Un método rápido para modelar un motor de ciclo variable
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para construir un modelo matemático de nivel de componente para un motor de ciclo variable.
Abstract
Los motores de ciclo variable (VCE) que combinan las ventajas de los motores turboventiladores y turborreactores, son ampliamente considerados como los motores de aviones de próxima generación. Sin embargo, el desarrollo de VCE requiere altos costos. Por lo tanto, es esencial construir un modelo matemático al desarrollar un motor de avión, lo que puede evitar un gran número de pruebas reales y reducir el costo dramáticamente. El modelado también es crucial en el desarrollo de la ley de control. En este artículo, basado en un entorno de simulación gráfica, se describe un método rápido para modelar un motor de ciclo variable de doble derivación mediante tecnología de modelado orientada a objetos y arquitectura jerárquica modular. En primer lugar, el modelo matemático de cada componente se construye sobre la base del cálculo termodinámico. A continuación, se crea un modelo de motor jerárquico mediante la combinación de cada modelo matemático de componentes y el módulo solver N-R. Por último, las simulaciones estáticas y dinámicas se llevan a cabo en el modelo y los resultados de la simulación demuestran la eficacia del método de modelado. El modelo VCE construido a través de este método tiene las ventajas de una estructura clara y la observación en tiempo real.
Introduction
Las demandas modernas de los aviones traen grandes desafíos al sistema depropulsión, que necesita motores de aeronaves más inteligentes, más eficientes o incluso más versátiles 1. Los futuros sistemas de propulsión militar también requieren un mayor empuje a alta velocidad y un menor consumo de combustible específico a baja velocidad1,2,3,4. Con el fin de cumplir con los requisitos técnicos de futuras misiones de vuelo, General Electric (GE) presentó el concepto de motor de ciclo variable (VCE) en 19555. Un VCE es un motor de avión que puede realizar diferentes ciclostermodinámicos cambiando el tamaño de la geometría o la posición de algunos componentes 6. El Lockheed SR-71 “Blackbird” propulsado por un Turboramjet VCE J58 ha mantenido el récord mundialde los aviones tripulados con respiración de aire más rápido desde 1976 7. También demostró muchas ventajas potenciales del vuelo supersónico. En los últimos 50 años, GE ha mejorado e inventado varias otras VCEs, incluyendo un VCE8de doble bypass, un motor de relación de presión controlada9 y un motor de ciclo adaptativo10. Estos estudios involucraron no sólo la estructura general y la verificación del rendimiento, sino también el sistema de control del motor11. Estos estudios han demostrado que el VCE puede funcionar como un turboventilador de alta relación bypass en vuelo subsónico y como un turboventilador de baja relación bypass, incluso como un turborreactor en vuelo supersónico. Por lo tanto, el VCE puede realizar la coincidencia de rendimiento bajo diferentes condiciones de vuelo.
Al desarrollar un VCE, se llevará a cabo una gran cantidad de trabajos de verificación necesarios. Puede costar una gran cantidad de tiempo y desuso si todas estas obras se realizan de forma física12. La tecnología de simulación por ordenador, que ya se ha adoptado en el desarrollo de un nuevo motor, no sólo puede reducir el coste en gran medida, sino también evitar los riesgos potenciales13,14. Sobre la base de la tecnología de simulación por ordenador, el ciclo de desarrollo de un motor se reducirá a casi la mitad, y el número de equipos necesarios se reducirá drásticamente15. Por otro lado, la simulación también desempeña un papel importante en el análisis del comportamiento del motor y el desarrollo de la ley de control. Para simular el diseño estático y el rendimiento fuera de diseño de los motores, un programa llamado GENENG16 fue desarrollado por el Centro de Investigación Lewis de la NASA en 1972. A continuación, el centro de investigación desarrolló DYNGEN17 derivado de GENENG, y DYNGEN podría simular el rendimiento transitorio de un turborreactor y los motores turboventiladores. En 1989, la NASA presentó un proyecto, llamado Numerical Propulsion System Simulation (NPSS), y alentó a los investigadores a construir un programa de simulación de motores modular y flexible mediante el uso de programación orientada a objetos. En 1993, John A. Reed desarrolló el Turbofan Engine Simulation System (TESS) basado en la plataforma Application Visualization System (AVS) a través de la programación orientada a objetos18.
Mientras tanto, el modelado rápido basado en el entorno de programación gráfica se está utilizando gradualmente en la simulación. El paquete Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems (T-MATS) desarrollado por la NASA se basa en la plataforma Matlab/Simulink. Es de código abierto y permite a los usuarios personalizar las bibliotecas de componentes integradas. T-MATS ofrece una interfaz amigable a los usuarios y es convenienteanalizar y diseñar el modelo 19 jt9D incorporado.
En este artículo, el modelo dinámico de un tipo de VCE se ha desarrollado aquí utilizando el software Simulink. El objeto de modelado de este protocolo es un VCE de doble omisión. Su diseño esquemático se muestra en la Figura1. El motor puede funcionar en los modos de derivación simple y doble. Cuando la válvula de selección de modo (MSV) está abierta, el motor funciona mejor en condiciones subsónicas con una relación de derivación relativamente grande. Cuando se cierra la válvula de selección de modo, el VCE tiene una pequeña relación de derivación y una mejor adaptabilidad de la misión supersónica. Para cuantificar aún más el rendimiento del motor, se crea un modelo de VCE de doble derivación basado en el método de modelado a nivel de componente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Basado en un entorno de simulación gráfica, un modelo de nivel de componente VCE se puede construir rápidamente a través de la arquitectura jerárquica modular y la tecnología de modelado orientada a objetos. Ofrece una interfaz amigable a los usuarios y es conveniente analizar y diseñar el modelo19.
La principal limitación de este método es la eficiencia de ejecución del modelo. Dado que el modelo se escribe en lenguaje de scripting, el modelo debe volver a co…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue financiada por los Fondos Fundamentales de Investigación para las Universidades Centrales, número de subvención [No. NS2018017].
Materials
| Gasturb | GasTurb GmbH | Gasturb 13 | |
| MATLAB | MathWorks | R2017b | |
| TMATS | NASA | 1.2.0 |
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