가변 사이클 엔진 모델링을 위한 신속한 방법
Summary
여기서는 가변 사이클 엔진에 대한 구성 요소 수준 수학적 모델을 빌드하는 프로토콜을 제시합니다.
Abstract
터보팬과 터보제트 엔진의 장점을 결합한 가변 사이클 엔진(VCE)은 차세대 항공기 엔진으로 널리 간주됩니다. 그러나 VCE를 개발하려면 높은 비용이 필요합니다. 따라서 항공기 엔진을 개발할 때 많은 수의 실제 테스트를 피하고 비용을 크게 줄일 수 있는 수학적 모델을 구축하는 것이 필수적입니다. 모델링은 또한 제어 법 개발에 매우 중요합니다. 이 문서에서는 그래픽 시뮬레이션 환경을 기반으로 개체 지향 모델링 기술과 모듈식 계층 구조를 사용하여 이중 바이패스 가변 사이클 엔진을 모델링하는 신속한 방법을 설명합니다. 첫째, 각 구성 요소의 수학적 모델은 열역학 계산을 기반으로 구축됩니다. 그런 다음 계층적 엔진 모델은 각 구성 요소 수학적 모델과 N-R 솔버 모듈의 조합을 통해 구축됩니다. 마지막으로 정적 및 동적 시뮬레이션이 모델에서 수행되고 시뮬레이션 결과가 모델링 방법의 효과를 증명합니다. 이 방법을 통해 구축된 VCE 모델은 명확한 구조와 실시간 관찰의 장점이 있습니다.
Introduction
현대 항공기 요구는 더 지능적이고 효율적이며 더 다양한 항공기 엔진 1을필요로하는 추진 시스템에 큰 도전을 가져온다. 미래의 군사 추진 시스템은 또한 고속에서 높은 추력과 저속 1, 2,3,4에서낮은 특정 연료 소비를 모두 필요로한다. 제너럴 일렉트릭(GE)은 향후 비행 임무의 기술적 요구 사항을 충족하기 위해 1955년 5월에가변 사이클 엔진(VCE) 개념을 제시했습니다. VCE는 일부 부품의 형상 크기 또는 위치를 변경하여 다양한 열역학 사이클을 수행할 수 있는 항공기 엔진6. J58 터보램제트 VCE로 구동되는 록히드 SR-71 “블랙버드”는 1976년 7년 이래 가장빠른 공중 호흡 유인 항공기로 세계 기록을 보유하고 있습니다. 또한 초음속 비행의 많은 잠재적 인 장점을 입증했다. 지난 50년 동안 GE는 이중 바이패스 VCE 8, 제어 압력비 엔진9 및 적응 형 사이클 엔진10을포함한 여러 가지 다른 VGE를 개선하고 발명했습니다. 이러한 연구는 일반적인 구조 및 성능 검증뿐만 아니라엔진(11)의제어 시스템도 포함했다. 이러한 연구는 VCE가 아음속 비행에서 높은 바이 패스 비율 터보 팬처럼 작동할 수 있으며 초음속 비행의 터보제트처럼 낮은 바이패스 비율 터보팬처럼 작동할 수 있음을 입증했습니다. 따라서 VCE는 다양한 비행 조건에서 성능 일치를 실현할 수 있습니다.
VCE를 개발할 때 많은 양의 필요한 검증 작업을 수행합니다. 이러한 모든 작품이 물리적 인 방법으로 수행되는 경우 많은 시간과 지출이 소요 될 수 있습니다12. 이미 새로운 엔진 개발에 채택 된 컴퓨터 시뮬레이션 기술은 비용을 크게 줄일 뿐만 아니라 잠재적 인 위험을 피할 수 있습니다13,14. 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 기반으로 엔진의 개발 주기가 거의 절반으로 줄어들고 필요한 장비 수가15개로 크게 줄어듭니다. 한편, 시뮬레이션은 엔진 동작 분석 및 제어 법 개발에도 중요한 역할을 합니다. 엔진의 정적 설계 와 오프 디자인 성능을 시뮬레이션하기 위해 GENENG16이라는 프로그램은 1972년 NASA 루이스 연구 센터에서 개발되었습니다. 그런 다음 연구 센터는 GENENG에서 파생 된 DYNGEN17을 개발했으며 DYNGEN은 터보 젯과 터보 팬 엔진의 일시적인 성능을 시뮬레이션 할 수 있었습니다. 1989년 NASA는 NPSS(수치 추진 시스템 시뮬레이션)라는 프로젝트를 내놓았고, 연구원들에게 객체 지향 프로그래밍을 사용하여 모듈식의 유연한 엔진 시뮬레이션 프로그램을 구축하도록 장려했습니다. 1993년 John A. Reed는 객체 지향 프로그래밍18을통해 애플리케이션 시각화 시스템(AVS) 플랫폼을 기반으로 터보팬 엔진 시뮬레이션 시스템(TESS)을 개발했습니다.
한편, 그래픽 프로그래밍 환경을 기반으로 한 신속한 모델링이 시뮬레이션에서 점진적으로 사용되고 있습니다. NASA가 개발한 열역학 시스템(T-MATS) 패키지의 모델링 및 분석을 위한 툴박스는 Matlab/Simulink 플랫폼을 기반으로 합니다. 오픈 소스이며 사용자가 기본 제공 구성 요소 라이브러리를 사용자 지정할 수 있습니다. T-MATS는 사용자에게 친숙한 인터페이스를 제공하며 내장 JT9D 모델19를분석하고 설계하는 것이 편리합니다.
이 문서에서는 Simulink 소프트웨어를 사용하여 VCE 유형의 동적 모델을 개발했습니다. 이 프로토콜의 모델링 개체는 이중 바이패스 VCE입니다. 도식 레이아웃은 그림 1에나와 있습니다. 엔진은 단일 및 이중 바이패스 모드모두에서 작동할 수 있습니다. 모드 선택 밸브(MSV)가 열려 있으면 엔진은 상대적으로 바이패스 비율이 큰 아음속 조건에서 더 잘 작동합니다. 모드 선택 밸브가 닫히면 VCE는 바이패스 비율이 작고 초음속 미션 적응성이 향상됩니다. 엔진의 성능을 더욱 발전시키기 위해 구성 요소 수준 모델링 방법을 기반으로 이중 바이패스 VCE 모델이 구축됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
그래픽 시뮬레이션 환경을 기반으로 모듈식 계층 구조 및 객체 지향 모델링 기술을 통해 VCE 구성 요소 수준 모델을 신속하게 구축할 수 있습니다. 그것은 사용자에게 친숙한 인터페이스를 제공하고 모델19를분석하고 설계하는 것이 편리합니다.
이 방법의 주요 제한 사항은 모델의 실행 효율성입니다. 모델은 스크립팅 언어로 작성되므로 모델이 실행될 때마?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 중앙 대학에 대한 기본 연구 기금에 의해 투자되었다, 보조금 번호 [아니. NS2018017].
Materials
| Gasturb | GasTurb GmbH | Gasturb 13 | |
| MATLAB | MathWorks | R2017b | |
| TMATS | NASA | 1.2.0 |
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