En hurtig metode til modellering af en variabel cyklus motor
Summary
Her præsenterer vi en protokol til at bygge en matematisk model på komponentniveau til en variabel cyklus motor.
Abstract
Den variable cyklus motorer (VCE), der kombinerer fordelene ved turbofan og turbojetmotorer, er almindeligt anset for at være den næste generation fly motorer. Udvikling af VCE kræver dog høje omkostninger. Således er det vigtigt at opbygge en matematisk model, når de udvikler en flymotor, som kan undgå et stort antal reelle tests og reducere omkostningerne dramatisk. Modellering er også afgørende i kontrol lovgivningen udvikling. I denne artikel, der er baseret på et grafisk simulerings miljø, beskrives en hurtig metode til modellering af en dobbelt bypass-variabel cyklus motor ved hjælp af objektorienteret modellerings teknologi og modulær hierarkisk arkitektur. For det første er den matematiske model af hver komponent bygget baseret på termodynamisk beregning. Derefter opbygges en hierarkisk motor model via kombinationen af hver komponents matematiske model og N-R Solver-modulet. Endelig udføres de statiske og dynamiske simuleringer i modellen, og simuleringsresultaterne beviser effektiviteten af modelleringsmetoden. Den VCE model bygget gennem denne metode har fordelene ved klar struktur og real-time observation.
Introduction
Moderne flykrav bringer store udfordringer til fremdriftssystemet, som har brug for mere intelligente, mere effektive eller endnu mere alsidige flymotorer1. Fremtidige militære fremdriftssystemer kræver også både højere tryk ved høj hastighed og lavere specifikt brændstofforbrug ved lav hastighed1,2,3,4. For at opfylde de tekniske krav til fremtidige flyve missioner fremlagde General Electric (GE) konceptet med variabel cyklus motor (VCE) i 19555. En VCE er en flymotor, der kan udføre forskellige termodynamiske cyklusser ved at ændre geometrien størrelse eller placering af nogle komponenter6. Den Lockheed SR-71 “Blackbird” drevet af en J58 turboramjet VCE har holdt verdensrekord for de hurtigste luft-åndedræts bemandede fly siden 19767. Det viste sig også mange potentielle fordele ved supersonisk flyvning. I de seneste 50 år, har GE forbedret og opfundet flere andre VCEs, herunder en dobbelt bypass VCE8, en kontrolleret tryk ratio motor9 og en adaptiv cyklus motor10. Disse undersøgelser omfattede ikke kun den generelle struktur og præstations verifikation, men også motorens kontrolsystem11. Disse undersøgelser har vist, at VCE kan fungere som en høj bypass ratio turbofan på subsoniske flyvning og som en lav bypass ratio turbofan, selv som en turbojet på supersonisk flyvning. Således kan VCE realisere præstations matchning under forskellige flyvebetingelser.
Ved udviklingen af en VCE vil der blive udført en stor mængde nødvendige verificerings arbejder. Det kan koste en stor mængde tid og udlæg, hvis alle disse værker udføres på en fysisk måde12. Computer simulation teknologi, som allerede er blevet vedtaget i udviklingen af en ny motor, kan ikke kun reducere omkostningerne i høj grad, men også undgå de potentielle risici13,14. Baseret på computersimulation teknologi, vil udviklingen cyklus af en motor blive reduceret til næsten halvdelen, og antallet af nødvendige udstyr vil blive reduceret dramatisk15. På den anden side, simulering spiller også en vigtig rolle i analysen af motorens adfærd og kontrol lovgivning udvikling. For at simulere det statiske design og off-design ydeevne af motorer, et program kaldet GENENG16 blev udviklet af NASA Lewis Research Center i 1972. Derefter udviklede forskningscenteret DYNGEN17 afledt af geneng, og dyngen kunne simulere en turbojet-og turbofan-motorers forbigående ydeevne. I 1989 fremlagde NASA et projekt, kaldet numerisk fremdrifts system simulering (NPSS), og det tilskyndede forskerne til at konstruere et modulært og fleksibelt motor simuleringsprogram ved hjælp af objektorienteret programmering. I 1993 udviklede John A. Reed turbofan Engine simulation system (TESS) baseret på platformen for applikations visualiserings system (AVS) gennem objektorienteret Programing18.
I mellemtiden, hurtig modellering baseret på grafisk programmering miljø bliver brugt gradvist i simulation. Værktøjskassen til modellering og analyse af Thermodynamic Systems (T-MATS) pakke udviklet af NASA er baseret på MATLAB/Simulink platform. Det er open source og giver brugerne mulighed for at tilpasse indbyggede komponent biblioteker. T-MATS tilbyder en venlig grænseflade til brugerne, og det er bekvemt at analysere og designe den indbyggede JT9D model19.
I denne artikel, den dynamiske model af en type af VCE er blevet udviklet her ved hjælp af Simulink software. Modellerings genstanden for denne protokol er en dobbelt bypass VCE. Dens skematiske layout er vist i figur 1. Motoren kan arbejde i både enkelt og dobbelt bypass modes. Når modus Select Valve (MSV) er åben, klarer motoren sig bedre ved subsoniske forhold med et relativt stort bypass-forhold. Når modus Select-ventilen er lukket, har VCE et lille bypass-forhold og en bedre supersonisk missions tilpasningsevne. For yderligere at kvantisere motorens ydeevne, en dobbelt bypass VCE model er bygget baseret på komponent-niveau modellering metode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Baseret på en grafisk simulation miljø, en VCE komponent-niveau model kan bygges hurtigt gennem modulære hierarkisk arkitektur og objekt-orienterede modellering teknologi. Det tilbyder en venlig grænseflade til brugerne, og det er bekvemt at analysere og designe model19.
Den vigtigste begrænsning af denne metode er udførelsen effektivitet af modellen. Da modellen er skrevet i scriptsprog, skal modellen kompileres igen, hver gang den køres. Således udførelsen ef…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev finansieret af de grundlæggende forskningsmidler til de centrale universiteter, Grant nummer [nej. 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).
