Um método rápido para modelar um mecanismo de ciclo variável
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para construir um modelo matemático de nível de componente para um motor de ciclo variável.
Abstract
Os motores de ciclo variável (VCE) que combinam as vantagens dos motores turbofan e turbojato, são amplamente considerados como os motores de aeronaves de próxima geração. No entanto, o desenvolvimento do VCE requer custos elevados. Assim, é essencial construir um modelo matemático ao desenvolver um motor de aeronaves, o que pode evitar um grande número de testes reais e reduzir o custo dramaticamente. A modelagem também é crucial no desenvolvimento da lei de controle. Neste artigo, com base em um ambiente de simulação gráfica, um método rápido para modelar um mecanismo de ciclo variável de bypass duplo usando tecnologia de modelagem orientada a objeto e arquitetura hierárquica modular é descrito. Em primeiro lugar, o modelo matemático de cada componente é construído com base no cálculo termodinâmico. Em seguida, um modelo de mecanismo hierárquico é criado por meio da combinação de cada modelo matemático de componente e do módulo Solver N-R. Finalmente, as simulações estáticas e dinâmicas são realizadas no modelo e os resultados da simulação comprovam a efetividade do método de modelagem. O modelo VCE construído através deste método tem as vantagens de uma estrutura clara e observação em tempo real.
Introduction
As demandas modernas dos aviões trazem grandes desafios ao sistema de propulsão, que precisam uns motores de aviões mais inteligentes, mais eficientes ou mesmo mais versáteis1. Futuros sistemas de propulsão militar também exigem tanto maior impulso em alta velocidade e menor consumo de combustível específico em baixa velocidade1,2,3,4. A fim cumprir as exigências técnicas de missões futuras do vôo, General Electric (GE) apresentou o conceito variável do motor do ciclo (VCE) em 19555. A VCE é um motor de aeronaves que pode executar diferentes ciclos termodinâmicas, alterando o tamanho da geometria ou a posição de alguns componentes6. O Lockheed SR-71 “Blackbird” alimentado por um J58 turboramjet VCE realizou o recorde mundial para o mais rápido ar-respiração aviões tripulados desde 19767. Ele também provou muitas vantagens potenciais de vôo supersónico. Nos últimos 50 anos, a GE melhorou e inventou vários outros VCEs, incluindo um duplo bypass VCE8, um motor de relação de pressão controlada9 e um motor de ciclo adaptativo10. Estes estudos envolveram não só a estrutura geral e verificação de desempenho, mas também o sistema de controle do motor11. Estes estudos provaram que o VCE pode trabalhar como um turbofan elevado da relação do desvio no vôo SubSonic e como um turbofan baixo da relação do desvio, mesmo como um turbojato no vôo supersônico. Assim, o VCE pode realizar a harmonização do desempenho condições de vôo diferentes.
Ao desenvolver um VCE, uma grande quantidade de trabalhos de verificação necessários será realizada. Pode custar uma grande quantidade de tempo e esforço se todos estes trabalhos são executados em uma maneira física12. Tecnologia de simulação de computador, que já foi adotada no desenvolvimento de um novo motor, não só pode reduzir o custo muito, mas também evitar os riscos potenciais13,14. Baseado na tecnologia da simulação do computador, o ciclo do desenvolvimento de um motor será reduzido a quase a metade, e o número de equipamento exigido será reduzido dramàtica15. Por outro lado, a simulação também desempenha um papel importante na análise do comportamento do motor e do desenvolvimento da lei de controle. Para simular o design estático e o desempenho fora do design dos motores, um programa chamado GENENG16 foi desenvolvido pela NASA Lewis Research Center em 1972. Em seguida, o centro de pesquisa desenvolveu DYNGEN17 derivado de geneng, e dyngen poderia simular o desempenho transitório de um turbojato e os motores turbofan. Em 1989, a NASA apresentou um projeto, denominado simulação numérica do sistema de propulsão (NPSS), e incentivou os pesquisadores a construírem um programa de simulação de motor modular e flexível através do uso de programação orientada a objetos. Em 1993, John A. Reed desenvolveu o sistema de simulação de motor de turbofan (TESS) baseado na plataforma do sistema de visualização de aplicativos (AVS) através da programação orientada a objetos18.
Enquanto isso, a modelagem rápida baseada no ambiente de programação gráfica está sendo usada gradualmente na simulação. O pacote de ferramentas para modelagem e análise de sistemas termodinâmico (T-MATS) desenvolvido pela NASA é baseado na plataforma Matlab/Simulink. Ele é de código aberto e permite que os usuários personalizem bibliotecas de componentes internas. T-MATS oferece uma interface amigável para os usuários e é conveniente para analisar e projetar o built-in JT9D modelo19.
Neste artigo, o modelo dinâmico de um tipo de VCE foi desenvolvido aqui usando o software Simulink. O objeto de modelagem deste protocolo é um duplo desvio VCE. Seu layout esquemático é mostrado na Figura 1. O motor pode trabalhar em ambos os modos de bypass simples e duplo. Quando a válvula de seleção de modo (MSV) está aberta, o motor funciona melhor em condições subsónicas com uma relação de bypass relativamente grande. Quando a válvula de seleção de modo está fechada, o VCE tem uma pequena relação de bypass e uma melhor adaptabilidade da missão supersónica. Para quantificar ainda mais o desempenho do motor, um modelo VCE de bypass duplo é construído com base no método de modelagem de nível de componente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Com base em um ambiente de simulação gráfica, um modelo de nível de componente do VCE pode ser construído rapidamente por meio da arquitetura hierárquica modular e da tecnologia de modelagem orientada a objetos. Ele oferece uma interface amigável para os usuários e é conveniente para analisar e projetar o modelo19.
A principal limitação desse método é a eficiência de execução do modelo. Como o modelo é escrito em linguagem de script, o modelo precisa se…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi financiada pelos fundos de pesquisa fundamentais para as universidades centrais, número de subvenção [não. NS2018017].
Materials
| Gasturb | GasTurb GmbH | Gasturb 13 | |
| MATLAB | MathWorks | R2017b | |
| TMATS | NASA | 1.2.0 |
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