TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Transmission of Vibration Caused by Unbalance in an Aircraft Engine with Active Control Strategies

Zhao, Xiaonan:
Transmission of Vibration Caused by Unbalance in an Aircraft Engine with Active Control Strategies.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5361]
Darmstadt
[Buch], (2016)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5361

Kurzbeschreibung (Abstract)

This work was initiated by the ideas of employing active systems inside the aircraft engine to actively reduce the vibration transmitted from the engine into the fuselage. Focusing on the vibration caused by the rotor unbalance and the comfort inside the fuselage, potential positions for actuators were identified along the vibration transmission path from the rotor to the fuselage: (1) at the bearing of the rotor, (2) inside the struts or along the links of the internal suspension of the engine, and (3) along the links of the mount system between the engine and the fuselage.

A finite element reference model of a twin-spool engine attached to a section of the fuselage was investigated. To evaluate the active systems with these three actuator placement approaches, a model generation procedure was developed and state space models of different bearing configurations were created from this model. Three suspension systems were defined according to these actuation approaches, and their performances and different control strategies were compared based on the optimization results, which were generated in the frequency domain by minimizing different cost functions. The results were presented in terms of the average mechanical power transmitted through the suspension, indicating the vibrational energy emitted into the receiver structure. It was found that a good reduction level could be achieved, when the first approach was applied (12.4 dB during the cruise) or the current passive damping technique at the rotors, namely, squeeze film dampers, worked together with the other two approaches (5.0 dB with the second approach and 10.3 dB with the third). Subsequently, several control algorithms were investigated on four active systems: three systems corresponding to the three actuation approaches in which actuators and sensors were collocated and one system with the second approach controlling the vibration on the fuselage. FxLMS proved to be capable to realize the ideal effectiveness, except for the collocated system with the second approach, under the condition of an accurate estimation of the secondary path. This algorithm was robust to an amplitude error of the secondary path model, and a phase error up to ca. 20% during the cruise, for example, could be tolerated with a compromise of ca. 3 dB less reduction. Worse stability arose with the increase of the phase error, and thus required smaller step sizes and resulted in slower converging speed. It was easy to find the optimal gain of an IFF controller, even if it was applied in such a large and complex system, due to its advantage of unconditional stability in collocated systems.

These conclusions based on numerical results were discussed and most of them were verified by comparing them with those in past studies, in which the same methods were applied or similar systems were under investigation. At the end, suggestions were given for the selection and packaging of actuators, the selection and placement of sensors and the implementation of controllers.

Typ des Eintrags: Buch
Erschienen: 2016
Autor(en): Zhao, Xiaonan
Titel: Transmission of Vibration Caused by Unbalance in an Aircraft Engine with Active Control Strategies
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

This work was initiated by the ideas of employing active systems inside the aircraft engine to actively reduce the vibration transmitted from the engine into the fuselage. Focusing on the vibration caused by the rotor unbalance and the comfort inside the fuselage, potential positions for actuators were identified along the vibration transmission path from the rotor to the fuselage: (1) at the bearing of the rotor, (2) inside the struts or along the links of the internal suspension of the engine, and (3) along the links of the mount system between the engine and the fuselage.

A finite element reference model of a twin-spool engine attached to a section of the fuselage was investigated. To evaluate the active systems with these three actuator placement approaches, a model generation procedure was developed and state space models of different bearing configurations were created from this model. Three suspension systems were defined according to these actuation approaches, and their performances and different control strategies were compared based on the optimization results, which were generated in the frequency domain by minimizing different cost functions. The results were presented in terms of the average mechanical power transmitted through the suspension, indicating the vibrational energy emitted into the receiver structure. It was found that a good reduction level could be achieved, when the first approach was applied (12.4 dB during the cruise) or the current passive damping technique at the rotors, namely, squeeze film dampers, worked together with the other two approaches (5.0 dB with the second approach and 10.3 dB with the third). Subsequently, several control algorithms were investigated on four active systems: three systems corresponding to the three actuation approaches in which actuators and sensors were collocated and one system with the second approach controlling the vibration on the fuselage. FxLMS proved to be capable to realize the ideal effectiveness, except for the collocated system with the second approach, under the condition of an accurate estimation of the secondary path. This algorithm was robust to an amplitude error of the secondary path model, and a phase error up to ca. 20% during the cruise, for example, could be tolerated with a compromise of ca. 3 dB less reduction. Worse stability arose with the increase of the phase error, and thus required smaller step sizes and resulted in slower converging speed. It was easy to find the optimal gain of an IFF controller, even if it was applied in such a large and complex system, due to its advantage of unconditional stability in collocated systems.

These conclusions based on numerical results were discussed and most of them were verified by comparing them with those in past studies, in which the same methods were applied or similar systems were under investigation. At the end, suggestions were given for the selection and packaging of actuators, the selection and placement of sensors and the implementation of controllers.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS)
Hinterlegungsdatum: 17 Apr 2016 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5361
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53611
Gutachter / Prüfer: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan ; Schweizer, Prof. Dr. Bernhard
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 14 Oktober 2015
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Diese Arbeit basiert auf der Idee, aktive Systeme in einem Flugzeugtriebwerk einzusetzen, um die vom Triebwerk in den Rumpf übertragenen Schwingungen aktiv zu reduzieren. Mit dem Fokus auf den Schwingungen, die durch die Unwucht des Rotors verursacht werden, und auf den Komfort im Flugzeugrumpf wurden mögliche Positionen für Aktoren entlang des Schwingungsübertragungswegs vom Rotor bis zum Rumpf festgelegt: (1) an der Lagerung des Rotors (2) innerhalb der Streben und an den Verbindungen der inneren Aufhängung des Triebwerks und (3) an den Verbindungen des Befestigungssystems zwischen Triebwerk und Rumpf. Ein Finite-Elemente-Referenzmodell eines an einem Abschnitt des Rumpfes angebrachten Zweiwellentriebwerks wurde untersucht. Um die aktiven Systeme mit diesen drei Aktorplatzierungskonzepten zu bewerten wurden ein Modellbildungsverfahren entwickelt und anschließend Zustandsraummodelle mit unterschiedlichen Lagerkonfigurationen abgeleitet. Drei Aufhängungssysteme wurden anhand dieser Aktorplatzierungskonzepte definiert und ihre Performances und verschiedenen Steuerstrategien auf Basis der Optimierungsergebnisse, die in der Frequenzdomäne durch Minimierung verschiedener Kostenfunktionen generiert wurden, verglichen. Die Ergebnisse wurden in Form von mittleren mechanischen Leistungen, die durch die Aufhängung übertragen wurden, dargestellt. Dies dient als Maß der in die Empfängerstruktur emittierten Vibrationsenergie. Es wurde festgestellt, dass eine deutliche Reduktion durch Anwendung des ersten Ansatzes erreicht werden konnte (12,4 dB während des Reiseflugs) oder durch Ergänzung der aktuellen passiven Dämpfungstechnik an den Rotoren (Quetschfilmdämpfer) durch die anderen beiden Ansätze (5,0 dB mit dem zweiten Ansatz und 10,3 dB mit dem dritten). Anschließend wurden mehrere Regelalgorithmen an vier aktiven Systemen untersucht: Drei Systeme, die den drei Ansteuerungskonzepten entsprachen, in denen Aktoren und Sensoren kollokiert wurden, und ein System mit dem zweiten Ansatz, das die Schwingungen am Rumpf regelt. FxLMS erwies sich als geeignet, die beste Effektivität zu realisieren, mit Ausnahme des kollokierten Systems mit dem zweiten Ansatz, unter der Bedingung einer genauen Abschätzung des sekundären Pfades. Dieser Algorithmus war robust gegen einen Amplitudenfehler des Sekundärpfadmodells und ein Phasenfehler von bis zu ca. 20% während des Reiseflugs könnte beispielsweise mit einem Kompromiss von ca. 3 dB weniger Reduktion toleriert werden. Eine Erhöhung der Phasenfehler verschlechterte die Stabilität, erforderte daher kleinere Schrittweiten und führte zu einer langsameren Konvergenzgeschwindigkeit. Aufgrund seines Vorteils der unbedingten Stabilität in kollokierten Systemen war es einfach, die optimale Verstärkung eines IFF-Controllers zu finden, selbst wenn er in einem so großen und komplexen System angewandt wurde. Diese auf numerischen Ergebnissen basierenden Schlussfolgerungen wurden erörtert und die meisten von ihnen wurden durch Vergleiche mit Ergebnissen früherer Untersuchungen, in denen die gleichen Methoden angewandt oder ähnliche Systeme untersucht wurden, verifiziert. Am Ende wurden Vorschläge für die Auswahl und die Platzierung der Aktoren, die Auswahl und Anordnung der Sensoren und die Implementierung von Reglern gegeben.Deutsch
Export:

Optionen (nur für Redakteure)

Eintrag anzeigen Eintrag anzeigen