Name: Un método rápido para modelar un motor de ciclo variable (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 4 min 58 s
Description: Aprenda a construir modelos matemáticos de motores de ciclo variable utilizando GasTurb13 y datos existentes. Este método computacional reduce las barreras técnicas y permite simular el rendimiento aeroespacial con precisión.

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Esta investigación fue financiada por los Fondos Fundamentales de Investigación para las Universidades Centrales, número de subvención [No. NS2018017].

1. Preparación antes del modelado
<ol><li>Obtenga el rendimiento del punto de diseño.<ol>
<li>Abra Gasturb 13. Seleccione Motor de ciclo variable.</li>
		<li>Haga clic en Termodinámica básica. Seleccione Diseño de ciclo. Abra DemoVarCyc.CVC.</li>
		<li>Obtenga el rendimiento del punto de diseño del motor. Estos se muestran en el lado derecho de la ventana.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Obtener mapas de componentes.<ol>
<li>Abra Gasturb 13. Seleccione Motor de ciclo variable.</li>
		<li>Haga clic en Off Design. Seleccione Mapas estándar. Abra DemoVarCyc.CVC.</li>
		<li>Haga clic en Off Design Point. A continuación, seleccione LPC, IPC, HPC, HPT y LPT; por lo tanto, se obtienen todos los mapas de componentes.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Modele cada componente del VCE20,21,22
<ol><li>Modele un único componente de un VCE. Tomemos como ejemplo el compresor de alta presión.<ol>
<li>Abra Matlab. Haga clic en Simulink. Haga doble clic en Modelo en blanco.</li>
		<li>Haga clic en Bibliotecay coloque la función para modelar.</li>
		<li>Haga doble clic en Función. De acuerdo con el principio de funcionamiento del compresor, se describe la ecuación termodinámica del compresor. A continuación, describa la ecuación con la función MATLAB.</li>
		<li>Después de finalizar la funciónMATLAB, obtenga la entrada y salida del compresor.</li>
		<li>Utilice Subsystem para enmascarar el módulo. A continuación, cámbiele el nombre con "compresor". Hasta ahora, se establece un subsistema llamado "compresor".</li>
	</ol>
</li>
	<li>Utilice los mismos pasos para obtener los subsistemas de todos los componentes, incluyendo entrada, ventilador, conducto, etapa de ventilador accionada por núcleo (CDFS), mezclador de derivación, compresor, quemador, turbina de alta presión, turbina de baja presión, mezclador, postquemador y boquilla.<ol>
<li>Combine la salida de cada componente con la entrada del siguiente componente.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Solución de todo el modelo
<ol><li>Construir ecuaciones dinámicas de coworking de todo el modelo.<ol>
<li>Construir ecuaciones dinámicas de coworking. Construya las siguientes 6 ecuaciones de coworking independientes.</li>
		<li>Determine la ecuación de balance de flujo para la entrada y la salida del quemador:<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ01.jpg"> W a3: flujo de aire de la sección de salida del compresor, Wf: flujo de combustible del quemador, Wg44: flujo de gas de entrada de la turbina de alta presión.</li>
		<li>Determine la ecuación de balance de flujo para la entrada y la salida de la turbina de baja presión:<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ02.jpg"> W g44: Flujo de gas de sección de entrada de turbina de baja presión, Wg5: flujo de gas de salida de turbina de baja presión.</li>
		<li>Determinar la ecuación de balance de flujo para la entrada y salida de la boquilla:<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ03.jpg"> W g7: flujo de gas de entrada de la boquilla, Wg9: flujo de gas de salida de la boquilla.</li>
		<li>Determinar la ecuación de equilibrio de presión estática para la entrada del mezclador trasero:<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ04.jpg"> P s163: presión estática de la salida de derivación externa principal, Ps63: presión estática de la salida de derivación interna.</li>
		<li>Determinar la ecuación de balance de flujo de entrada y salida del ventilador:<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ05.jpg"> W a2: flujo de aire de entrada del ventilador, Wa21: flujo de aire de entrada CDFS, Wa13: flujo de aire de entrada de derivación subexterna</li>
		<li>Determinar la ecuación de balance de flujo de la salida CDFS:<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ06.jpg"> W a21: Flujo de aire de entrada CDFS, Wa125: Flujo de aire de entrada de derivación CDFS, Wa25: flujo de aire de entrada del compresor.</li>
		<li>Las 6 ecuaciones independientes anteriores constituyen las siguientes ecuaciones. <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59151/59151equ07v2.jpg">
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Utilice el solucionador de iteración N-R en TMATS para resolver las ecuaciones anteriores.<ol>
<li>Antes de utilizar el solucionador para resolver las ecuaciones de coworking, establezca el solucionador de iteración N-R. De acuerdo con el proceso de modelado, seleccione las siguientes 6 conjeturas iniciales: línea auxiliardedededededes de mapas de componentes de la línea de ventilador, CDFS, compresor de alta presión, turbina de alta presión y turbina de baja presión (1, 2, ) 3 ,4 ,5, flujo de entrada de derivación subexterna.</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>
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<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>
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</ol>

No tenemos nada que revelar.

Basado en un entorno de simulación gráfica, un modelo de nivel de componente VCE se puede construir rápidamente a través de la arquitectura jerárquica modular y la tecnología de modelado orientada a objetos. Ofrece una interfaz amigable a los usuarios y es conveniente analizar y diseñar el modelo19.
La principal limitación de este método es la eficiencia de ejecución del modelo. Dado que el modelo se escribe en lenguaje de scripting, el modelo debe volver a compilarse c...

Las demandas modernas de los aviones traen grandes desafíos al sistema depropulsión, que necesita motores de aeronaves más inteligentes, más eficientes o incluso más versátiles 1. Los futuros sistemas de propulsión militar también requieren un mayor empuje a alta velocidad y un menor consumo de combustible específico a baja velocidad1,2,3,4. Con el fin de cumplir con los requisitos técnicos de futuras misiones de vuelo, General Electric (GE) presentó el concepto de motor de ciclo variable (VCE) en 19555. Un VCE es un motor de avión que puede realizar diferentes ciclostermodinámicos cambiando el tamaño de la geometría o la posición de algunos componentes 6. El Lockheed SR-71 "Blackbird" propulsado por un Turboramjet VCE J58 ha mantenido el récord mundialde los aviones tripulados con respiración de aire más rápido desde 1976 7. También demostró muchas ventajas potenciales del vuelo supersónico. En los últimos 50 años, GE ha mejorado e inventado varias otras VCEs, incluyendo un VCE8de doble bypass, un motor de relación de presión controlada9 y un motor de ciclo adaptativo10. Estos estudios involucraron no sólo la estructura general y la verificación del rendimiento, sino también el sistema de control del motor11. Estos estudios han demostrado que el VCE puede funcionar como un turboventilador de alta relación bypass en vuelo subsónico y como un turboventilador de baja relación bypass, incluso como un turborreactor en vuelo supersónico. Por lo tanto, el VCE puede realizar la coincidencia de rendimiento bajo diferentes condiciones de vuelo.
Al desarrollar un VCE, se llevará a cabo una gran cantidad de trabajos de verificación necesarios. Puede costar una gran cantidad de tiempo y desuso si todas estas obras se realizan de forma física12. La tecnología de simulación por ordenador, que ya se ha adoptado en el desarrollo de un nuevo motor, no sólo puede reducir el coste en gran medida, sino también evitar los riesgos potenciales13,14. Sobre la base de la tecnología de simulación por ordenador, el ciclo de desarrollo de un motor se reducirá a casi la mitad, y el número de equipos necesarios se reducirá drásticamente15. Por otro lado, la simulación también desempeña un papel importante en el análisis del comportamiento del motor y el desarrollo de la ley de control. Para simular el diseño estático y el rendimiento fuera de diseño de los motores, un programa llamado GENENG16 fue desarrollado por el Centro de Investigación Lewis de la NASA en 1972. A continuación, el centro de investigación desarrolló DYNGEN17 derivado de GENENG, y DYNGEN podría simular el rendimiento transitorio de un turborreactor y los motores turboventiladores. En 1989, la NASA presentó un proyecto, llamado Numerical Propulsion System Simulation (NPSS), y alentó a los investigadores a construir un programa de simulación de motores modular y flexible mediante el uso de programación orientada a objetos. En 1993, John A. Reed desarrolló el Turbofan Engine Simulation System (TESS) basado en la plataforma Application Visualization System (AVS) a través de la programación orientada a objetos18.
Mientras tanto, el modelado rápido basado en el entorno de programación gráfica se está utilizando gradualmente en la simulación. El paquete Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T-MATS) desarrollado por la NASA se basa en la plataforma Matlab/Simulink. Es de código abierto y permite a los usuarios personalizar las bibliotecas de componentes integradas. T-MATS ofrece una interfaz amigable a los usuarios y es convenienteanalizar y diseñar el modelo 19 jt9D incorporado.
En este artículo, el modelo dinámico de un tipo de VCE se ha desarrollado aquí utilizando el software Simulink. El objeto de modelado de este protocolo es un VCE de doble omisión. Su diseño esquemático se muestra en la Figura1. El motor puede funcionar en los modos de derivación simple y doble. Cuando la válvula de selección de modo (MSV) está abierta, el motor funciona mejor en condiciones subsónicas con una relación de derivación relativamente grande. Cuando se cierra la válvula de selección de modo, el VCE tiene una pequeña relación de derivación y una mejor adaptabilidad de la misión supersónica. Para cuantificar aún más el rendimiento del motor, se crea un modelo de VCE de doble derivación basado en el método de modelado a nivel de componente.

<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>

un método rápido para modelar un motor de ciclo variable

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

Los motores de ciclo variable (VCE) que combinan las ventajas de los motores turboventiladores y turborreactores, son ampliamente considerados como los motores de aviones de próxima generación. Sin embargo, el desarrollo de VCE requiere altos costos. Por lo tanto, es esencial construir un modelo matemático al desarrollar un motor de avión, lo que puede evitar un gran número de pruebas reales y reducir el costo dramáticamente. El modelado también es crucial en el desarrollo de la ley de control. En este artículo, basado en un entorno de simulación gráfica, se describe un método rápido para modelar un motor de ciclo variable de doble derivación mediante tecnología de modelado orientada a objetos y arquitectura jerárquica modular. En primer lugar, el modelo matemático de cada componente se construye sobre la base del cálculo termodinámico. A continuación, se crea un modelo de motor jerárquico mediante la combinación de cada modelo matemático de componentes y el módulo solver N-R. Por último, las simulaciones estáticas y dinámicas se llevan a cabo en el modelo y los resultados de la simulación demuestran la eficacia del método de modelado. El modelo VCE construido a través de este método tiene las ventajas de una estructura clara y la observación en tiempo real.

Para demostrar la validez del modelo de simulación, se comparan varios parámetros de rendimiento típicos seleccionados en simulaciones estáticas y dinámicas con los datos de Gasturb.
En una simulación estática, comparamos varios parámetros clave de rendimiento del modelo con estos parámetros en Gasturb para verificar la precisión del modelo estático. La Tabla 2 muestra el resultado de la comparación en el punto de diseño con H-0 m,Ma 0, Wfa 0.79334 kg/s b...

Aquí, presentamos un protocolo para construir un modelo matemático de nivel de componente para un motor de ciclo variable.

Un método rápido para modelar un motor de ciclo variable

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

Este método ayuda a los investigadores a construir rápidamente un modelo de un motor de avión con los datos del motor existente. Esta principal ventaja de este método es que no tiene altos requisitos para la tecnología de programación que han ocurrido para el modelado tradicional. Antes de comenzar el modelado, abra GasTurb13 y haga clic en Termodinámica básica.Seleccione Diseño de ciclo y abra el ciclo de variable de demostración. Se mostrarán los parámetros de rendimiento del punto de diseño del motor. Para obtener los mapas de componentes, en la ventana principal, haga clic en Desactivado diseño, Más y mapas estándar.Abra el ciclo de variable de demostración y seleccione LPC, IPC, HPC, HPT y LPT. Para modelar un único componente de un motor de ciclo variable, abra un programa de análisis de datos y haga clic en Simulink. Haga doble clic en el modelo en blanco y haga clic en la biblioteca para colocar una función en el modelo.Función de doble clic. La ecuación termodinámica del compresor se describirá de acuerdo con el principio de funcionamiento del compresor. Haga clic en la ecuación y pegue para obtener la entrada y salida del compresor.Cambie el nombre del compresor de funciones. En la ventana de funciones del compresor, haga clic con el botón derecho en el nombre de la función y seleccione la referencia del subsistema y del modelo y cree un subsistema a partir de la selección para enmascarar el módulo. Una vez modelados todos los componentes, combine la salida de cada componente con la entrada del siguiente componente.Aquí se muestran los resultados de la comparación en el punto de diseño bajo un modo de funcionamiento de doble derivación que indica que el error máximo de los parámetros de rendimiento entre el modelo y el GasTurb es una relación de presión del motor por debajo del 2% Aquí, se muestra el resultado de la comparación en el punto de diseño de apagado, bajo un solo modo de operación de derivación. En estas condiciones, el error máximo es una velocidad de rotación del eje de baja presión justo por debajo del 4%En esta aceleración representativa, simulación de desaceleración procesada bajo un modo de doble derivación se muestra la entrada del flujo de combustible. Estas velocidades de rotación, el flujo de aire y la temperatura antes de los datos de la turbina demuestran que el modelo es capaz de realizar una simulación de aceleración y desaceleración.En este experimento representativo, el modo de funcionamiento del motor de ciclo variable se cambió del modo de derivación única al modo de doble derivación en cinco segundos para evitar que el motor superara la velocidad limitada durante el proceso de conmutación, se aplicó un control de bucle cerrado variable único a la velocidad de rotación del eje de alta presión. En este ensayo, la velocidad de rotación del eje de alta presión se mantuvo casi sin cambios durante la conmutación. Del mismo modo, se puede observar la respuesta del flujo de combustible, la velocidad de rotación, el flujo de aire y la temperatura antes de la turbina.Los resultados de la simulación de aceleración, desaceleración y conmutación de modo confirman que dos simulaciones dinámicas, el modelo se puede ejecutar correctamente. Aprender a seleccionar una ecuación de trabajo específica o común es importante, porque la ecuación de trabajo común ayuda a configurar el modelo correctamente. Siguiendo este procedimiento, se pueden construir otros tipos de motores de aeronaves o motores de turbinas de gas.

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