Un metodo rapido per la modellazione di un motore a ciclo variabileA Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

Riepilogo

In questo caso, presentiamo un protocollo per creare un modello matematico a livello di componente per un motore di ciclo variabile.

Abstract

I motori a ciclo variabile (VCE) che combinano i vantaggi dei motori turbofan e turbogetto, sono ampiamente considerati i motori aeronautici di nuova generazione. Tuttavia, lo sviluppo di VCE richiede costi elevati. Pertanto, è essenziale costruire un modello matematico durante lo sviluppo di un motore aeronautico, che può evitare un gran numero di test reali e ridurre drasticamente il costo. La modellazione è anche fondamentale nello sviluppo della legge di controllo. In questo articolo, basato su un ambiente di simulazione grafica, viene descritto un metodo rapido per la modellazione di un motore a ciclo variabile a doppio bypass utilizzando la tecnologia di modellazione orientata agli oggetti e l'architettura gerarchica modulare. In primo luogo, il modello matematico di ogni componente è costruito sulla base del calcolo termodinamico. Quindi, un modello di motore gerarchico viene creato tramite la combinazione di ogni modello matematico componente e il modulo del risolutore N-R. Infine, le simulazioni statiche e dinamiche vengono eseguite nel modello e i risultati della simulazione dimostrano l'efficacia del metodo di modellazione. Il modello VCE costruito attraverso questo metodo ha i vantaggi di una struttura chiara e di un'osservazione in tempo reale.

Introduzione

Le moderne esigenze degli aeromobili portano grandi sfide al sistema di propulsione, che necessitano di motori aeronautici più intelligenti, più efficienti o ancora più versatili¹. I futuri sistemi di propulsione militare richiedono anche unamaggiore spinta ad alta velocità sia un minor consumo di carburante specifico a bassa velocità 1,^2,3,4. Al fine di soddisfare i requisiti tecnici delle future missioni di volo, General Electric (GE)ha presentato il concetto di motore a ciclo variabile (VCE) nel 1955 5. Un VCE è un motore aeronautico che può eseguire diversi cicli termodinamici modificando la dimensione o la posizione della geometria di alcuni componenti⁶. Il Lockheed SR-71 "Blackbird" alimentato da un J58 turboramjet VCE ha detenuto il record mondiale per il più veloce aereo con equipaggio respiratore d'aria dal 1976⁷. Si è rivelato anche molti potenziali vantaggi del volo supersonico. Negli ultimi 50 anni, GE ha migliorato e inventato molti altri VCE, tra cui un doppio bypass VCE⁸, un motore a rapporto di pressione controllato⁹ e un motore ciclo adattivo¹⁰. Questi studi hanno coinvolto non solo la struttura generale e la verifica delle prestazioni, ma anche il sistema di controllo del motore¹¹. Questi studi hanno dimostrato che il VCE può funzionare come un alto rapporto di bypass turbofan a volo subsonico e come un basso rapporto di bypass turbofan, anche come un turbogetto a volo supersonico. In questo modo, il VCE può realizzare la corrispondenza delle prestazioni in diverse condizioni di volo.

Quando si sviluppa un VCE, verrà eseguita una grande quantità di lavori di verifica necessari. Può costare una grande quantità di tempo e spese se tutte queste opere vengono eseguite in modo fisico¹². La tecnologia di simulazione al computer, che è già stata adottata nello sviluppo di un nuovo motore, può non solo ridurre notevolmente il costo, ma anche evitare i potenziali rischi^13,14. Sulla base della tecnologia di simulazione al computer, il ciclo di sviluppo di un motore sarà ridotto a quasi la metà e il numero di apparecchiature necessarie sarà ridotto drasticamente¹⁵. D'altra parte, la simulazione svolge anche un ruolo importante nell'analisi del comportamento del motore e nello sviluppo della legge di controllo. Per simulare il design statico e le prestazioni fuori progettazione dei motori, un programma chiamato GENENG¹⁶ è stato sviluppato dal Lewis Research Center della NASA nel 1972. Il centro di ricerca ha poi sviluppato DYNGEN¹⁷ derivato da GENENG, e DYNGEN potrebbe simulare le prestazioni transitorie di un turbogetto e dei motori turbofan. Nel 1989, la NASA ha presentato un progetto, chiamato Numerical Propulsion System Simulation (NPSS), e ha incoraggiato i ricercatori a costruire un programma di simulazione del motore modulare e flessibile attraverso l'uso di programmazione orientata agli oggetti. Nel 1993, John A. Reed ha sviluppato il Turbofan Engine Simulation System (TESS) basato sulla piattaforma Application Visualization System (AVS) attraverso la programmazione orientata agli oggetti¹⁸.

Nel frattempo, la modellazione rapida basata sull'ambiente di programmazione grafica viene utilizzata gradualmente nella simulazione. Il Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T-MATS) sviluppato dalla NASA si basa sulla piattaforma Matlab/Simulink. È open source e consente agli utenti di personalizzare le librerie di componenti incorporate. T-MATS offre un'interfaccia amichevole per gli utenti ed è conveniente analizzare e progettare il modello JT9D incorporato¹⁹.

In questo articolo, il modello dinamico di un tipo di VCE è stato sviluppato qui utilizzando il software Simulink. L'oggetto di modellazione di questo protocollo è un VCE a doppio bypass. Il layout schematico è illustrato nella Figura 1. Il motore può funzionare sia in modalità bypass singolo che doppio. Quando la valvola di selezione modalità (MSV) è aperta, il motore offre prestazioni migliori in condizioni subsoniche con un rapporto di bypass relativamente grande. Quando la modalità Select Valve è chiusa, il VCE ha un piccolo rapporto di bypass e una migliore adattabilità della missione supersonica. Per quantificare ulteriormente le prestazioni del motore, viene creato un modello VCE a doppio bypass basato sul metodo di modellazione a livello di componente.

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Protocollo

1. Preparazione prima della modellazione

1. Ottenere le prestazioni del punto di progettazione.
   1. Aprire Gasturb 13. Selezionare Motore ciclo variabile.
   2. Fare clic su Termodinamica di base. Selezionare Progettazione ciclo. Aprire DemoVarCyc.CVC.
   3. Ottenere le prestazioni del punto di progettazione del motore. Questi sono mostrati sul lato destro della finestra.
2. Ottenere le mappe dei componenti.
   1. Aprire Gasturb 13. Selezionare Motore ciclo variabile.
   2. Fare clic su Off Design. Selezionare Mappe standard. Aprire DemoVarCyc.CVC.
   3. Fare clic su Off Design Point. Quindi selezionare LPC, IPC, HPC, HPT e LPT; pertanto, si ottengono tutte le mappe dei componenti.

2. Modellare ogni componente del VCE^20,21,22

1. Modellare un singolo componente di un VCE. Prendiamo ad esempio il compressore ad alta pressione.
   1. Aprire Matlab. Fare clic su Simulink. Fare doppio clic su Modello vuoto.
   2. Fare clic su Libreriae inserire la funzione per modellare.
   3. Fare doppio clic su Funzione. Secondo il principio di funzionamento del compressore, viene descritta l'equazione termodinamica del compressore. Descrivere quindi l'equazione con la funzione MATLAB.
   4. Dopo aver terminato la funzione MATLAB, ottenere l'ingresso e l'uscita del compressore.
   5. Utilizzare Sottosistema per mascherare il modulo. Quindi rinominarlo con "compressore". Finora, viene stabilito un modulo di sottosistema chiamato "compressore".
2. Utilizzare la stessa procedura per ottenere i sottosistemi di tutti i componenti tra cui inseridio, ventola, condotto, passo ventilatore guidato dal nucleo (CDFS), miscelatore di bypass, compressore, bruciatore, turbina ad alta pressione, turbina a bassa pressione, mixer, postbruciatore e ugello.
   1. Combinare l'output di ogni componente con l'input del componente successivo.

3. Soluzione dell'intero modello

1. Costruire equazioni di cooperazione dinamiche di tutto il modello.
   1. Costruire equazioni di co-working dinamiche. Costruire le seguenti 6 equazioni di co-working indipendenti.
   2. Determinare l'equazione del bilanciamento del flusso per l'ingresso e l'uscita del bruciatore:
      W _a3: flusso d'aria della sezione del compressore, W_f: flusso di combustibile del bruciatore, W_g44: flusso di gas di uscita della turbina ad alta pressione.
   3. Determinare l'equazione del bilanciamento del flusso per l'ingresso e l'uscita della turbina a bassa pressione:
      W _g44: flusso di gas della sezione di ingresso della turbina a bassa pressione, W_g5: flusso di gas di uscita della turbina a bassa pressione.
   4. Determinare l'equazione del bilanciamento del flusso per l'ingresso e l'uscita dell'ugello:
      W _g7: flusso di gas di ingresso dell'ugello, W_g9: flusso di gas di uscita dell'ugello.
   5. Determinare l'equazione statica del bilanciamento della pressione per l'intaglia del mixer posteriore:
      P (in questo modo _s163: pressione statica della presa di bypass esterno principale, P_s63: pressione statica della presa di bypass interno.
   6. Determinare l'equazione del bilanciamento del flusso dell'ingresso e della presa del ventilatore:
      W _a2: flusso d'aria di ingresso ventilatore, W_a21: flusso d'aria di ingresso CDFS, W_a13: flusso d'aria di ingresso bypass sub-outer
   7. Determinare l'equazione del bilanciamento del flusso della presa CDFS:
      W _a21: flusso d'aria di ingresso CDFS, W_a125: CDFS bypass flusso d'aria di inserito, W_un25: compressore flusso d'aria di ingresso.
   8. Le 6 equazioni indipendenti di cui sopra costituiscono le seguenti equazioni.
      
2. Utilizzare il risolutore di iterazione N-R in TMATS per risolvere le equazioni di cui sopra.
   1. Prima di utilizzare il risolutore per risolvere le equazioni di co-working, impostare il risolutore di iterazione N-R. In base al processo di modellazione, selezionare le seguenti 6 ipotesi iniziali: linea ausiliariaria della mappa dei componenti della ventola, CDFS, compressore ad alta pressione, turbina ad alta pressione e turbina a bassa pressione ₁ , ₃, -₄ ,₅, flusso di insedioino bypass sub-outer.

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Risultati

Per dimostrare la validità del modello di simulazione, vengono confrontati diversi parametri di prestazione tipici selezionati nelle simulazioni statiche e dinamiche con i dati in Gasturb.

In una simulazione statica, confrontiamo diversi parametri chiave delle prestazioni del modello con questi parametri in Gasturb per verificare l'accuratezza del modello statico. La tabella 2 mostra il risultato del confronto nel punto di progettazione con H-0 m, M_a'0', W f'79334 ...

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Discussione

Basato su un ambiente di simulazione grafica, un modello a livello di componente VCE può essere creato rapidamente attraverso l'architettura gerarchica modulare e la tecnologia di modellazione orientata agli oggetti. Offre un'interfaccia amichevole per gli utenti ed è conveniente analizzare e progettare il modello¹⁹.

La limitazione principale di questo metodo è l'efficienza di esecuzione del modello. Poiché il modello è scritto in linguaggio di scripting, il modell...

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Materiali

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