, by means of the PROOSIS® software, with the ability to simulate engine’s performance, so that it counts with a certain degree of definable degradation in each of its components. Such model will be combined with algorithms developed in MATLAB®, for optimization and for inverse problems solving, to determine the engine’s degradation condition with the information obtained from the instrumentation mounted on it. Thus, the degradation of certain main engine components (fan, compressors, and turbines) will be obtained from data collected by sensors installed in the engine, after the application of different numerical techniques (sensors will be simulated). The main goal of the thesis will be, therefore, the development of a methodology that allows solving the inverse problem associated with the determination of the degradation condition in the most representative aeroengine nowadays. The exploration of the capabilities of ROM-based methods, in the solving process of the calculations carried out initially by the complete model, will constitute the last part of the thesis. The model, previously developed through PROOSIS®, will then be replaced by a tensor that contains the minimum necessary information to perform the monitoring of the engine’s degradation state during its operation, with the aim of achieving shorter calculation times, as well as shorter costs of implementation of the methodology in the control systems available on board in the aircraft, if that could be finally possible. It is expected that the benefit the proposed methodology may mean, because of the accurate knowledge of the engine’s degradation condition, will attract the attention of different operators (e.g., airlines) to implement it in their respective fleets. This benefit would have a positive impact on their direct operating costs (with improved efficiency and fuel savings), and on their associated indirect costs (with derived improvements in terms of maintenance and operation management).