Eine schnelle Methode zur Modellierung eines Variablenzyklusmotors
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll zum Erstellen eines mathematischen Modells auf Komponentenebene für einen Variablenzyklusmotor vor.
Abstract
Die Motoren mit variablem Zyklus (VCE), die die Vorteile von Turbofan- und Turbojet-Triebwerken kombinieren, gelten weithin als Flugzeugtriebwerke der nächsten Generation. Die Entwicklung von VCE erfordert jedoch hohe Kosten. Daher ist es wichtig, ein mathematisches Modell bei der Entwicklung eines Flugzeugtriebwerks zu erstellen, das eine große Anzahl von realen Tests vermeiden und die Kosten drastisch reduzieren kann. Die Modellierung ist auch für die Entwicklung des Kontrollrechts von entscheidender Bedeutung. In diesem Artikel wird auf der Grundlage einer grafischen Simulationsumgebung eine schnelle Methode zur Modellierung einer Doppelumgehungs-Variablenzyklus-Engine mit objektorientierter Modellierungstechnologie und modularer hierarchischer Architektur beschrieben. Erstens basiert das mathematische Modell jeder Komponente auf der thermodynamischen Berechnung. Anschließend wird ein hierarchisches Motormodell über die Kombination der einzelnen mathematischen Komponentenmodelle und des N-R-Solver-Moduls erstellt. Schließlich werden die statischen und dynamischen Simulationen im Modell durchgeführt und die Simulationsergebnisse belegen die Wirksamkeit der Modellierungsmethode. Das vcE-Modell, das auf dieser Methode basiert, hat die Vorteile einer klaren Struktur und Echtzeitbeobachtung.
Introduction
Moderne Flugzeuganforderungen stellen das Antriebssystem vor große Herausforderungen, die intelligentere, effizientere oder noch vielseitigere Flugzeugtriebwerke benötigen1. Zukünftige militärische Antriebssysteme erfordern auch sowohl höheren Schub bei hoher Geschwindigkeit als auch einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch bei niedriger Geschwindigkeit1,2,3,4. Um den technischen Anforderungen künftiger Flugmissionen gerecht zu werden, legte General Electric (GE) 1955 das Konzept des Variablenzyklusmotors (VCE)vor 5. Ein VCE ist ein Flugzeugmotor, der verschiedene thermodynamische Zyklen durchführen kann, indem er die Geometriegröße oder -position einiger Komponentenändert 6. Die Lockheed SR-71 “Blackbird” mit einem J58 Turboramjet VCE hält seit 1976denWeltrekord für das schnellste luftatmende bemannte Flugzeug. Es hat sich auch viele potenzielle Vorteile des Überschallflugs bewährt. In den letzten 50 Jahren hat GE mehrere weitere VCEs verbessert und erfunden, darunter einen Doppelbypass VCE8, einen gesteuerten Druckverhältnismotor9 und einen adaptiven Zyklusmotor10. Diese Studien betrafen nicht nur die allgemeine Struktur- und Leistungsüberprüfung, sondern auch die Steuerung des Motors11. Diese Studien haben gezeigt, dass der VCE wie ein Turbofan mit hohem Bypass-Verhältnis beim Unterschallflug und wie ein Turbofan mit niedrigem Bypass-Verhältnis funktionieren kann, sogar wie ein Turbojet beim Überschallflug. So kann der VCE Leistungsabgleich unter unterschiedlichen Flugbedingungen realisieren.
Bei der Entwicklung eines VCE werden umfangreiche Überprüfungsarbeiten durchgeführt. Es kann eine große Menge an Zeit und Aufwand kosten, wenn alle diese Arbeiten auf physische Weise durchgeführt werden12. Computersimulationstechnik, die bereits bei der Entwicklung eines neuen Motors eingeführt wurde, kann nicht nur die Kosten stark senken, sondern auch die potenziellen Risiken vermeiden13,14. Basierend auf der Computersimulationstechnologie wird der Entwicklungszyklus eines Motors auf fast die Hälftereduziert und die Anzahl der benötigten Geräte drastisch reduziert 15 . Andererseits spielt die Simulation auch eine wichtige Rolle bei der Analyse des Motorverhaltens und der Steuerungsrechtsentwicklung. Zur Simulation des statischen Designs und der Off-Design-Leistung von Motoren wurde 1972 vom NASA Lewis Research Center ein Programm namens GENENG16 entwickelt. Dann entwickelte das Forschungszentrum DYNGEN17 von GENENG abgeleitet, und DYNGEN konnte die transiente Leistung eines Turbojets und der Turbofan-Motoren simulieren. 1989 legte die NASA ein Projekt mit dem Namen Numerical Propulsion System Simulation (NPSS) vor und ermutigte Forscher, ein modulares und flexibles Motorsimulationsprogramm durch den Einsatz objektorientierter Programmierung zu konstruieren. 1993 entwickelte John A. Reed das Turbofan Engine Simulation System (TESS) auf Basis der Application Visualization System (AVS) Plattform durch objektorientierte Programmierung18.
In der Zwischenzeit wird die schnelle Modellierung auf Basis der grafischen Programmierumgebung schrittweise in der Simulation verwendet. Das von der NASA entwickelte Paket Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T-MATS) basiert auf der Matlab/Simulink-Plattform. Es ist Open Source und ermöglicht es Benutzern, integrierte Komponentenbibliotheken anzupassen. T-MATS bietet eine benutzerfreundliche Schnittstelle und es ist bequem, das eingebaute JT9D Modell19zu analysieren und zu entwerfen.
In diesem Artikel wurde hier das dynamische Modell eines VCE-Typs mit Der Simulink-Software entwickelt. Das Modellierungsobjekt dieses Protokolls ist ein Doppelumgehungs-VCE. Das schematische Layout ist in Abbildung 1dargestellt. Der Motor kann sowohl im Einzel- als auch im Doppelbypass-Modus arbeiten. Wenn das Mode Select Valve (MSV) geöffnet ist, funktioniert der Motor bei Unterschallbedingungen mit einem relativ großen Bypass-Verhältnis besser. Wenn das Mode Select Valve geschlossen ist, hat der VCE ein kleines Bypass-Verhältnis und eine bessere Überschall-Missionsanpassung. Um die Leistung des Motors weiter zu quantifizieren, wird ein VCE-Modell für doppelte Umgehungsfunktionen auf der Grundlage der Modellierungsmethode auf Komponentenebene erstellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Basierend auf einer grafischen Simulationsumgebung kann ein VCE-Modell auf Komponentenebene schnell durch modulare hierarchische Architektur und objektorientierte Modellierungstechnologie erstellt werden. Es bietet eine freundliche Schnittstelle für Benutzer und es ist bequem, das Modell19zu analysieren und zu entwerfen.
Die Hauptbeschränkung dieser Methode ist die Ausführungseffizienz des Modells. Da das Modell in Skriptsprache geschrieben ist, muss das Modell bei j…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde aus den Fundamental Research Funds for the Central Universities, Grant Number [Nr. 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).
