Un metodo rapido per la modellazione di un motore a ciclo variabileA Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine
Summary
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.
Introduction
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 rischi13,14. 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata finanziata dai Fondi fondamentali di ricerca per le università centrali, numero di sovvenzione [No. NS2018017].
Materials
| Gasturb | GasTurb GmbH | Gasturb 13 | |
| MATLAB | MathWorks | R2017b | |
| TMATS | NASA | 1.2.0 |
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