Development of a Numerical Model for Jet Engine Operation and Performance Prediction: Comparative Study and Validation using Analytical and Experimental Results

Abstract

[ES] Los métodos numéricos son fundamentales en la ingeniería actual, debido a su capacidad de modelar rápidamente y con bajo coste el comportamiento de sistemas complejos no lineales, proporcionando asimismo gran detalle en los fenómenos involucrados.

En este trabajo se desarrolla un código modular en Python para resolver el enfoque termodinámico 0-D del problema de las actuaciones de un aerorreactor genérico, utilizando mapas de componentes para este fin. Se modelan sistemas turbojet monoeje y bieje. Estos se encuentran entre los más comunes en la industria aeronáutica militar actual.

Se obtienen sus curvas características y líneas de operación correspondientes mediante este método. Asimismo, se lleva a cabo un estudio comparativo, donde se modifican algunas características de componentes, con el fin de determinar e investigar los fenómenos más relevantes de este problema. Al mismo tiempo, se analiza tanto su comportamiento estacionario como transitorio. Estos se comparan con un enfoque analítico, demostrando que se obtiene una mayor precisión en la solución.

Los resultados se validan con ayuda de datos experimentales de un motor turbojet monoeje AMT Netherlands Olympus HP, a escala de laboratorio. Esta información es obtenida del banco de ensayos y complementada con medidas externas. Para finalizar, se aplica un filtro extendido de Kalman al problema transitorio, aportando mayor claridad en los mecanismos internos que permiten el funcionamiento del motor. Este ayuda a refinar las predicciones sobre la evolución de los estados, combinando los resultados arrojados por el modelo con las medidas experimentales.

Este estudio tiene como objetivo el desarrollo de herramientas más efectivas para diseñar, comprender y caracterizar sistemas propulsivos, lo que en el futuro puede permitir producir medios de transporte más eficaces y eficientes

[EN] Numerical methods are fundamental in modern-day engineering, due to their capability of rapidly and inexpensively predicting the behavior of complex non-linear systems, providing insight into the phenomena involved.

In this work, a modular Python code is developed to solve the 0-D thermodynamic approach to a generic jet engine operation problem, using component performance maps for this purpose. Single spool and dual spool turbojet engines are modeled. They are among the most common propulsive systems in today s military aviation industry.

Their corresponding characteristic curves and operating lines are obtained employing this method. A comparative study, where some component features are being modified, is hereby be carried out to determine and investigate the most relevant phenomena in this problem. In the process, both steady-state and transient behaviors are also investigated. These are compared with an analytical approach, showing in the end a better accuracy in the solution provided.

Results are validated with the help of experimental data from a laboratory-scale single spool turbojet AMT Netherlands Olympus HP engine. This information is obtained from a test rig and complemented with external measurements. In the end, an extended Kalman filter is applied to the transient problem, to provide better insight into the internal mechanisms that drive the engine. It will help refining the predictions for the evolution of state variables, by combining the model results with experimental readings.

This study aims towards the development of better tools for designing, understanding and characterizing propulsive systems, thus allowing to produce more effective and efficient means of transportation in the future.