Een snelle methode voor het modelleren van een variabele cyclus motor

Moderne vliegtuig eisen bieden grote uitdagingen voor het voortstuwingssysteem, dat intelligentere, efficiëntere of nog veelzijdiger vliegtuigmotoren nodig heeft¹. Toekomstige militaire voortstuwingssystemen vereisen ook een hogere stuwkracht bij hoge snelheid en een lager specifiek brandstofverbruik bij lage snelheid^1,2,3,4. Om aan de technische vereisten van toekomstige vlucht missies te voldoen, heeft General Electric (GE) het concept van de variabele cyclus motor (VCE) in 1955⁵naar voren gebracht. Een VCE is een vliegtuigmotor die verschillende thermodynamische cycli kan uitvoeren door het veranderen van de geometrie grootte of de positie van sommige componenten⁶. De Lockheed SR-71 “Blackbird” aangedreven door een J58 turboramjet VCE heeft het wereldrecord voor de snelste lucht-ademhaling bemande vliegtuigen gehouden sinds 1976⁷. Het bleek ook veel potentiële voordelen van supersonische vlucht. In de afgelopen 50 jaar heeft GE verschillende andere VCEs verbeterd en uitgevonden, waaronder een dubbele bypass VCE⁸, een gecontroleerde druk ratio engine⁹ en een adaptieve cyclus motor¹⁰. Deze studies hadden niet alleen betrekking op de algemene structuur en prestatiecontrole, maar ook op het besturingssysteem van de motor¹¹. Deze studies hebben bewezen dat de VCE kan werken als een hoge bypass ratio turbofan bij subsonische straal Flight en als een lage bypass ratio turbofan, zelfs als een turbojet op supersonische vlucht. Zo kan de VCE prestatie matching realiseren onder verschillende vluchtomstandigheden.

Bij het ontwikkelen van een VCE zal een grote hoeveelheid noodzakelijke verificatiewerkzaamheden worden uitgevoerd. Het kan een grote hoeveelheid tijd en uitgave kosten als al deze werken worden uitgevoerd op een fysieke manier¹². Computer simulatie technologie, die al is goedgekeurd bij de ontwikkeling van een nieuwe motor, kan niet alleen de kosten aanzienlijk verminderen, maar ook de potentiële Risico’s voorkomen^13,14. Op basis van computersimulatie technologie, zal de ontwikkelingscyclus van een motor worden teruggebracht tot bijna de helft, en het aantal benodigde apparatuur zal drastisch worden verlaagd¹⁵. Aan de andere kant speelt simulatie ook een belangrijke rol bij de analyse van het motor gedrag en de ontwikkeling van het controlerecht. Voor het simuleren van het statische ontwerp en de off-design prestaties van motoren, werd een programma genaamd GENENG¹⁶ ontwikkeld door het NASA Lewis Research Center in 1972. Vervolgens ontwikkelde het onderzoekscentrum DYNGEN¹⁷ , afgeleid van geneng, en dyngen kon de voorbijgaande prestaties van een turbojet en de turbofan motoren simuleren. In 1989 zette NASA een project op, genaamd numerieke voortstuwingssysteem simulatie (NPSS), en het moedigde onderzoekers aan om een modulair en flexibel motor simulatieprogramma te bouwen door het gebruik van objectgeoriënteerd programmeren. In 1993 ontwikkelde John A. reed het turbofan engine Simulation System (TESS) op basis van het applicatie visualisatie systeem (AVS) platform via objectgeoriënteerd programmeren¹⁸.

Ondertussen wordt snelle modellering op basis van grafische programmeeromgeving geleidelijk in simulatie gebruikt. De Toolbox voor het modelleren en analyseren van thermodynamische systemen (T-MATS) pakket ontwikkeld door NASA is gebaseerd op Matlab/Simulink platform. Het is open source en stelt gebruikers in staat om ingebouwde component bibliotheken aan te passen. T-MATS biedt een gebruiksvriendelijke interface voor gebruikers en het is handig om de ingebouwde JT9D model¹⁹te analyseren en te ontwerpen.

In dit artikel is het dynamische model van een type VCE hier ontwikkeld met behulp van Simulink software. Het modellerings object van dit protocol is een dubbele bypass VCE. De schematische lay-out wordt weergegeven in Figuur 1. De motor kan werken in zowel enkele als dubbele bypass-modi. Wanneer de modus Selecteer Valve (MSV) open is, presteert de motor beter bij subsonische condities met een relatief grote bypass ratio. Wanneer de modus selectie ventiel gesloten is, heeft de VCE een kleine bypass ratio en een betere supersonische missie aanpassingsvermogen. Om de prestaties van de motor verder te kwantificeren, wordt een dubbel bypass VCE-model gebouwd op basis van de modelleringsmethode op componentniveau.