Een snelle methode voor het modelleren van een variabele cyclus motor
Summary
Hier presenteren we een protocol om een wiskundig model op componentniveau te bouwen voor een variabele-cyclus motor.
Abstract
De variabele cyclus motoren (VCE) die de voordelen van turbofan-en turbojet-motoren combineren, worden algemeen beschouwd als de volgende generatie vliegtuigmotoren. Het ontwikkelen van VCE vereist echter hoge kosten. Het is dus essentieel om een wiskundig model te bouwen bij het ontwikkelen van een vliegtuigmotor, die een groot aantal echte tests kan voorkomen en de kosten drastisch verlaagt. Modellering is ook cruciaal in de ontwikkeling van het controlerecht. In dit artikel, op basis van een grafische simulatie-omgeving, een snelle methode voor het modelleren van een dubbele bypass variabele cyclus-engine met behulp van objectgeoriënteerde modellerings technologie en modulaire hiërarchische architectuur wordt beschreven. Ten eerste wordt het wiskundige model van elk onderdeel gebouwd op basis van de thermodynamische berekening. Vervolgens wordt een hiërarchisch motor model opgebouwd via de combinatie van elk wiskundig model en de N-R solver module. Ten slotte worden de statische en dynamische simulaties uitgevoerd in het model en de simulatieresultaten bewijzen de effectiviteit van de modelleringsmethode. Het VCE-model dat door deze methode wordt gebouwd, heeft de voordelen van een duidelijke structuur en real-time observatie.
Introduction
Moderne vliegtuig eisen bieden grote uitdagingen voor het voortstuwingssysteem, dat intelligentere, efficiëntere of nog veelzijdiger vliegtuigmotoren nodig heeft1. Toekomstige militaire voortstuwingssystemen vereisen ook een hogere stuwkracht bij hoge snelheid en een lager specifiek brandstofverbruik bij lage snelheid1,2,3,4. Om aan de technische vereisten van toekomstige vlucht missies te voldoen, heeft General Electric (GE) het concept van de variabele cyclus motor (VCE) in 19555naar voren gebracht. Een VCE is een vliegtuigmotor die verschillende thermodynamische cycli kan uitvoeren door het veranderen van de geometrie grootte of de positie van sommige componenten6. De Lockheed SR-71 “Blackbird” aangedreven door een J58 turboramjet VCE heeft het wereldrecord voor de snelste lucht-ademhaling bemande vliegtuigen gehouden sinds 19767. Het bleek ook veel potentiële voordelen van supersonische vlucht. In de afgelopen 50 jaar heeft GE verschillende andere VCEs verbeterd en uitgevonden, waaronder een dubbele bypass VCE8, een gecontroleerde druk ratio engine9 en een adaptieve cyclus motor10. Deze studies hadden niet alleen betrekking op de algemene structuur en prestatiecontrole, maar ook op het besturingssysteem van de motor11. Deze studies hebben bewezen dat de VCE kan werken als een hoge bypass ratio turbofan bij subsonische straal Flight en als een lage bypass ratio turbofan, zelfs als een turbojet op supersonische vlucht. Zo kan de VCE prestatie matching realiseren onder verschillende vluchtomstandigheden.
Bij het ontwikkelen van een VCE zal een grote hoeveelheid noodzakelijke verificatiewerkzaamheden worden uitgevoerd. Het kan een grote hoeveelheid tijd en uitgave kosten als al deze werken worden uitgevoerd op een fysieke manier12. Computer simulatie technologie, die al is goedgekeurd bij de ontwikkeling van een nieuwe motor, kan niet alleen de kosten aanzienlijk verminderen, maar ook de potentiële Risico’s voorkomen13,14. Op basis van computersimulatie technologie, zal de ontwikkelingscyclus van een motor worden teruggebracht tot bijna de helft, en het aantal benodigde apparatuur zal drastisch worden verlaagd15. Aan de andere kant speelt simulatie ook een belangrijke rol bij de analyse van het motor gedrag en de ontwikkeling van het controlerecht. Voor het simuleren van het statische ontwerp en de off-design prestaties van motoren, werd een programma genaamd GENENG16 ontwikkeld door het NASA Lewis Research Center in 1972. Vervolgens ontwikkelde het onderzoekscentrum DYNGEN17 , afgeleid van geneng, en dyngen kon de voorbijgaande prestaties van een turbojet en de turbofan motoren simuleren. In 1989 zette NASA een project op, genaamd numerieke voortstuwingssysteem simulatie (NPSS), en het moedigde onderzoekers aan om een modulair en flexibel motor simulatieprogramma te bouwen door het gebruik van objectgeoriënteerd programmeren. In 1993 ontwikkelde John A. reed het turbofan engine Simulation System (TESS) op basis van het applicatie visualisatie systeem (AVS) platform via objectgeoriënteerd programmeren18.
Ondertussen wordt snelle modellering op basis van grafische programmeeromgeving geleidelijk in simulatie gebruikt. De Toolbox voor het modelleren en analyseren van thermodynamische systemen (T-MATS) pakket ontwikkeld door NASA is gebaseerd op Matlab/Simulink platform. Het is open source en stelt gebruikers in staat om ingebouwde component bibliotheken aan te passen. T-MATS biedt een gebruiksvriendelijke interface voor gebruikers en het is handig om de ingebouwde JT9D model19te analyseren en te ontwerpen.
In dit artikel is het dynamische model van een type VCE hier ontwikkeld met behulp van Simulink software. Het modellerings object van dit protocol is een dubbele bypass VCE. De schematische lay-out wordt weergegeven in Figuur 1. De motor kan werken in zowel enkele als dubbele bypass-modi. Wanneer de modus Selecteer Valve (MSV) open is, presteert de motor beter bij subsonische condities met een relatief grote bypass ratio. Wanneer de modus selectie ventiel gesloten is, heeft de VCE een kleine bypass ratio en een betere supersonische missie aanpassingsvermogen. Om de prestaties van de motor verder te kwantificeren, wordt een dubbel bypass VCE-model gebouwd op basis van de modelleringsmethode op componentniveau.
Protocol
Representative Results
Discussion
Op basis van een grafische simulatie omgeving, kan een VCE component-level model snel worden opgebouwd door middel van modulaire hiërarchische architectuur en objectgeoriënteerde modellerings technologie. Het biedt een gebruiksvriendelijke interface voor gebruikers en het is handig om het model19te analyseren en te ontwerpen.
De belangrijkste beperking van deze methode is de efficiëntie van het uitvoeren van het model. Omdat het model is geschreven in scripttaal, moe…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gefinancierd door de fundamentele onderzoeksfondsen voor de centrale universiteiten, Grant Number [No. NS2018017].
Materials
| Gasturb | GasTurb GmbH | Gasturb 13 | |
| MATLAB | MathWorks | R2017b | |
| TMATS | NASA | 1.2.0 |
Referenzen
- Bin, L., Min, C., Zhili, Z. Steady Performance Investigation on Various Modes of an Adaptive Cycle Aero-Engine [J]. Propulsion Technology. 34 (8), 1009-1015 (2013).
- Junchao, Z., Min, C., Hailong, T. Matching mechanism analysis on an adaptive cycle engine. Chinese Journal of Aeronautics. (2), 22 (2017).
- Lyu, Y., Tang, H., Chen, M. A study on combined variable geometries regulation of adaptive cycle engine during throttling. Applied Sciences. 6 (12), 374 (2016).
- Ruffles, P. C. Aero engines of the future. Aeronautical Journal. 107 (1072), 307-321 (2003).
- Johnson, J. Variable cycle engine developments at General Electric 1955-1995. Developments In High-Speed Vehicle Propulsion Systems. , 105-158 (1995).
- French, M., Allen, C. NASA VCE test bed engine aerodynamic performance characteristics and test results. , 1594 (1981).
- Willis, E., Welliver, A. Variable-cycle engines for supersonic cruising aircraft. , 759 (1976).
- Allan, R. General Electric Company variable cycle engine technology demonstrator programs. , 1311 (1979).
- Keith, B. D., Basu, D. K., Stevens, C. Aerodynamic Test Results of Controlled Pressure Ratio Engine (COPE) Dual Spool Air Turbine Rotating Rig. ASME Turbo Expo 2000: Power for Land, Sea, and Air. , V001T003A105-V001T003A105 (2000).
- Johnson, J. E. . US Patent. , (2005).
- Vyvey, P., Bosschaerts, W., Fernandez Villace, V., Paniagua, G. Study of an Airbreathing Variable Cycle Engine. , 5758 (2011).
- LIU, Z., WANG, Z., HUANG, H., Cai, Y. H. Numerical simulation on performance of variable cycle engines. Journal of Aerospace Power. 25 (6), 1310-1315 (2010).
- Loftin, L. K. Toward a second-generation supersonic transport. Journal of Aircraft. 11 (1), 3-9 (1974).
- Mavris, D. N., Pinon, O. J. . Complex Systems Design & Management. , 1-25 (2012).
- Reed, J. A., Follen, G. J., Afjeh, A. A. Improving the aircraft design process using Web-based modeling and simulation. ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation (TOMACS). 10 (1), 58-83 (2000).
- Koenig, R. W., Fishbach, L. H. GENENG: A Program for calculating design and off-design performance for turbojet and turbofan engines. NASA Technical Note TN. D-6552. , (1972).
- Sellers, J. F., Daniele, C. J. DYNGEN: A program for calculating steady-state and transient performance of turbojet and turbofan engines. NASA Technical Note TN. D-7901. , (1975).
- Reed, J., Afjeh, A. Development of an interactive graphical propulsion system simulator. The 30th Joint Propulsion Conference and Exhibit in Indianapolis, IN. , (1994).
- Chapman, J. W., Lavelle, T. M., May, R., Litt, J. S., Guo, T. H. Propulsion System Simulation Using the Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T MATS). , (2014).
- Camporeale, S., Fortunato, B., Mastrovito, M. A modular code for real time dynamic simulation of gas turbines in simulink. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 128 (3), 506-517 (2006).
- Tsoutsanis, E., Meskin, N. Dynamic performance simulation and control of gas turbines used for hybrid gas/wind energy applications. Applied Thermal Engineering. 147, 122-142 (2019).
- Reed, J., Afjeh, A. An extensible object-oriented framework for distributed computational simulation of gas turbine propulsion systems. , 3565 (1998).
- Muir, D. E., Saravanamuttoo, H. I., Marshall, D. Health monitoring of variable geometry gas turbines for the Canadian Navy. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 111 (2), 244-250 (1989).
