שיטה מהירה למידול מנוע מחזור משתנה
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לבניית מודל מתמטי ברמת רכיב עבור מנוע מחזור משתנה.
Abstract
מנועי מחזור המשתנים (VCE) המשלבים את היתרונות של מנועי טורבו סילון ומנועים, נחשבים באופן נרחב למנועים הדור הבא של המטוס. עם זאת, פיתוח VCE דורש עלויות גבוהות. לכן, חיוני לבנות מודל מתמטי בעת פיתוח מנוע מטוסים, אשר עשוי למנוע מספר רב של בדיקות אמיתיות להפחית את העלות באופן דרמטי. מידול הוא גם חיוני בפיתוח חוק השליטה. במאמר זה, בהתבסס על סביבת סימולציה גרפית, שיטה מהירה למידול מנוע מחזורי מעקפים כפול באמצעות טכנולוגיית מידול מונחה עצמים וארכיטקטורה הירארכית מודולרית מתוארת. ראשית, המודל המתמטי של כל רכיב נבנה בהתבסס על החישוב התרמודינמי. לאחר מכן, דגם מנוע הירארכי בנוי באמצעות השילוב של כל מודל מתמטי של רכיב ומודול ה-N-R solver. לבסוף, הסימולציות הסטטיות והדינמיות מתבצעות במודל ותוצאות ההדמיה מוכיחות את האפקטיביות של שיטת המידול. לדגם VCE שנבנה באמצעות שיטה זו יש את היתרונות של מבנה ברור והתבוננות בזמן אמת.
Introduction
מטוסים מודרניים דורשים להביא אתגרים גדולים למערכת ההנעה, אשר זקוק אינטליגנטי יותר, יעיל יותר או אפילו יותר מנועי מטוסים תכליתי1. בעתיד מערכות ההנעה הצבאית דורשים גם דחף גבוה יותר במהירות גבוהה וצריכת דלק מסוימת נמוכה יותר במהירות נמוכה1,2,3,4. כדי לענות על הדרישות הטכניות של משימות טיסה עתידיות, ג’נרל אלקטריק (GE) לשים קדימה את מנוע מחזור משתנה (VCE) המושג ב 19555. VCE הוא מנוע מטוסים שיכול לבצע מחזורי תרמודינמיים שונים על ידי שינוי גודל הגיאומטריה או המיקום של רכיבים מסוימים6. לוקהיד SR-71 “שחרור” מופעל על ידי J58 turboramjet VCE החזיק את שיא העולם המהיר אוויר נשימה מאוישת מטוסים מאז 19767. זה גם הוכיח יתרונות פוטנציאליים רבים של טיסה קולית. בעבר 50 שנים, ג ‘ נרל אלקטריק השתפרה והמציא מספר VCEs אחרים, כולל עקיפה כפולה VCES8, יחס לחץ מבוקרת מנוע9 ו מנוע מחזור אדפטיבית10. מחקרים אלה מעורבים לא רק את המבנה הכללי ואימות ביצועים, אלא גם את מערכת הבקרה של המנוע11. מחקרים אלה הוכיחו כי vce יכול לעבוד כמו היחס מעקף גבוה סילוןאומניפהמנוע בטיסה כטב כמו טורבו יחס מעקף נמוך, אפילו כמו טורבו סילון בטיסה קולית. לפיכך, ה-VCE יכול להגשים ביצועים התואמים בתנאי טיסה שונים.
בעת פיתוח VCE, כמות גדולה של עבודות אימות הכרחי יבוצע. זה עשוי לעלות כמות גדולה של זמן והחוצה אם כל העבודות האלה מבוצעות באופן פיזי12. טכנולוגיית הדמיה של המחשב, אשר כבר אומצה בפיתוח מנוע חדש, לא יכול רק להפחית את העלות באופן משמעותי, אלא גם למנוע את הסיכונים הפוטנציאליים13,14. בהתבסס על טכנולוגיית הדמיה של המחשב, מחזור הפיתוח של מנוע יהיה מופחת כמעט לחצי, ואת מספר הציוד הנדרש יופחת באופן דרמטי15. מצד שני, סימולציה גם ממלאת תפקיד חשוב בניתוח התנהגות המנוע ושליטה בפיתוח החוק. להדמיית עיצוב סטטי ביצועים מחוץ לעיצוב של מנועי, תוכנית בשם GENENG16 פותחה על ידי מרכז המחקר של נאס א לואיס ב 1972. ואז מרכז המחקר פיתח dyngen17 נגזר geneng, ו dyngen יכול לדמות את הביצועים חולף של טורבו סילון ואת מנועי סילוןאומניפהמנוע. ב 1989, נאס א לשים את הפרויקט, שנקרא סימולציה מערכת ההנעה נומרית (NPSS), והוא עודד חוקרים לבנות תוכנית סימולציה של מנוע מודולרי וגמיש דרך השימוש בתכנות מונחה עצמים. ב1993, פיתח ג’ון ריד את מערכת הסימולציה של מנוע Turbofan (שטס) בהתבסס על פלטפורמת מערכת הדמיית יישומים (AVS) באמצעות תכנות מונחה עצמים18.
בינתיים, מידול מהיר המבוסס על סביבת תכנות גרפית משמש בהדרגה סימולציה. ארגז הכלים לדוגמנות וניתוח מערכות תרמודינמיים (T-מחצלות) שפותחה על ידי נאס א מבוססת על פלטפורמת Matlab/Simulink. זהו מקור פתוח ומאפשר למשתמשים להתאים אישית ספריות רכיבים מוכללות. T-מחצלות מציעה ממשק ידידותי למשתמשים והוא נוח לנתח ולעצב את הדגם המובנה JT9D19.
במאמר זה, המודל הדינאמי של סוג VCE פותחה כאן באמצעות תוכנת Simulink. אובייקט המידול של פרוטוקול זה הוא VCE עוקף כפול. הפריסה הסכמטית מוצגת באיור 1. המנוע יכול לעבוד הן יחיד וכפול מצבי מעקף. כאשר שסתום בחירת המצב (MSV) פתוח, המנגנון מבצע טוב יותר בתנאים תת-קוליים עם יחס מעקף גדול יחסית. כאשר שסתום בחירת מצב סגור, VCE יש יחס מעקף קטן הסתגלות משימה קולית טובה יותר. לקבלת ביצועים נוספים של המנגנון, מודל VCE מעקף כפול נבנה בהתבסס על שיטת המידול ברמת הרכיב.
Protocol
Representative Results
Discussion
בהתבסס על סביבת סימולציה גרפית, ניתן לבנות מודל ברמת רכיב VCE במהירות באמצעות ארכיטקטורה הירארכית מודולרית וטכנולוגיית מידול מוכוונת אובייקטים. הוא מציע ממשק ידידותי למשתמשים והוא נוח לנתח ולעצב את המודל19.
המגבלה העיקרית של שיטה זו היא יעילות הביצוע של המודל. מ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי קרנות המחקר הבסיסי של האוניברסיטאות המרכזיות, מספר מענק [לא. NS2018017].
Materials
| Gasturb | GasTurb GmbH | Gasturb 13 | |
| MATLAB | MathWorks | R2017b | |
| TMATS | NASA | 1.2.0 |
References
- 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).
