En snabb metod för modellering av en variabel cykel motor
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att bygga en matematisk modell på komponentnivå för en variabel cykel motor.
Abstract
De variabla cykel motorerna (VCE) som kombinerar fördelarna med Turbofläkt och turbojetmotorer anses allmänt vara nästa generations flygplansmotorer. Att utveckla VCE kräver dock höga kostnader. Därför är det viktigt att bygga en matematisk modell när man utvecklar en flygplansmotor, som kan undvika ett stort antal verkliga tester och minska kostnaderna dramatiskt. Modellering är också avgörande för kontroll lag utveckling. I den här artikeln, baserat på en grafisk simuleringsmiljö, beskrivs en snabb metod för modellering av en dubbel bypass variabel cykel motor med objektorienterad modelleringsteknik och modulär hierarkisk arkitektur. För det första byggs den matematiska modellen av varje komponent utifrån den termodynamiska beräkningen. Sedan skapas en hierarkisk motor modell via kombinationen av varje komponent matematisk modell och N-R problemlösarmodulen. Slutligen utförs de statiska och dynamiska simuleringarna i modellen och simuleringsresultaten visar hur effektiv modelleringsmetoden är. VCE-modellen som byggts genom denna metod har fördelarna med tydlig struktur och realtids observation.
Introduction
Moderna flygplans krav medför stora utmaningar för framdrivningssystemet, som behöver intelligentare, effektivare eller ännu mångsidigare flygplansmotorer1. Framtida militära framdrivningssystem kräver också både högre dragkraft vid hög hastighet och lägre specifik bränsleförbrukning vid låg hastighet1,2,3,4. För att uppfylla de tekniska kraven för framtida flyguppdrag lade General Electric (GE) fram konceptet för variabel cykel motor (VCE) i 19555. En VCE är en flygplansmotor som kan utföra olika termodynamiska cykler genom att ändra geometri storleken eller placeringen av vissa komponenter6. Den Lockheed SR-71 “Blackbird” drivs av en J58 turboramjet VCE har hållit världsrekordet för de snabbaste luft-andning bemannade flygplan sedan 19767. Det visade sig också många potentiella fördelar med Supersonic flygning. Under de senaste 50 åren har GE förbättrat och uppfunnit flera andra VCEs, inklusive en dubbel bypass VCE8, en kontrollerad tryckförhållande motor9 och en adaptiv cykel motor10. Dessa studier involverade inte endast den allmänna strukturera och funktionskontrollen, men också kontrollerasystemet av motorn11. Dessa studier har visat att VCE kan fungera som ett högt bypass-förhållande Turbofläkt vid under ljuds flygning och som en låg bypass-förhållande Turbofläkt, även som en turbojetmotor på Supersonic flygning. Därför kan VCE realisera prestanda matchning under olika flygförhållanden.
Vid utvecklingen av en VCE kommer en stor mängd nödvändiga kontrollarbeten att utföras. Det kan kosta en stor mängd tid och utlägg om alla dessa verk utförs på ett fysiskt sätt12. Dator simuleringsteknik, som redan har antagits för att utveckla en ny motor, kan inte bara minska kostnaderna kraftigt, men också undvika de potentiella riskerna13,14. Baserat på dator simuleringsteknik kommer utvecklingscykeln för en motor att reduceras till nästan hälften, och antalet utrustning som krävs kommer att sänkas dramatiskt15. Å andra sidan, simulering spelar också en viktig roll i analysen av motorns beteende och kontroll lag utveckling. För simulering av statisk design och off-design prestandamotorer, ett program som heter GENENG16 utvecklades av NASA Lewis Research Center i 1972. Sedan utvecklade forskningscentret DYNGEN17 härledd från geneng, och dyngen kunde simulera den transienta prestandan hos en turbojetmotor och turbofläktmotorerna. I 1989, NASA lagt fram ett projekt, som kallas numerisk framdrivnings system simulering (NPSS), och det uppmuntrade forskare att konstruera ett modulärt och flexibelt motor simuleringsprogram med hjälp av objektorienterad programmering. År 1993 utvecklade John A. Reed Turbo fläkt motorns simuleringssystem (TESS) baserat på plattformen för applikations visualiseringssystem (AVS) genom objektorienterad programmering18.
Samtidigt används snabb modellering baserad på grafisk programmeringsmiljö gradvis i simuleringen. Verktygslådan för modellering och analys av termodynamiska system (T-MATS) paket som utvecklats av NASA är baserad på MATLAB/Simulink plattform. Det är öppen källkod och tillåter användare att anpassa inbyggda komponent bibliotek. T-MATS erbjuder ett användarvänligt gränssnitt till användarna och det är bekvämt att analysera och designa den inbyggda JT9D Model19.
I den här artikeln har den dynamiska modellen för en typ av VCE utvecklats här med Simulink-programvaran. Modelleringsobjektet för det här protokollet är en dubbel bypass VCE. Dess schematiska layout visas i figur 1. Motorn kan arbeta i både enkla och dubbla bypass-lägen. När läges Select-ventilen (MSV) är öppen presterar motorn bättre vid under ljuds förhållanden med relativt stort förbikopplingsförhållande. När läget Select-ventilen är stängd har VCE ett litet förbikopplingsförhållande och en bättre anpassningsförmåga för Supersonic mission. För att ytterligare kvantisera motorns prestanda byggs en dubbel bypass VCE-modell utifrån modelleringsmetoden på komponentnivå.
Protocol
Representative Results
Discussion
Baserat på en grafisk simuleringsmiljö kan en VCE-komponentnivåmodell byggas snabbt genom modulär hierarkisk arkitektur och objektorienterad modelleringsteknik. Det erbjuder ett användarvänligt gränssnitt till användarna och det är bekvämt att analysera och designa modellen19.
Den viktigaste begränsningen av denna metod är utförandet effektiviteten av modellen. Eftersom modellen är skriven på skriptspråk måste modellen kompileras om varje gång den kör…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning finansierades av de grundläggande forskningsfonderna för de centrala universiteten, Grant Number [No. 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).
