一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统建模仿真方法

技术领域

本发明设计基于AMEsim的建模计算领域，具体设计一种冲压空气涡轮能源生成系统的建模仿真方法。

背景技术

在飞机的设计过程中，随着飞机的飞行速度越来越高，飞机的能源需求越来越大，传统携带储能电池等方式因重量过大而受到限制。为满足飞机的能源需求，保证机载设备的正常工作，可采用冲压空气涡轮进行发电来获取能源。

冲压空气涡轮发电的原理是从飞机的进气道位置引一股冲压空气，冲压空气进入涡轮做功，输出的轴功率通过联轴器与发电机相连，带动发电机做功并发电，为飞机的机载设备提供所需的能量。

在高速飞机的飞行过程中，随着飞机的速度增大，从进气道所引的冲压空气的温度越高，从而超过冲压空气涡轮材料的耐温极限，导致冲压空气涡轮在工作时损坏。为保证冲压空气涡轮的正常工作，采用消耗性冷却工质液氮来冷却冲压空气，降低进入涡轮的冲压空气的温度，使涡轮可以正常工作，完成能源生成。

综上所述，为完成冲压空气涡轮的能源生成，需搭建一套冲压空气涡轮能源生成系统模型，该系统以较小的重量代价，通过液氮预冷和提取冲压空气涡轮的轴功率，为飞机提供所需的能源。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于AMEsim仿真平台的冲压空气涡轮能源生成系统建模仿真方法，从而实现对在设计阶段对冲压空气涡轮功率的仿真计算。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统建模仿真方法，包括如下步骤：

步骤一、搭建冲压空气涡轮能源生成系统仿真模型

冲压空气涡轮能源生成系统仿真模型包括混合气体元件1、干空气元件2、氮气元件3、动态元件4、飞行任务参数元件5、输出元件6、接收元件7、常数元件8、信号混合模型9、液氮入口参数源10、管道11、控制阀12、质量流量计13、一阶滞后元件14、PID控制元件15、删减结元件16、阀门17、增加元件18、潜热元件19、气体混合腔20、温度传感器21、冲压空气涡轮22、压力传感器23、冲压空气入口参数源24、出口参数源25。

混合气体元件1、干空气元件2、氮气元件3组成物性计算模块；动态元件4、飞行任务参数元件5、输出元件6依次相连，用于获得飞行任务下大气的各种参数，并通过接收元件7接收输出的大气参数；气体混合腔20、温度传感器21、冲压空气涡轮22、质量流量计13、压力传感器23通过管道11依次相连；动态元件4分别与冲压空气入口参数源24的T接口和P接口相连，常数元件8、信号混合模型9、冲压空气入口参数源24的X接口依次相连；常数元件8分别与液氮入口参数源10的T接口和P接口相连，常数元件8、信号混合模型9、液氮入口参数源10的X接口依次相连；冲压空气入口参数源24通过管道11和阀门17与气体混合腔20相连；液氮入口参数源10通过管道11和控制阀12与质量流量计13、气体混合腔20相连；质量流量计13、增加元件18、潜热元件19、气体混合腔20依次相连；温度传感器21、删减结元件16、PID控制元件15、一阶滞后元件14、控制阀12依次相连，常数元件8与删减结元件16的负接口相连；常数元件8与冲压空气涡轮22相连；压力传感器23、删减结元件16、PID控制元件15、一阶滞后元件14、控制阀12依次相连，动态元件4与删减结元件16的负接口相连；接收元件7依次与出口参数源25的T接口和P接口相连，常数元件8、信号混合模型9、出口参数源25依次相连，压力传感器23通过管道11依次连接控制阀12、出口参数源25。

步骤二、给元件分配子模型

利用AMEsim的Submodel模式，使用Premier submodel功能赋予每个元件子模型。

步骤三、设置各个元器件的属性

利用Parameter进行参数设置；混合气体元件1设置混合气体的组分数；干空气元件2设置空气的种类参数；氮气元件3设置氮气的种类参数；动态元件4根据需求给定动态参数；飞行任务参数元件5根据需求设置输出的参数种类；输出元件6设置输出参数的名称；接收元件7设置接收参数的名称；常数元件8根据需求给定常数；信号混合模型9采用AMEsim的默认值；液氮入口参数源10采用AMEsim的默认值；管道11设置管径、管长；控制阀12设置流量系数、最大开度面积；质量流量计13采用AMEsim的默认值；一阶滞后元件14设置滞后时间；PID控制元件15设置比例参数、微分参数、积分参数；删减结元件16采用AMEsim的默认值；阀门17设置流量系数、阀门面积；增加元件18采用AMEsim的默认值；潜热元件19采用AMEsim的默认值；气体混合腔20设置腔体的温度、压力和体积；温度传感器21采用AMEsim的默认值；冲压空气涡轮22当量面积、温度和压力；压力传感器23采用AMEsim的默认值；空气入口参数源24采用AMEsim的默认值；出口参数源25采用AMEsim的默认值。

步骤四、AMEsim运行仿真

利用Simulation模式，进入仿真模式，设置运行参数，然后开始仿真。

进一步的，冲压空气的气源来自于冲压发动机的进气道，具体引气位置通过温度值、压力值的设置体现。

进一步的，液氮的气源来自于携带上飞机的液氮罐，液氮的具体参数通过温度值、压力值的设置体现。

进一步的，采用PID控制元件15来控制液氮的流量以及系统的出口背压，PID控制基于如下数学模型；

式中，u(t)为控制器输出值；e(t)为当前的误差值；K

进一步的，所述动态元件4、常数元件8、管道11、气体混合腔20、冲压空气涡轮22，根据用户设定的数值进行设定、计算。

本发明的有益效果：利用本发明的一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统建模仿真方法，实现了对冲压空气涡轮能源生成系统完成模型的构建，实现了对冲压空气的引气，实现了液氮预冷，实现了对液氮流量的控制，实现了冲压空气涡轮的工作，实现了对系统的节流控制。

附图说明

图1是本发明所述一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统建模仿真方法的系统模型图。

图2是本发明所述一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统建模仿真方法实施例对各部件的温度变化曲线。

图3是本发明所述一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统建模仿真方法实施例对各部件的流量变化曲线。

图4是本发明所述一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统建模仿真方法实施例对涡轮的功率变化曲线。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

如图1所示，使用AMEsim软件中的混合气体元件1、干空气元件2、氮气元件3建立物性计算模块，设置系统中气体的物性；物性设置包括混合气体的组分数、干气体的物性参数、氮气的物性参数。

如图1所示，使用AMEsim中的动态元件4、飞行任务参数元件5、输出元件6、接收元件7建立大气参数计算模块，设置在对应飞行高度和马赫数下大气的气体速度、气体总温、气体总压、气体静温、气体静压。

如图1所示，使用AMEsim中的动态元件4、常数元件8、信号混合模型9、冲压空气入口参数源24建立冲压空气引气模块，设置冲压空气涡轮的总温、总压、气体组分，冲压空气进入气体混合腔中。

如图1所示，使用AMEsim中的常数元件8、信号混合模型9、液氮入口参数源10、质量流量计13、增加元件18、潜热元件19建立液氮喷雾预冷模块，设置液氮的总温、总压、气体组分，设置气体混合腔的各项参数包括气体混合腔的温度、压力、体积、腔内初始组分；液氮进入气体混合腔对超温的冲压空气进行冷却。

如图1所示，使用AMEsim中的温度传感器21、删减结元件16、常数元件8、一阶滞后元件14、PID控制元件15、控制阀12建立液氮流量PID控制模块，对液氮的流量进行控制，当冲压空气温度低于许用温度，液氮流量为0；当冲压空气温度高于许用温度，根据冲压空气温度的具体指，采用PID控制液氮的流量，PID控制基于如下数学模型：

式中，u(t)为控制器输出值；e(t)为当前的误差值；K

如图1所示，使用AMEsim中的气体混合腔20、冲压空气涡轮22建立冲压空气涡轮模块，设置冷却之后冲压空气与氮气的混合气体(即涡轮入口气体)的总温、总压，涡轮的转速，使涡轮开始工作。

如图1所示，使用AMEsim中的压力传感器23、动态元件4、一阶滞后元件14、PID控制元件15、删减结元件16、控制阀12建立节流模块，根据涡轮的出口压力调节出口管路控制阀的开度，确保气体可以排到大气。

如图1所示，使用AMEsim中的接收元件7、常数元件8、信号混合模型9、出口参数源25建立排气模块，设置大气的静温、静压和组分。

实施例1

根据所述的一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统，采用大气参数计算模块，输入飞行高度和马赫数随时间变化的动态参数，可获得该系统的大气环境温度曲线；采用冲压空气引气模块，输入冲压空气温度随时间变化的动态参数，可获得冲压空气的引气温度曲线；根据冲压空气的引起温度，采用液氮喷雾预冷模块对引起温度超过1200K的冲压空气进行预冷，使冲压空气涡轮的入口温度≯1200K，获得冲压空气涡轮的入口温度曲线；根据冲压空气涡轮的入口温度，采用冲压空气涡轮模块，工质对冲压空气涡轮做功，可获得冲压空气涡轮的出口温度曲线。综上所示，得到各部件的温度变化曲线如图2所示。

实施例2

根据所述的一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统，采用冲压空气引气模块，可获得冲压空气的引气流量曲线；采用液氮喷雾预冷模块和液氮流量PID控制模块，可获得液氮流量曲线，在液氮PID模块的控制下，液氮流量只在冲压空气涡轮超过1200K时大于0，冲压空气温度低于1200K时的液氮流量等于0；采用冲压空气涡轮模块，可获得涡轮的入口流量曲线，涡轮入口流量为冲压空气流量与液氮流量之和。综上所述，得到各部件的流量变化曲线如图3所示。

实施例3

根据所述的一种基于AMEsim的冲压空气涡轮能源生成系统，采用冲压空气涡轮模块，分别输入涡轮的入口温度、流量、压力、转速等参数，可获得涡轮的功率变化曲线如图4所示。在该系统参数的输入下，涡轮最大提取功率为148kW。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。