Değişken Çevrim Motoru Modellemek için Hızlı Bir Yöntem
Summary
Burada, değişken bir çevrim motoru için bileşen düzeyinde matematiksel bir model oluşturmak için bir protokol salıyoruz.
Abstract
Turbofan ve turbojet motorların avantajlarını birleştiren değişken çevrim li motorlar (VCE) yaygın olarak yeni nesil uçak motorları olarak kabul edilir. Ancak, VCE’nin geliştirilmesi yüksek maliyetler gerektirir. Bu nedenle, gerçek testlerin çok sayıda önlemek ve önemli ölçüde maliyeti azaltabilir bir uçak motoru geliştirirken matematiksel bir model oluşturmak esastır. Modelleme de kontrol hukuk gelişiminde çok önemlidir. Bu makalede, grafik simülasyon ortamına dayalı, nesne yönelimli modelleme teknolojisi ve modüler hiyerarşik mimari kullanarak çift baypas değişken çevrim motoru modellemek için hızlı bir yöntem açıklanmıştır. İlk olarak, her bileşenin matematiksel modeli termodinamik hesaplamaya dayalı olarak oluşturulur. Daha sonra, hiyerarşik bir motor modeli her bileşen matematiksel model ve N-R çözücü modülü kombinasyonu ile oluşturulur. Son olarak, statik ve dinamik simülasyonlar model de gerçekleştirilir ve simülasyon sonuçları modelleme yönteminin etkinliğini kanıtlamak. Bu yöntemle üretilen VCE modeli, net yapı ve gerçek zamanlı gözlem avantajlarına sahiptir.
Introduction
Modern uçak talepleri, daha akıllı, daha verimli ve daha çok yönlü uçakmotorları 1’e ihtiyaç duyan itici güç sistemine büyük zorluklar getiriyor. Gelecekteki askeri tahrik sistemleri de düşük hızda yüksek hızda yüksek itme ve düşük hızda düşük özel yakıt tüketimi hem gerektirir1,2,3,4. General Electric (GE) gelecekteki uçuş görevlerinin teknik gereksinimlerini karşılamak için 19555yılında değişken çevrim motoru (VCE) konseptini ortaya koymuştur. VCE, bazı bileşenlerin geometri boyutunu veya konumunu değiştirerek farklı termodinamikdöngüler gerçekleştirebilen bir uçak motorudur 6. Lockheed SR-71 “Blackbird” J58 turboramjet VCE tarafından desteklenmektedir 19767yılından bu yana en hızlı hava solu insanlı uçak için dünya rekoru düzenledi. Ayrıca süpersonik uçuş birçok potansiyel avantajları kanıtladı. Son 50 yıl içinde, GE geliştirdi ve bir çift bypass VCE8de dahil olmak üzere birçok diğer VCEs icat, kontrollü basınç oranı motoru9 ve adaptif çevrim motoru10. Bu çalışmalar sadece genel yapı ve performans doğrulama değil, aynı zamanda motor11kontrol sistemi dahil. Bu çalışmalar VCE ses altı uçuşta yüksek baypas oranı turbofan gibi ve düşük baypas oranı turbofan gibi çalışabilir kanıtlamıştır, süpersonik uçuş ta bir turbojet gibi bile. Böylece, VCE farklı uçuş koşullarında performans eşleştirme gerçekleştirebilirsiniz.
VCE geliştirirken, büyük miktarda gerekli doğrulama çalışmaları gerçekleştirilecektir. Tüm bu çalışmalar fiziksel bir şekilde 12 gerçekleştirilirse zamanve dış para büyük miktarda mal olabilir. Zaten yeni bir motor geliştirme de kabul edilmiştir Bilgisayar simülasyon teknolojisi, sadece büyük ölçüde maliyeti azaltmak değil, aynı zamanda potansiyel riskleri önlemekdeğil 13,14. Bilgisayar simülasyon teknolojisine dayanarak, bir motorun geliştirme döngüsü neredeyse yarıya indirilecek ve gerekli ekipman sayısı önemli ölçüde azalacaktır15. Öte yandan, simülasyon da motor davranış ve kontrol hukuk geliştirme analizinde önemli bir rol oynar. Motorların statik tasarımını ve tasarım dışı performansını simüle etmek için 1972 yılında NASA Lewis Araştırma Merkezi tarafından GENENG16 adında bir program geliştirilmiştir. Daha sonra araştırma merkezi GENENG’den elde edilen DYNGEN 17’yi geliştirdi ve DYNGEN bir turbojet ve turbofan motorlarının geçici performansını simüle etti. 1989’da NASA, Sayısal Tahrik Sistemi Simülasyonu (NPSS) adında bir proje ortaya koydu ve araştırmacıları nesne yönelimli programlama yoluyla modüler ve esnek bir motor simülasyon programı oluşturmaya teşvik etti. 1993 yılında, John A. Reed Turbofan Motor Simülasyon Sistemi (TESS) Uygulama Görselleştirme Sistemi (AVS)platformu nesne yönelimli programlama 18 dayalı geliştirdi.
Bu arada, grafik programlama ortamına dayalı hızlı modelleme simülasyonda kademeli olarak kullanılmaktadır. NASA tarafından geliştirilen Termodinamik Sistemlerin Modelleme ve Analizi (T-MATS) paketi için Araç Kutusu Matlab/Simulink platformuna dayanmaktadır. Açık kaynak kodludur ve kullanıcıların yerleşik bileşen kitaplıklarını özelleştirmesine olanak tanır. T-MATS kullanıcılara dostça bir arayüz sunuyor ve analiz etmek ve dahili JT9D modeli19tasarımı uygundur.
Bu makalede, VCE türünün dinamik modeli burada Simulink yazılımı kullanılarak geliştirilmiştir. Bu protokolün modelleme nesnesi çift atlamalı VCE’dir. Şematik düzeni Şekil1’de gösterilmiştir. Motor hem tek hem de çift baypas modlarında çalışabilir. Mode Select Valf (MSV) açık olduğunda, motor nispeten büyük bir bypass oranı ile ses altı koşullarında daha iyi performans gösterir. Mode Select Valf kapatıldığında, VCE küçük bir baypas oranına ve daha iyi bir süpersonik görev adaptasyonuna sahiptir. Motorun performansını daha fazla ölçmek için, bileşen düzeyinde modelleme yöntemine dayalı bir çift baypas VCE modeli oluşturulur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir grafik simülasyon ortamına dayanarak, bir VCE bileşen düzeyinde model modüler hiyerarşik mimari ve nesne yönelimli modelleme teknolojisi ile hızla oluşturulabilir. Bu kullanıcılara dostça bir arayüz sunuyor ve analiz etmek ve model tasarımı uygundur19.
Bu yöntemin temel sınırlama modelinin yürütme verimliliğidir. Model komut dosyası dilinde yazıldığından, modelin her çalıştığında yeniden derlemesi gerekir. Bu nedenle, yürütme veriml…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Merkez Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları tarafından finanse edilmiştir, hibe numarası [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).
