Name: Eine schnelle Methode zur Modellierung eines Variablenzyklusmotors (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 4 min 58 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie mit GasTurb13 und Simulink schnell ein mathematisches Modell für einen Variablenzyklusmotor erstellen. Diese Methode reduziert Programmieraufwand und nutzt vorhandene Triebwerksdaten effizient.

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Diese Forschung wurde aus den Fundamental Research Funds for the Central Universities, Grant Number [Nr. NS2018017].

1. Vorbereitung vor der Modellierung
<ol><li>Abrufen der Entwurfspunktleistung.<ol>
<li>Geöffnet Gasturb 13. Wählen Sie Variable Cycle Engine.</li>
		<li>Klicken Sie auf Basic Thermodynamics. Wählen Sie Cycle Design. Öffnen Sie DemoVarCyc.CVC.</li>
		<li>Rufen Sie die Leistung des Motorentwurfspunktes ab. Diese werden auf der rechten Seite des Fensters angezeigt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Abrufen von Komponentenzuordnungen.<ol>
<li>Geöffnet Gasturb 13. Wählen Sie Variable Cycle Engine.</li>
		<li>Klicken Sie auf Off Design. Wählen Sie Standardkarten. Öffnen Sie DemoVarCyc.CVC.</li>
		<li>Klicken Sie auf Off Design Point. Wählen Sie dann LPC, IPC, HPC, HPT und LPT; Somit werden alle Komponentenkarten abgerufen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Modellieren Sie jede Komponente des VCE20,21,22
<ol><li>Modellieren Sie eine einzelne Komponente eines VCE. Nehmen Sie den Hochdruckkompressor als Beispiel.<ol>
<li>Öffnen Sie Matlab. Klicken Sie auf Simulink. Doppelklicken Sie auf Leeres Modell.</li>
		<li>Klicken Sie auf Bibliothek, und platzieren Sie die Funktion zum Modellieren.</li>
		<li>Doppelklicken Sie auf Funktion. Nach dem Arbeitsprinzip des Kompressors wird die thermodynamische Gleichung des Kompressors beschrieben. Beschreiben Sie dann die Gleichung mit der MATLAB-Funktion.</li>
		<li>Nach Abschluss der MATLAB-Funktionerhalten Sie den Eingang und Ausgang des Kompressors.</li>
		<li>Verwenden Sie Subsystem, um das Modul zu maskieren. Benennen Sie es dann in "Kompressor" um. Bisher wurde ein Subsystemmodul namens "Kompressor" eingerichtet.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Verwenden Sie die gleichen Schritte, um die Subsysteme aller Komponenten wie Einlass, Lüfter, Kanal, Kern-Lüfterstufe (CDFS), Bypass-Mischer, Kompressor, Brenner, Hochdruckturbine, Niederdruckturbine, Mischer, Nachbrenner und Düse zu erhalten.<ol>
<li>Kombinieren Sie die Ausgabe jeder Komponente mit der Eingabe der nächsten Komponente.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Lösung des gesamten Modells
<ol><li>Erstellen Sie dynamische Co-Working-Gleichungen des gesamten Modells.<ol>
<li>Erstellen Sie dynamische Co-Working-Gleichungen. Erstellen Sie die folgenden 6 unabhängigen Co-Working-Gleichungen.</li>
		<li>Bestimmen Sie die Fließbalancegleichung für Ein- und Auslass des Brenners:<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ01.jpg"> W a3: Kompressor-Ausgangsabschnitt Luftstrom, Wf: Brenner-Brennstoffstrom, Wg44: Hochdruckturbinen-Einlassgasstrom.</li>
		<li>Bestimmen Sie die Fließbalancegleichung für Ein- und Auslass von Niederdruckturbinen:<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ02.jpg"> W g44: Niederdruckturbinen-Einlassabschnitt Gasstrom, Wg5: Niederdruckturbinenaustrittsgasstrom.</li>
		<li>Bestimmen Sie die Fließbalancegleichung für Ein- und Auslass der Düse:<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ03.jpg"> W g7: Düseneinlassgasstrom, Wg9: Düsenaustrittsgasstrom.</li>
		<li>Bestimmen Sie die statische Druckbalancegleichung für den Einlass des hinteren Mischers:<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ04.jpg"> P s163: statischer Druck des äußeren Bypass-Ausgangs, Ps63: statischer Druck des inneren Bypassauslasses.</li>
		<li>Bestimmen Sie die Fließbalancegleichung von Lüfterein- und -auslass:<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ05.jpg"> W a2: Lüftereinlassluftstrom, Wa21: CDFS Einlassluftstrom, Wa13: Sub-Outer Bypass Einlassluftstrom</li>
		<li>Bestimmen Sie die Fließbalancegleichung des CDFS-Ausgangs:<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ06.jpg"> W a21: CDFS Einlassluftstrom, Wa125: CDFS Bypass Einlassluftstrom, Wein25: Kompressor Einlassluftstrom.</li>
		<li>Die oben genannten 6 unabhängigen Gleichungen bilden die folgenden Gleichungen. <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ07v2.jpg">
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Verwenden Sie den N-R-Iterationslöser in TMATS, um die oben genannten Gleichungen zu lösen.<ol>
<li>Bevor Sie den Solver verwenden, um die Co-Working-Gleichungen zu lösen, legen Sie den N-R-Iterationslöser fest. Wählen Sie entsprechend dem Modellierungsprozess die folgenden 6 ersten Vermutungen aus: Komponentenkarten-Hilfslinie von Lüfter, CDFS, Hochdruckkompressor, Hochdruckturbine und Niederdruckturbine 3, 4, 5,sub-äußere Bypass-Einlassfluss.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Bin, L., Min, C., Zhili, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Steady+Performance+Investigation+on+Various+Modes+of+an+Adaptive+Cycle+Aero-Engine+%5BJ%5D%5BTitle%5D)+AND+%22Propulsion+Technology%22%5BJournal%5D)">Steady Performance Investigation on Various Modes of an Adaptive Cycle Aero-Engine [J].</a> Propulsion Technology. 34 (8), 1009-1015 (2013).</li>
<li>Junchao, Z., Min, C., Hailong, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Matching+mechanism+analysis+on+an+adaptive+cycle+engine%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Matching mechanism analysis on an adaptive cycle engine.</a> Chinese Journal of Aeronautics. (2), 22(2017).</li>
<li>Lyu, Y., Tang, H., Chen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+study+on+combined+variable+geometries+regulation+of+adaptive+cycle+engine+during+throttling%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Sciences%22%5BJournal%5D)">A study on combined variable geometries regulation of adaptive cycle engine during throttling.</a> Applied Sciences. 6 (12), 374(2016).</li>
<li>Ruffles, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aero+engines+of+the+future%5BTitle%5D)+AND+%22Aeronautical+Journal%22%5BJournal%5D)">Aero engines of the future.</a> Aeronautical Journal. 107 (1072), 307-321 (2003).</li>
<li>Johnson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Variable+cycle+engine+developments+at+General+Electric+1955-1995%5BTitle%5D)+AND+%22Developments+In+High-Speed+Vehicle+Propulsion+Systems%22%5BJournal%5D)">Variable cycle engine developments at General Electric 1955-1995.</a> Developments In High-Speed Vehicle Propulsion Systems. , 105-158 (1995).</li>
<li>NASA VCE test bed engine aerodynamic performance characteristics and test results. French, M., Allen, C. The 17th Joint Propulsion Conference in Colorado Springs, CO, , 1594(1981).</li>
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<li>Allan, R. General Electric Company variable cycle engine technology demonstrator programs. The 15th Joint Propulsion Conference in Las Vegas, NV, , 1311(1979).</li>
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<li>LIU, Z., WANG, Z., HUANG, H., Cai, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+simulation+on+performance+of+variable+cycle+engines%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aerospace+Power%22%5BJournal%5D)">Numerical simulation on performance of variable cycle engines.</a> Journal of Aerospace Power. 25 (6), 1310-1315 (2010).</li>
<li>Loftin, L. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+a+second-generation+supersonic+transport%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aircraft%22%5BJournal%5D)">Toward a second-generation supersonic transport.</a> Journal of Aircraft. 11 (1), 3-9 (1974).</li>
<li>Mavris, D. N., Pinon, O. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMavris%2C+DN+%22Complex+Systems+Design+%26+Management%22">Complex Systems Design & Management</a>. , Springer. 1-25 (2012).</li>
<li>Reed, J. A., Follen, G. J., Afjeh, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+the+aircraft+design+process+using+Web-based+modeling+and+simulation%5BTitle%5D)+AND+%22ACM+Transactions+on+Modeling+and+Computer+Simulation+%28TOMACS%29%22%5BJournal%5D)">Improving the aircraft design process using Web-based modeling and simulation.</a> ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation (TOMACS). 10 (1), 58-83 (2000).</li>
<li>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).</li>
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<li>Development of an interactive graphical propulsion system simulator. The 30th Joint Propulsion Conference and Exhibit in Indianapolis, IN. Reed, J., Afjeh, A. , (1994).</li>
<li>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). 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference 2014, Cleveland, Ohio, , (2014).</li>
<li>Camporeale, S., Fortunato, B., Mastrovito, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+modular+code+for+real+time+dynamic+simulation+of+gas+turbines+in+simulink%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Engineering+for+Gas+Turbines+and+Power%22%5BJournal%5D)">A modular code for real time dynamic simulation of gas turbines in simulink.</a> Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 128 (3), 506-517 (2006).</li>
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<li>Muir, D. E., Saravanamuttoo, H. I., Marshall, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Health+monitoring+of+variable+geometry+gas+turbines+for+the+Canadian+Navy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Engineering+for+Gas+Turbines+and+Power%22%5BJournal%5D)">Health monitoring of variable geometry gas turbines for the Canadian Navy.</a> Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 111 (2), 244-250 (1989).</li>
</ol>

Wir haben nichts zu verraten.

Basierend auf einer grafischen Simulationsumgebung kann ein VCE-Modell auf Komponentenebene schnell durch modulare hierarchische Architektur und objektorientierte Modellierungstechnologie erstellt werden. Es bietet eine freundliche Schnittstelle für Benutzer und es ist bequem, das Modell19zu analysieren und zu entwerfen.
Die Hauptbeschränkung dieser Methode ist die Ausführungseffizienz des Modells. Da das Modell in Skriptsprache geschrieben ist, muss das Modell bei jede...

Moderne Flugzeuganforderungen stellen das Antriebssystem vor große Herausforderungen, die intelligentere, effizientere oder noch vielseitigere Flugzeugtriebwerke benötigen1. Zukünftige militärische Antriebssysteme erfordern auch sowohl höheren Schub bei hoher Geschwindigkeit als auch einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch bei niedriger Geschwindigkeit1,2,3,4. Um den technischen Anforderungen künftiger Flugmissionen gerecht zu werden, legte General Electric (GE) 1955 das Konzept des Variablenzyklusmotors (VCE)vor 5. Ein VCE ist ein Flugzeugmotor, der verschiedene thermodynamische Zyklen durchführen kann, indem er die Geometriegröße oder -position einiger Komponentenändert 6. Die Lockheed SR-71 "Blackbird" mit einem J58 Turboramjet VCE hält seit 1976denWeltrekord für das schnellste luftatmende bemannte Flugzeug. Es hat sich auch viele potenzielle Vorteile des Überschallflugs bewährt. In den letzten 50 Jahren hat GE mehrere weitere VCEs verbessert und erfunden, darunter einen Doppelbypass VCE8, einen gesteuerten Druckverhältnismotor9 und einen adaptiven Zyklusmotor10. Diese Studien betrafen nicht nur die allgemeine Struktur- und Leistungsüberprüfung, sondern auch die Steuerung des Motors11. Diese Studien haben gezeigt, dass der VCE wie ein Turbofan mit hohem Bypass-Verhältnis beim Unterschallflug und wie ein Turbofan mit niedrigem Bypass-Verhältnis funktionieren kann, sogar wie ein Turbojet beim Überschallflug. So kann der VCE Leistungsabgleich unter unterschiedlichen Flugbedingungen realisieren.
Bei der Entwicklung eines VCE werden umfangreiche Überprüfungsarbeiten durchgeführt. Es kann eine große Menge an Zeit und Aufwand kosten, wenn alle diese Arbeiten auf physische Weise durchgeführt werden12. Computersimulationstechnik, die bereits bei der Entwicklung eines neuen Motors eingeführt wurde, kann nicht nur die Kosten stark senken, sondern auch die potenziellen Risiken vermeiden13,14. Basierend auf der Computersimulationstechnologie wird der Entwicklungszyklus eines Motors auf fast die Hälftereduziert und die Anzahl der benötigten Geräte drastisch reduziert 15 . Andererseits spielt die Simulation auch eine wichtige Rolle bei der Analyse des Motorverhaltens und der Steuerungsrechtsentwicklung. Zur Simulation des statischen Designs und der Off-Design-Leistung von Motoren wurde 1972 vom NASA Lewis Research Center ein Programm namens GENENG16 entwickelt. Dann entwickelte das Forschungszentrum DYNGEN17 von GENENG abgeleitet, und DYNGEN konnte die transiente Leistung eines Turbojets und der Turbofan-Motoren simulieren. 1989 legte die NASA ein Projekt mit dem Namen Numerical Propulsion System Simulation (NPSS) vor und ermutigte Forscher, ein modulares und flexibles Motorsimulationsprogramm durch den Einsatz objektorientierter Programmierung zu konstruieren. 1993 entwickelte John A. Reed das Turbofan Engine Simulation System (TESS) auf Basis der Application Visualization System (AVS) Plattform durch objektorientierte Programmierung18.
In der Zwischenzeit wird die schnelle Modellierung auf Basis der grafischen Programmierumgebung schrittweise in der Simulation verwendet. Das von der NASA entwickelte Paket Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T-MATS) basiert auf der Matlab/Simulink-Plattform. Es ist Open Source und ermöglicht es Benutzern, integrierte Komponentenbibliotheken anzupassen. T-MATS bietet eine benutzerfreundliche Schnittstelle und es ist bequem, das eingebaute JT9D Modell19zu analysieren und zu entwerfen.
In diesem Artikel wurde hier das dynamische Modell eines VCE-Typs mit Der Simulink-Software entwickelt. Das Modellierungsobjekt dieses Protokolls ist ein Doppelumgehungs-VCE. Das schematische Layout ist in Abbildung 1dargestellt. Der Motor kann sowohl im Einzel- als auch im Doppelbypass-Modus arbeiten. Wenn das Mode Select Valve (MSV) geöffnet ist, funktioniert der Motor bei Unterschallbedingungen mit einem relativ großen Bypass-Verhältnis besser. Wenn das Mode Select Valve geschlossen ist, hat der VCE ein kleines Bypass-Verhältnis und eine bessere Überschall-Missionsanpassung. Um die Leistung des Motors weiter zu quantifizieren, wird ein VCE-Modell für doppelte Umgehungsfunktionen auf der Grundlage der Modellierungsmethode auf Komponentenebene erstellt.

<table><tbody><tr><td>Gasturb</td><td>GasTurb GmbH</td><td>Gasturb 13</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td>R2017b</td><td></td></tr><tr><td>TMATS</td><td>NASA</td><td>1.2.0</td><td></td></tr></tbody></table>

eine schnelle methode zur modellierung eines variablenzyklusmotors

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

Die Motoren mit variablem Zyklus (VCE), die die Vorteile von Turbofan- und Turbojet-Triebwerken kombinieren, gelten weithin als Flugzeugtriebwerke der nächsten Generation. Die Entwicklung von VCE erfordert jedoch hohe Kosten. Daher ist es wichtig, ein mathematisches Modell bei der Entwicklung eines Flugzeugtriebwerks zu erstellen, das eine große Anzahl von realen Tests vermeiden und die Kosten drastisch reduzieren kann. Die Modellierung ist auch für die Entwicklung des Kontrollrechts von entscheidender Bedeutung. In diesem Artikel wird auf der Grundlage einer grafischen Simulationsumgebung eine schnelle Methode zur Modellierung einer Doppelumgehungs-Variablenzyklus-Engine mit objektorientierter Modellierungstechnologie und modularer hierarchischer Architektur beschrieben. Erstens basiert das mathematische Modell jeder Komponente auf der thermodynamischen Berechnung. Anschließend wird ein hierarchisches Motormodell über die Kombination der einzelnen mathematischen Komponentenmodelle und des N-R-Solver-Moduls erstellt. Schließlich werden die statischen und dynamischen Simulationen im Modell durchgeführt und die Simulationsergebnisse belegen die Wirksamkeit der Modellierungsmethode. Das vcE-Modell, das auf dieser Methode basiert, hat die Vorteile einer klaren Struktur und Echtzeitbeobachtung.

Um die Gültigkeit des Simulationsmodells zu beweisen, werden mehrere typische Leistungsparameter, die in statischen und dynamischen Simulationen ausgewählt wurden, mit den Daten in Gasturb verglichen.
In einer statischen Simulation vergleichen wir mehrere wichtige Leistungsparameter des Modells mit diesen Parametern in Gasturb, um die Genauigkeit des statischen Modells zu überprüfen. Tabelle 2 zeigt das Ergebnis des Vergleichs am Konstruktionspunkt mit H=0 m, Ma=0, ...

Hier stellen wir ein Protokoll zum Erstellen eines mathematischen Modells auf Komponentenebene für einen Variablenzyklusmotor vor.

Eine schnelle Methode zur Modellierung eines Variablenzyklusmotors

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...

Diese Methode hilft Forschern, schnell ein Modell eines Flugzeugtriebwerks mit vorhandenen Triebwerksdaten zu erstellen. Dieser Hauptvorteil dieser Methode ist, dass keine hohen Anforderungen an die Programmiertechnologie, die für die traditionelle Modellierung passiert sind. Bevor Sie mit der Modellierung beginnen, öffnen Sie GasTurb13 und klicken Sie auf Basic Thermodynamics.Wählen Sie Cycle Design und öffnen Sie den Demovariablenzyklus. Die Leistungsparameter für den Motorentwurfspunkt werden angezeigt. Um die Komponentenzuordnungen abzuerhalten, klicken Sie im Hauptfenster auf Ausdesign, Mehr und Standardkarten.Öffnen Sie den Demovariablenzyklus und wählen Sie LPC, IPC, HPC, HPT und LPT aus. Um eine einzelne Komponente eines Variablenzyklusmoduls zu modellieren, öffnen Sie ein Datenanalyseprogramm, und klicken Sie auf Simulink. Doppelklicken Sie auf leeres Modell und klicken Sie auf Bibliothek, um eine Funktion zum Modell zu platzieren.Doppelklickfunktion. Die thermodynamische Gleichung des Kompressors wird nach dem Arbeitsprinzip des Kompressors beschrieben. Klicken Sie auf die Gleichung und fügen Sie ein, um den Eingang und Ausgang des Kompressors zu erhalten.Benennen Sie den Funktionskompressor um. Klicken Sie im Fenster kompressorfunktionium mit der rechten Maustaste auf den Funktionsnamen, wählen Sie Subsystem- und Modellreferenz aus und erstellen Sie Subsystem aus der Auswahl, um das Modul zu maskieren. Wenn alle Komponenten modelliert wurden, kombinieren Sie die Ausgabe der einzelnen Komponenten mit der Eingabe der nächsten Komponente.Hier werden die Ergebnisse des Vergleichs am Konstruktionspunkt unter einem Doppelbypass-Betriebsmodus angezeigt, was darauf hinweist, dass der maximale Fehler der Leistungsparameter zwischen dem Modell und dem GasTurb ein Motordruckverhältnis unter 2% ist Hier, ein Ergebnis des Vergleichs am Off-Design-Punkt, unter einer einzigen Bypass-Betriebsart. Unter diesen Bedingungen ist der maximale Fehler eine Drehzahl der Niederdruckwelle knapp unter 4%In dieser repräsentativen Beschleunigungs-, Verzögerungssimulation, die im Doppelbypass-Modus verarbeitet wird, wird die Eingabe des Kraftstoffflusses angezeigt. Diese Drehzahl, Luftstrom und Temperatur vor den Turbinendaten zeigen, dass das Modell in der Lage ist, eine Beschleunigungs- und Verzögerungssimulation durchzuführen.In diesem repräsentativen Experiment wurde der Betriebsmodus des variablen Zyklusmotors mit fünf Sekunden vom Einzelbypass-Modus in den Doppelumgehungsmodus geschaltet, um zu verhindern, dass der Motor die begrenzte Drehzahl während des Schaltvorgangs überschreitet, eine einzige variable Geschlossene Schleifensteuerung wurde auf die Drehzahl der Hochdruckwelle angewendet. In diesem Test blieb die Drehzahl der Hochdruckwelle während des Schaltens nahezu unverändert. Ebenso kann das Ansprechverhalten des Kraftstoffstroms, der Drehzahl, des Luftstroms und der Temperatur vor der Turbine beobachtet werden.Die Simulationsergebnisse für Beschleunigung, Verzögerung und Moduswechsel bestätigen, dass zwei dynamische Simulationen, die das Modell korrekt ausführen kann. Das Erlernen der Auswahl einer bestimmten oder gemeinsamen Arbeitsgleichung ist wichtig, da eine gemeinsame Arbeitsgleichung hilfreich ist, um das Modell richtig einzurichten. Nach diesem Verfahren können andere Arten von Flugzeugtriebwerken oder Gasturbinenmotoren gebaut werden.

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Combustion Charakterisierung und Modell Kraftstoffentwicklung für Mikrorohr Flamme-unterstützte Brennstoffzellen

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