En rask metode for modellering en variabel syklus motor
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å bygge en komponent-nivå matematisk modell for en variabel syklus motor.
Abstract
De variable syklus motorene (VCE) som kombinerer fordelene med turbofan og Turbojet motorer, er i stor grad ansett for å være neste generasjons flymotorer. Imidlertid krever utvikling av VCE høye kostnader. Dermed er det viktig å bygge en matematisk modell når du utvikler en flymotor, som kan unngå et stort antall virkelige tester og redusere kostnadene dramatisk. Modellering er også avgjørende i kontroll lov utvikling. I denne artikkelen, basert på et grafisk simulerings miljø, er det beskrevet en rask metode for modellering av en dobbel bypass variabel syklus motor ved hjelp av objektorientert modellerings teknologi og modulær hierarkisk arkitektur. For det første er den matematiske modellen av hver komponent bygget basert på termodynamisk beregningen. Deretter bygges en hierarkisk motor modell via kombinasjonen av hver komponent matematisk modell og den N-R Problemløser modulen. Til slutt, den statiske og dynamiske simuleringer utføres i modellen og simuleringen resultatene bevise effektiviteten av modellering metoden. VCE modell bygget gjennom denne metoden har fordelene av klar struktur og sann tids observasjon.
Introduction
Moderne fly krav bringer store utfordringer til fremdriftssystemet, som trenger mer intelligente, mer effektive eller enda mer allsidige flymotorer1. Fremtidige militære fremdriftssystemer krever også både høyere thrust ved høy hastighet og lavere bestemt drivstofforbruk ved lav hastighet1,2,3,4. For å møte de tekniske kravene i fremtidige flyoppdrag, la General Electric (GE) frem det variable syklus motor (VCE) konseptet i 19555. En VCE er en flymotor som kan utføre ulike termodynamisk sykluser ved å endre geometrien størrelse eller plassering av noen komponenter6. Lockheed SR-71 “Blackbird” drevet av en J58 turboramjet VCE har holdt verdensrekorden for den raskeste luften puster bemannet fly siden 19767. Det viste seg også mange potensielle fordeler av overlyds flytur. I de siste 50 år, har GE forbedret og oppfunnet flere andre VCEs, inkludert en dobbel bypass VCE8, et kontrollert trykkforhold motor9 og en adaptiv syklus motor10. Disse studiene involverte ikke bare den generelle struktur og ytelse verifisering, men også kontrollsystem av motoren11. Disse studiene har bevist at VCE kan fungere som en høy bypass ratio turbofan på Subsonic fly og som en lav bypass ratio turbofan, selv som en Turbojet på overlyds flytur. Dermed kan VCE realisere ytelses Matching under ulike fly forhold.
Når du utvikler en VCE, vil det bli utført en stor mengde nødvendige verifiserings arbeider. Det kan koste mye tid og utlegg hvis alle disse verkene utføres på en fysisk måte12. Computer simulering teknologi, som allerede er vedtatt i utviklingen av en ny motor, kan ikke bare redusere kostnadene sterkt, men også unngå den potensielle risikoen13,14. Basert på datasimulering teknologi, vil utviklingen syklus av en motor bli redusert til nesten halvparten, og antall utstyr som kreves vil bli redusert dramatisk15. På den annen side, spiller simulering også en viktig rolle i analysen av motoren atferd og kontroll jus utvikling. For å simulere den statiske design og off-design ytelse av motorer, et program som heter GENENG16 ble utviklet av NASA Lewis Research Center i 1972. Da forskningen senteret utviklet DYNGEN17 AVLEDET fra GENENG, og DYNGEN kunne simulere forbigående ytelsen til en Turbojet og turbofan motorer. I 1989, NASA lagt frem et prosjekt, kalt numerisk Fremdrifts system simulering (NPSS), og det oppmuntret forskere til å konstruere en modulær og fleksibel motor simulering program gjennom bruk av objektorientert programmering. I 1993 utviklet John A. Reed turbofan Engine simulering system (TESS) basert på plattformen Application visualiserings system (AVS) gjennom objektorientert programmering18.
I mellomtiden er rask modellering basert på grafisk programmering miljø brukes gradvis i simulering. The Toolbox for modellering og analyse av termodynamisk Systems (T-MATS) pakke utviklet av NASA er basert på MATLAB/Simulink plattform. Det er en åpen kilde og innrømmer brukernes å tilpasse bygget-inne komponenten biblioteker. T-MATS tilbyr et brukervennlig grensesnitt til brukerne, og det er praktisk å analysere og designe den innebygde JT9D-modellen19.
I denne artikkelen har den dynamiske modellen av en type VCE blitt utviklet her ved hjelp av Simulink programvare. Modell objektet for denne protokollen er en dobbel bypass VCE. Dens skjematisk layout er vist i figur 1. Motoren kan fungere i både enkle og doble bypass-moduser. Når Mode SELECT Valve (MSV) er åpen, gir motoren bedre ytelse ved Subsonic forhold med et relativt stort bypass-forhold. Når Mode SELECT Valve er stengt, har VCE en liten bypass-ratio og en bedre overlyds misjon tilpasningsdyktighet. For ytterligere å quantize ytelsen til motoren, er en dobbel bypass VCE modell bygget basert på komponentnivå modellering metode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Basert på et grafisk simulerings miljø kan en VCE komponentnivå modell bygges raskt gjennom modulær hierarkisk arkitektur og objektorientert modellerings teknologi. Den tilbyder en vennlig grenseflate å brukernes og det er en bekvem å analysere og tegning modellen19.
Den viktigste begrensningen av denne metoden er utførelsen effektiviteten av modellen. Fordi modellen er skrevet i skriptspråk, må modellen kompileres på igjen hver gang den kjøres. Dermed er utf…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble finansiert av de fundamentale forskningsmidler for de sentrale universitetene, gi nummer [Nei. 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).
