可变循环引擎建模的快速方法

Summary

在这里,我们提出一个协议,为可变循环引擎构建组件级数学模型。

Abstract

结合涡轮风扇和涡轮喷气发动机优势的可变循环发动机 (VCE) 被广泛认为是下一代飞机发动机。但是,开发 VCE 需要很高的成本。因此,在开发飞机发动机时,必须建立一个数学模型,这样可以避免大量的实际测试,并大大降低成本。建模在控制法发展中也至关重要。本文基于图形仿真环境,介绍了一种利用面向对象建模技术和模块化分层架构对双旁路可变周期引擎进行建模的快速方法。首先,在热力学计算的基础上建立了各分量的数学模型。然后,通过每个分量数学模型和 N-R 求解器模块的组合构建分层引擎模型。最后,在模型中进行了静态和动态仿真,仿真结果证明了建模方法的有效性。该方法构建的VCE模型具有结构清晰、实时观测等优点。

Introduction

现代飞机需求给推进系统带来了巨大的挑战,推进系统需要更智能、更高效、甚至更通用的飞机^发动机。未来的军事推进系统还需要高速推力更高,在低速1、2、3、4时降低特定油耗。为了满足未来飞行任务的技术要求,通用电气(GE)于1955^年提出了变循环发动机(VCE)概念。VCE是一种飞机发动机,可以通过改变某些部件的几何尺寸或位置^来执行不同的热力学循环。洛克希德SR-71"黑鸟"由J58涡轮喷气式VCE提供动力,自1976年7月以来一直保持最快的空中呼吸载人飞机的世界纪录。这也证明了超音速飞行的许多潜在优势。在过去的50年里,GE改进并发明了其他几款VcE,包括双旁路VCE^8、控制压力比发动机9和自适应循环发动机10。这些研究不仅涉及一般结构和性能验证,还涉及^发动机11的控制系统。这些研究已经证明,VCE在亚音速....

Protocol

1. 建模前的准备

1. 获得设计点性能。
   1. 打开加斯图尔布 13.选择可变循环引擎。
   2. 点击基本热力学。选择循环设计。打开演示VarCyc.CVC.
   3. 获得发动机设计点性能。这些显示在窗口的右侧。
2. 获取组件映射。
   1. 打开加斯图尔布 13.选择可变循环引擎。
   2. 单击"关闭设计"。选择标准地图。打开演示VarCyc.CVC.
   3. 单击"关闭设计点"。然后选择LPC,IPC,HPC,HPT和LPT; 因此,获取所有组件映射。

2. 对 VCE^20、21

Results

为了证明仿真模型的有效性,将静态仿真和动态仿真中选择的几个典型性能参数与Gasturb中的数据进行了比较。

在静态仿真中,我们将模型的几个关键性能参数与 Gasturb 中的这些参数进行比较,以验证静态模型的准确性。表 2显示了在双旁路操作模式下与 H=0 m、M_a=0、W_f=0.79334 kg/s 的设计点进行比较的结果。根据比较,模型和 Gasturb 之间的性能参数的最大误差是 EPR(发动机压力比),低于 2%。表 3显示了在单个旁路操作模式下与 H=0 m、M_a=0、W_f=0.91032 kg/s 的离设计点进行比较的结果。在这种情况下,这里最大的误差是低压轴的转速,略低于4%。两种型号的性能参数几乎相同。因此,两个比较结果证明模型是准确的,并且协议在设计点上是有效的。

在动态仿真中,为了验证过渡状态模型的正确性,我们模拟了两个典型的动态过程,包括加速/减速模拟.......

Discussion

基于图形模拟环境,通过模块化分层架构和面向对象建模技术,可以快速构建 VCE 组件级模型。它为用户提供了一个友好的界面,它便于分析和设计^模型19。

该方法的主要局限性是模型的执行效率。由于模型是用脚本语言编写的,因此每次运行时都需要重新编译模型。因此,执行效率不如系统语言。鉴于这一局限性,下一个关键的研究点是如何提高模型的执行效率。另一个限制是,N-R 迭代的初始值应在模型中严格考虑,因为 N-R 迭代仅在小范围偏差中收敛。

协议中的一个关键步骤是如何准确获取组件映射并使用适当的算法进行插值。无论是在 Gasturb 还是其他现有的发动机测试数据中,精确的组件映射都有助于更准确地构建模型。

在航空发动机的图形面向对象建模中,无论是整个发动机模型对象、组件模型对象还是每个组件的参数模型对象,都作为独立且可包含的模块构建。所有组件模块之间的连接构成了模型框架的主要部分。每个组件模块的内部模型设计都是为了一般性,突出了组件模型易于.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gasturb	GasTurb GmbH	Gasturb 13
MATLAB	MathWorks	R2017b
TMATS	NASA	1.2.0