Une méthode rapide pour modéliser un moteur à cycle variable
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour construire un modèle mathématique au niveau des composants pour un moteur à cycle variable.
Abstract
Les moteurs à cycle variable (VCE) qui combinent les avantages des turboréacteurs et des turboréacteurs, sont largement considérés comme les moteurs d’avion de prochaine génération. Cependant, le développement de VCE nécessite des coûts élevés. Ainsi, il est essentiel de construire un modèle mathématique lors du développement d’un moteur d’avion, ce qui peut éviter un grand nombre de tests réels et réduire le coût de façon spectaculaire. La modélisation est également cruciale dans l’élaboration du droit de contrôle. Dans cet article, basé sur un environnement de simulation graphique, une méthode rapide pour modéliser un moteur à cycle variable de double contournement utilisant la technologie de modélisation orientée objet et l’architecture hiérarchique modulaire est décrite. Tout d’abord, le modèle mathématique de chaque composant est construit sur la base du calcul thermodynamique. Ensuite, un modèle de moteur hiérarchique est construit via la combinaison de chaque modèle mathématique composant et le module de solveur N-R. Enfin, les simulations statiques et dynamiques sont réalisées dans le modèle et les résultats de simulation prouvent l’efficacité de la méthode de modélisation. Le modèle VCE construit à travers cette méthode présente les avantages d’une structure claire et d’une observation en temps réel.
Introduction
Les exigences modernes des avions apportent de grands défis au système de propulsion, qui ont besoin de moteurs d’avion plus intelligents, plus efficaces ou encore plus polyvalents1. Les futurs systèmes de propulsion militaire nécessitent également à la fois une poussée plus élevée à grande vitesse et une consommation de carburant spécifique plus faible à basse vitesse1,2,3,4. Afin de répondre aux exigences techniques des futures missions de vol, General Electric (GE) a proposé le concept de moteur à cycle variable (VCE) en 19555. Un VCE est un moteur d’avion qui peut effectuer différents cycles thermodynamiques en changeant la taille de géométrie ou la position de certains composants6. Le Lockheed SR-71 “Blackbird” propulsé par un J58 turboramjet VCE détient le record du monde pour l’avion habité le plus rapide à respiration aérienne depuis 19767. Il a également prouvé de nombreux avantages potentiels de vol supersonique. Au cours des 50 dernières années, GE a amélioré et inventé plusieurs autres vcEs, y compris un double contournement VCE8, un moteur de rapport de pression contrôlée9 et un moteur de cycle adaptatif10. Ces études portaient non seulement sur la structure générale et la vérification des performances, mais aussi sur le système de contrôle du moteur11. Ces études ont prouvé que le VCE peut fonctionner comme un turbofan à haut taux de dérivanage au vol subsonique et comme un turbofan à faible taux de dérivance, même comme un turboréacteur au vol supersonique. Ainsi, le VCE peut réaliser des performances correspondant s’adéquation dans différentes conditions de vol.
Lors de l’élaboration d’un VCE, une grande quantité de travaux de vérification nécessaires seront effectuées. Il peut coûter beaucoup de temps et de débours si toutes ces œuvres sont exécutées d’une manière physique12. La technologie de simulation informatique, qui a déjà été adoptée dans le développement d’un nouveau moteur, peut non seulement réduire le coût considérablement, mais aussi éviter les risques potentiels13,14. Basé sur la technologie de simulation informatique, le cycle de développement d’un moteur sera réduit à près de la moitié, et le nombre d’équipements requis sera réduit de façon spectaculaire15. D’autre part, la simulation joue également un rôle important dans l’analyse du comportement du moteur et le développement de la loi de contrôle. Pour simuler la conception statique et les performances hors conception des moteurs, un programme appelé GENENG16 a été développé par le Centre de recherche Lewis de la NASA en 1972. Ensuite, le centre de recherche a développé DYNGEN17 dérivé de GENENG, et DYNGEN pourrait simuler les performances transitoires d’un turboréacteur et des turboréacteurs. En 1989, la NASA a proposé un projet, appelé Numerical Propulsion System Simulation (NPSS), et elle a encouragé les chercheurs à construire un programme modulaire et flexible de simulation de moteur grâce à l’utilisation de programmes orientés objet. En 1993, John A. Reed a développé le Turbofan Engine Simulation System (TESS) basé sur la plate-forme Du système de visualisation d’applications (AVS) grâce à une programmation orientée objet18.
Pendant ce temps, la modélisation rapide basée sur l’environnement de programmation graphique est utilisée progressivement dans la simulation. Le package Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T-MATS) développé par la NASA est basé sur la plate-forme Matlab/Simulink. Il est open source et permet aux utilisateurs de personnaliser les bibliothèques de composants intégrées. T-MATS offre une interface conviviale pour les utilisateurs et il est pratique d’analyser et de concevoir le modèle JT9Dintégré 19.
Dans cet article, le modèle dynamique d’un type de VCE a été développé ici à l’aide du logiciel Simulink. L’objet de modélisation de ce protocole est un double contournement VCE. Sa disposition schématique est indiquée dans la figure 1. Le moteur peut fonctionner en mode de contournement simple et double. Lorsque la soupape de sélection de mode (MSV) est ouverte, le moteur fonctionne mieux dans des conditions subsoniques avec un rapport de dérivation relativement important. Lorsque la valve De sélection du mode est fermée, le VCE a un petit rapport de contournement et une meilleure adaptabilité de mission supersonique. Pour quantifier davantage les performances du moteur, un modèle VCE de double contournement est construit sur la base de la méthode de modélisation au niveau des composants.
Protocol
Representative Results
Discussion
Basé sur un environnement de simulation graphique, un modèle de composant VCE peut être construit rapidement grâce à une architecture hiérarchique modulaire et à une technologie de modélisation orientée objet. Il offre une interface conviviale pour les utilisateurs et il est pratique d’analyser et de concevoir le modèle19.
La principale limitation de cette méthode est l’efficacité d’exécution du modèle. Étant donné que le modèle est écrit en langage de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales, numéro de subvention [No. NS2018017].
Materials
| Gasturb | GasTurb GmbH | Gasturb 13 | |
| MATLAB | MathWorks | R2017b | |
| TMATS | NASA | 1.2.0 |
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