Estimation of Engine Inlet Air Temperature in Fighter Aircraft

An accurate estimate of the gasturbine inlet air temperature is essential to the stability of the engine since its control depends on it. Most supersonic military aircrafts have a design with the engine integrated in the fuselage which requires a rather long inlet duct from the inlet opening to the engine face. Such duct can affect the temperature measurement because of the heat flow between the inlet air and the duct skin. This is especially true when the temperature sensor is mounted close to the duct skin, which is the case for most engines. This master thesis project therefore revolved around developing a method to better estimate the engine inlet temperature and to compensate for the disturbances which a temperature sensor near the duct skin can be exposed to. A grey box model of the system was developed based on heat transfer equations between different components in the inlet, as well as predictions of temperature changes based on a temperature model of the atmosphere and thermodynamic laws. The unknown parameters of the grey box model were estimated using flight data and tuned to minimize the mean square of the prediction error. The numerical optimization of the parameters was performed using the Matlab implementations of the BFGS and SQP algorithms. An extended Kalman filter based on the model was also implemented. The two models were then evaluated in terms of how much the mean squared error was reduced compared to just using the sensor measurement to estimate the inlet air temperature. It was also analyzed how much the models reduced the prediction errors. A cross-correlation analysis was also done to see how well the model utilized the input signals. The results show that the engine inlet temperature can be estimated with good accuracy. The two models were shown to reduce the mean square of the prediction error by between 84 % and 89 % if you compare with just using the temperature sensor to estimate the temperature. The model which utilized the Kalman filtering was shown to perform slightly better than the other model. The relevance of different subcomponents of the model were investigated in order to see if the model could be simplified and maintain similar accuracy. Some investigations were also done with the relationship between different temperatures of the inlet to further understand the flow patterns of the inlet and to perhaps improve the model even more in the future.En korrekt uppskattning av lufttemperaturen vid inloppet till turbofläktmotorer är väsentlig för stabil motorfunktion eftersom den direkt påverkar motorregleringen. För militära flygplan där motorn är integrerad i flygplansskrovet krävs ofta en relativt lång luftkanal för att leda luften till motorn. En sådan kanal kan påverka temperaturmätningen på grund av det värmeutbyte som sker mellan luften i kanalen och kanalväggen, speciellt då temperaturgivaren placeras nära kanalväggen eftersom den då kan påverkas av temperaturgränsskiktet nära kanalväggen. Det här examensarbetet handlade därför om att utveckla en metod för att bättre skatta temperaturen i motorinloppet och kompensera för de störningar som en temperaturgivare nära kanalväggen kan utsättas för. En fysikalisk model av systemet togs fram baserat på värmeöverföringen mellan olika komponenter i luftintagskanalen, samt ett sätt att förutse temperaturändringar baserat på en generell temperaturmodell för atmosfären och termodynamiska lagar. Många parametrar i den fysikaliska modellen av systemet var dock okända så dessa skattades baserat på flygdata. Parametrarna anpassades till modellen på ett sådant sätt att den genomsnittliga kvadraten av modellens skattningsfel minimerades. Den numeriska optimeringen av parametrarna utfördes med hjälp av Matlabs implementation av BFGS- och SQP-algoritmerna. Ett utökat kalmanfilter baserat på modellen implementerades också. De två modellerna utvärderades i termer av hur mycket de reducerade kvadraten av skattningsfelet och jämfördes med att endast använda temperaturmätningarna för att skatta temperaturen. Det undersöktes även hur mycket skattningsfelen reducerades. Korskorrelationen mellan skattningsfelet och insignalerna undersöktes även för att se om modellen hade utnyttjat insignalerna på ett bra sätt. Resultaten visar att det går att skatta temperaturen i motorinloppet med god noggrannhet. De två modellerna visade sig reducera den genomsnittliga kvadraten av skattningsfelet med mellan 84 % och 89 % om man jämför med att bara använda temperaturgivaren för att skatta temperaturen. Den modell som utnyttjade kalmanfiltrering visade sig ge något bättre resultat än den andra modellen. Olika delmodellers relevans undersöktes för att se om modellen kunde förenklas utan att modellens noggrannhet äventyrades. Några tester utfördes även för att undersöka förhållandet mellan olika temperaturer i intaget. Detta för att få en bättre förståelse för strömningen i intaget och resultatet skulle eventuellt kunna användas för att förbättra modellen ytterligare i framtiden