Summary
Burada, değişken bir çevrim motoru için bileşen düzeyinde matematiksel bir model oluşturmak için bir protokol salıyoruz.
Abstract
Turbofan ve turbojet motorların avantajlarını birleştiren değişken çevrim li motorlar (VCE) yaygın olarak yeni nesil uçak motorları olarak kabul edilir. Ancak, VCE'nin geliştirilmesi yüksek maliyetler gerektirir. Bu nedenle, gerçek testlerin çok sayıda önlemek ve önemli ölçüde maliyeti azaltabilir bir uçak motoru geliştirirken matematiksel bir model oluşturmak esastır. Modelleme de kontrol hukuk gelişiminde çok önemlidir. Bu makalede, grafik simülasyon ortamına dayalı, nesne yönelimli modelleme teknolojisi ve modüler hiyerarşik mimari kullanarak çift baypas değişken çevrim motoru modellemek için hızlı bir yöntem açıklanmıştır. İlk olarak, her bileşenin matematiksel modeli termodinamik hesaplamaya dayalı olarak oluşturulur. Daha sonra, hiyerarşik bir motor modeli her bileşen matematiksel model ve N-R çözücü modülü kombinasyonu ile oluşturulur. Son olarak, statik ve dinamik simülasyonlar model de gerçekleştirilir ve simülasyon sonuçları modelleme yönteminin etkinliğini kanıtlamak. Bu yöntemle üretilen VCE modeli, net yapı ve gerçek zamanlı gözlem avantajlarına sahiptir.
Introduction
Modern uçak talepleri, daha akıllı, daha verimli ve daha çok yönlü uçakmotorları 1'e ihtiyaç duyan itici güç sistemine büyük zorluklar getiriyor. Gelecekteki askeri tahrik sistemleri de düşük hızda yüksek hızda yüksek itme ve düşük hızda düşük özel yakıt tüketimi hem gerektirir1,2,3,4. General Electric (GE) gelecekteki uçuş görevlerinin teknik gereksinimlerini karşılamak için 19555yılında değişken çevrim motoru (VCE) konseptini ortaya koymuştur. VCE, bazı bileşenlerin geometri boyutunu veya konumunu değiştirerek farklı termodinamikdöngüler gerçekleştirebilen bir uçak motorudur 6. Lockheed SR-71 "Blackbird" J58 turboramjet VCE tarafından desteklenmektedir 19767yılından bu yana en hızlı hava solu insanlı uçak için dünya rekoru düzenledi. Ayrıca süpersonik uçuş birçok potansiyel avantajları kanıtladı. Son 50 yıl içinde, GE geliştirdi ve bir çift bypass VCE8de dahil olmak üzere birçok diğer VCEs icat, kontrollü basınç oranı motoru9 ve adaptif çevrim motoru10. Bu çalışmalar sadece genel yapı ve performans doğrulama değil, aynı zamanda motor11kontrol sistemi dahil. Bu çalışmalar VCE ses altı uçuşta yüksek baypas oranı turbofan gibi ve düşük baypas oranı turbofan gibi çalışabilir kanıtlamıştır, süpersonik uçuş ta bir turbojet gibi bile. Böylece, VCE farklı uçuş koşullarında performans eşleştirme gerçekleştirebilirsiniz.
VCE geliştirirken, büyük miktarda gerekli doğrulama çalışmaları gerçekleştirilecektir. Tüm bu çalışmalar fiziksel bir şekilde 12 gerçekleştirilirse zamanve dış para büyük miktarda mal olabilir. Zaten yeni bir motor geliştirme de kabul edilmiştir Bilgisayar simülasyon teknolojisi, sadece büyük ölçüde maliyeti azaltmak değil, aynı zamanda potansiyel riskleri önlemekdeğil 13,14. Bilgisayar simülasyon teknolojisine dayanarak, bir motorun geliştirme döngüsü neredeyse yarıya indirilecek ve gerekli ekipman sayısı önemli ölçüde azalacaktır15. Öte yandan, simülasyon da motor davranış ve kontrol hukuk geliştirme analizinde önemli bir rol oynar. Motorların statik tasarımını ve tasarım dışı performansını simüle etmek için 1972 yılında NASA Lewis Araştırma Merkezi tarafından GENENG16 adında bir program geliştirilmiştir. Daha sonra araştırma merkezi GENENG'den elde edilen DYNGEN 17'yi geliştirdi ve DYNGEN bir turbojet ve turbofan motorlarının geçici performansını simüle etti. 1989'da NASA, Sayısal Tahrik Sistemi Simülasyonu (NPSS) adında bir proje ortaya koydu ve araştırmacıları nesne yönelimli programlama yoluyla modüler ve esnek bir motor simülasyon programı oluşturmaya teşvik etti. 1993 yılında, John A. Reed Turbofan Motor Simülasyon Sistemi (TESS) Uygulama Görselleştirme Sistemi (AVS)platformu nesne yönelimli programlama 18 dayalı geliştirdi.
Bu arada, grafik programlama ortamına dayalı hızlı modelleme simülasyonda kademeli olarak kullanılmaktadır. NASA tarafından geliştirilen Termodinamik Sistemlerin Modelleme ve Analizi (T-MATS) paketi için Araç Kutusu Matlab/Simulink platformuna dayanmaktadır. Açık kaynak kodludur ve kullanıcıların yerleşik bileşen kitaplıklarını özelleştirmesine olanak tanır. T-MATS kullanıcılara dostça bir arayüz sunuyor ve analiz etmek ve dahili JT9D modeli19tasarımı uygundur.
Bu makalede, VCE türünün dinamik modeli burada Simulink yazılımı kullanılarak geliştirilmiştir. Bu protokolün modelleme nesnesi çift atlamalı VCE'dir. Şematik düzeni Şekil1'de gösterilmiştir. Motor hem tek hem de çift baypas modlarında çalışabilir. Mode Select Valf (MSV) açık olduğunda, motor nispeten büyük bir bypass oranı ile ses altı koşullarında daha iyi performans gösterir. Mode Select Valf kapatıldığında, VCE küçük bir baypas oranına ve daha iyi bir süpersonik görev adaptasyonuna sahiptir. Motorun performansını daha fazla ölçmek için, bileşen düzeyinde modelleme yöntemine dayalı bir çift baypas VCE modeli oluşturulur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Modelleme den önce hazırlık
- Tasarım noktası performansı elde edin.
- Açık Gasturb 13. Değişken Çevrim Motoru'niseçin.
- Temel Termodinamiküzerine tıklayın. Çevrim Tasarımı'nıseçin. Açık DemoVarCyc.CVC.
- Motor tasarım noktası performansını elde edin. Bunlar pencerenin sağ tarafında gösterilir.
- Bileşen eşlemlerini edinin.
- Açık Gasturb 13. Değişken Çevrim Motoru'niseçin.
- OffDesign'a tıklayın. Standart Haritalarıseçin. Açık DemoVarCyc.CVC.
- Off DesignPoint'e tıklayın. Sonra LPC, IPC, HPC, HPT ve LPTseçin; böylece, tüm bileşenleri haritalar elde edilir.
2. Model VCE 20 her bileşeni,21,22
- VCE'nin tek bir bileşenini modelle. Bir örnek olarak yüksek basınçlı kompresör alın.
- Açık Matlab. Simulinktıklayın. BoşModel'e çift tıklayın.
- Kitaplık'ave modelleme işlevine tıklayın.
- Fonksiyon'a çift tıklayın. Kompresör çalışma prensibine göre kompresör termodinamik denklemi tanımlanır. Daha sonra MATLAB fonksiyonuile denklemi açıklayın.
- MATLAB işlevinitamamladıktan sonra kompresör giriş ve çıkışını elde edin.
- Modülü maskelemek için Alt Sistemi kullanın. Sonra "kompresör" ile yeniden adlandırın. Şimdiye kadar "kompresör" adı verilen bir alt sistem modülü oluşturulmuştur.
- Giriş, fan, kanal, çekirdek tahrikli fan evresi (CDFS), baypas mikser, kompresör, brülör, yüksek basınçlı türbin, düşük basınçlı türbin, mikser, afterburner ve nozul dahil olmak üzere tüm bileşenlerin alt sistemlerini almak için aynı adımları kullanın.
- Her bileşenin çıktısını bir sonraki bileşenin girişiyle birleştirin.
3. Tüm modelin çözümü
- Tüm modelin dinamik birlikte çalışma denklemleri oluştur.
- Dinamik birlikte çalışma denklemleri oluştur. Aşağıdaki 6 bağımsız birlikte çalışma denklemini oluşturun.
- Brülörün giriş ve çıkışı için akış dengesi denklemini belirleyin:
W a3: kompresör çıkış bölümü hava akımı, Wf: brülör yakıt akışı, Wg44: yüksek basınçlı türbin giriş gaz akışı. - Düşük basınçlı türbinin giriş ve çıkışı için akış dengesi denklemini belirleyin:
W g44: alçak basınçlı türbin giriş bölümü gaz akışı, Wg5: düşük basınçlı türbin çıkış gaz akışı. - Nozul giriş ve çıkış için akış dengesi denklemini belirleyin:
W g7: nozul giriş gazı akışı, Wg9: nozul çıkış gazı akışı. - Arka mikser girişi için statik basınç dengesi denklemini belirleyin:
P s163: ana dış bypass çıkışının statik basıncı, Ps63: iç bypass çıkışının statik basıncı. - Fan giriş ve çıkışının akış dengesi denklemini belirleyin:
W a2: fan giriş hava akışı, Wa21: CDFS giriş hava akışı, Wa13: alt-dış baypas giriş hava akışı - CDFS çıkışının akış dengesi denklemini belirleyin:
W a21: CDFS giriş hava akışı, Wa125: CDFS baypas giriş hava akışı, Wa25: kompresör giriş hava akışı. - Yukarıdaki 6 bağımsız denklem aşağıdaki denklemleri oluşturur.
- Yukarıdaki denklemleri çözmek için TMATS'taki N-R yineleme çözücüsi kullanın.
- Ortak çalışma denklemlerini çözmek için çözücüyu kullanmadan önce, N-R yineleme çözücüsi ayarlayın. Modelleme sürecine göre aşağıdaki 6 ilk tahminseçin: fan bileşen haritası yardımcı hattı, CDFS, yüksek basınçlı kompresör, yüksek basınç türbini ve düşük basınçlı türbin β1, β2, β 3, β4, β5, alt-dış baypas giriş akışı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Simülasyon modelinin geçerliliğini kanıtlamak için statik ve dinamik simülasyonlarda seçilen çeşitli tipik performans parametreleri Gasturb'daki verilerle karşılaştırılır.
Statik bir simülasyonda, statik modelin doğruluğunu doğrulamak için modelin birkaç temel performans parametrelerini Gasturb'daki bu parametrelerle karşılaştırıyoruz. Tablo 2, tasarım noktasında ki karşılaştırmanın sonucunu H=0 m, Ma=0, Wf=0.79334 kg/s çift baypas çalışma modu ile gösterir. Karşılaştırmaya göre, model ve Gasturb arasındaki maksimum performans parametreleri hatası %2'nin altında olan EPR 'dir (motor basınç oranı). Tablo 3, tasarım dışı noktada h=0 m, Ma=0, Wf=0,91032 kg/s ile tek bir baypas çalışma modu altında karşılaştırma sonucunu gösterir. Bu durumda, buradaki en yüksek hata düşük basınçlı şaftın dönüş hızıdır, ki bu da %4'ün hemen altındadır. Her iki modelin performans parametreleri hemen hemen aynıdır. Böylece, iki karşılaştırma sonucu modelin doğru olduğunu ve protokolün tasarım noktasında etkili olduğunu kanıtlamaktadır.
Dinamik bir simülasyonda, geçiş durumu modelinin doğruluğunu doğrulamak amacıyla, hızlanma/yavaşlama simülasyonu ve mod anahtarlama simülasyonu dahil olmak üzere iki tipik dinamik işlemi simüle ettik. Hızlanma/yavaşlama simülasyonu H=0 m, Ma=0 ile çift baypas modu altında işlenir. Şekil 2a yakıt akışının girişini gösterir. Şekil 2b, Şekil 2c ve Şekil 2d türbin önce dönme hızı, hava akışı ve sıcaklık tepki göstermek, böylece model ivme / yavaşlama simülasyon u gerçekleştirebilir. Mod anahtarlama simülasyonu çift baypas modundan H=0 m, Ma=0 ile tek baypas moduna yapılır. Şekil3'te gösterildiği gibi, VCE çalışma modu tek baypas modundan 5 s'de çift baypas moduna geçer. Motorun anahtarlama işlemi sırasında sınırlı hızı aşmasını önlemek için, yüksek basınç milinin dönme hızına tek değişkenli kapalı döngü kontrolü uygulanır. Şekil 3b, yüksek basınç milinin dönüş hızının anahtarlama sırasında neredeyse değişmediğini göstermektedir. Benzer şekilde, Şekil 3a, Şekil 3b, Şekil 3c ve Şekil 3d yakıt akışının tepkisini, dönme hızını, hava akışını ve sıcaklığıtürden önce gösterir. İki dinamik simülasyon sırasında, model doğru çalıştırabilirsiniz.
Şekil 1: Değişken çevrim motorunun genel yapısının şematik diyagramı.
VCE bir fan, cdfs, kompresör, brülör, türbin, mikser, afterburner ve bir meme içerir. Fan ve CDFS düşük basınçlı türbin tarafından tahrik edilir. Kompresör yüksek basınçlı türbin tarafından tahrik edilir. Şekil 1'deki sayılar motorun kesitini temsil ediyor. Her kesitin tanımı Tablo1'de gösterilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2. VCE'nin hızlanma/yavaşlama simülasyonu.
Bu şekil ivme/yavaşlama simülasyonu sunar. Yakıt akışı girişi Şekil 2a'dagösterilmiştir. Ana performans parametrelerinin yanıtları aşağıdaki gibi gösterilmiştir. (b) Yüksek basınç hızı ve düşük basınç hızı tepkisi. (c) Hava akımının tepkisi. (d) Türbin giriş sıcaklığının tepkisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3. VCE modu anahtarlama simülasyonu.
Bu şekil mod anahtarlama simülasyonunu sunar. (a) Yakıt akışı girişinin yanıtı. (b) Yüksek basınç hızı ve düşük basınç hızı tepkisi. (c) Hava akımının tepkisi. (d) Türbin giriş sıcaklığının tepkisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Kesitin numbe'si | Tanımı |
| 2 | Fan girişi |
| 3 | Kompresör çıkışı |
| 4 | Brülör çıkışı |
| 5 | Düşük basınçlı türbin çıkışı |
| 6 | Mikser girişi |
| 7 | Afterburner çıkış |
| 8 | Nozul düşünce |
| 9 | Nozul çıkışı |
Tablo 1: Tüm kesitlerin tanımı. Bu protokolde benimsenen değişken çevrim motorunun kesit tanımları Tablo1'de gösterilmiştir.
| Parametre | Modeli | Gasturb 13 | Hata(%) |
| Nl(RPM) | 14711 | 14600 | 0.76 |
| Nh(RPM) | 18060 | 18000 | 0.33 |
| T4(K) | 1866 | 1850 | 0.86 |
| FN(KN) | 38.18 | 37.98 | 0.53 |
| Epr | 4.1653 | 4.2436 | 1.85 |
Tablo 2. Çift baypasın tasarım noktasının karşılaştırılması. Modelin birkaç temel performans parametresi, H=0 m, Ma=0, Wf=0.79334 kg/s ile tasarım noktasında Gasturb'daki parametrelerle karşılaştırılır.
| Parametre | Modeli | Gasturb 13 | Hata(%) |
| Nl(RPM) | 15544 | 15033 | 3.4 |
| Nh(RPM) | 18123 | 18000 | 0.68 |
| T4(K) | 2036 | 2002 | 1.7 |
| FN(KN) | 41.23 | 40.68 | 1.35 |
| Epr | 4.2419 | 4.2894 | 1.11 |
Tablo 3. Tek baypasın tasarım dışı noktasının karşılaştırılması. Tasarım dışı noktada h=0 m, Ma=0, Wf=0.91032 kg/s ile çeşitli temel performans parametreleri karşılaştırılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bir grafik simülasyon ortamına dayanarak, bir VCE bileşen düzeyinde model modüler hiyerarşik mimari ve nesne yönelimli modelleme teknolojisi ile hızla oluşturulabilir. Bu kullanıcılara dostça bir arayüz sunuyor ve analiz etmek ve model tasarımı uygundur19.
Bu yöntemin temel sınırlama modelinin yürütme verimliliğidir. Model komut dosyası dilinde yazıldığından, modelin her çalıştığında yeniden derlemesi gerekir. Bu nedenle, yürütme verimliliği sistem dili kadar iyi değildir. Bu sınırlama göz önüne alındığında, bir sonraki önemli araştırma noktası modelin yürütme verimliliğini artırmak için nasıl. Başka bir sınırlama, N-R yinelemesinin ilk değerinin modelde kesinlikle göz önünde bulundurulması gerektiğidir, çünkü N-R yinelemesi yalnızca küçük bir sapma aralığında yakınsaktır.
Protokoldeki kritik bir adım, bileşen eşlemlerini doğru bir şekilde nasıl elde edeceğiniz ve enterpolasyon için uygun algoritmayı nasıl kullanacağıdır. Gasturb veya başka bir mevcut motor test verileri olsun, doğru bileşen haritaları modeli daha doğru oluşturmak için yararlıdır.
Aeroengine grafik nesne yönelimli modelleme, ister tüm motor modeli nesnesi, bileşen modeli nesnesi veya her bileşenin parametre modeli nesnesi olsun, bağımsız ve kapsüllenebilir bir modül olarak oluşturulur. Tüm bileşen modülleri arasındaki bağlantı model çerçevesinin ana parçasını oluşturur. Her bileşen modülünün dahili model tasarımı, bileşen modelinin kolay modifikasyonve görselleştirme özelliklerini vurgulayarak, genellik amacıyladır. Bu yazıda sunulan yöntem sadece VCE için değil, diğergaz türbinleri 23 için de kullanılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Açıklayacak bir şeyimiz yok.
Acknowledgments
Bu araştırma, Merkez Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları tarafından finanse edilmiştir, hibe numarası [No. NS2018017].
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
- 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).
- Variable-cycle engines for supersonic cruising aircraft. Willis, E., Welliver, A. The 12th Propulsion Conference in Palo Alto, CA, , 759 (1976).
- Allan, R. General Electric Company variable cycle engine technology demonstrator programs. The 15th Joint Propulsion Conference in Las Vegas, NV, , 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. , American Society of Mechanical Engineers. V001T003A105-V001T003A105 (2000).
- US Patent. Johnson, J. E. , 10/719,884 (2005).
- Study of an Airbreathing Variable Cycle Engine. Vyvey, P., Bosschaerts, W., Fernandez Villace, V., Paniagua, G. The 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit in, San Diego, CA, , 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. , Springer. 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).
- Development of an interactive graphical propulsion system simulator. The 30th Joint Propulsion Conference and Exhibit in Indianapolis, IN. Reed, J., Afjeh, A. , (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). 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference 2014, Cleveland, Ohio, , (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. The 34th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit in Cleveland, OH, , 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).
