用GCK搭建涡轴发动机工程快速教学
搭建涡轴发动机工程
本工程是一个涡轴发动机，包含压气机、燃烧室、高压涡轮、低压动力涡轮。
建设一个服务于发动机稳定性主动控制的仿真计算平台，提供发动机整机模型，模型基于部件级模型搭建，具备稳态、过渡态仿真能力，支持发动机在涡喷涡扇、混合排气分别排气及加力非加力类型下的仿真功能。模型具备喷管收扩特性及矢量特性的模拟能力，其控制系统可实现发动机控制律。计算过程中，模型应按协议充分考虑发动机外部、内部降稳因子带来的稳定性变化，并对剩余稳定裕度进行评估。稳定性主动控制策略可根据对几何结构或供油量等参数的控制，实现发动机工作稳定性的改善，并以剩余稳定裕度为指标在仿真结果中体现。
搭建好的模型具备图形化建模界面，配置有标准仿真模块库并能实现飞发联合仿真。
2.1 工程设计
发动机模型基于GCK软件进行搭建，具备部件级建模能力，部件模型将以模型库文件形式储存。设计人员可通过本软件构建仿真模型的方式，采用拖拉标准模块实现，同时，可在模型界面直接修改相关参数。
发动机模型可利用GCK生成FMU导入GCAir实现发动机飞机联合仿真。
2.2 参数设计
通过热力学方程，本模型可以仿真涡轴发动机的稳态和动态显影。模型的参数和每个模块的输入输出描述：
3.1 压气机模型
压气机模块的入口压力等于进气道模型出口压力，而其出口压力通常在燃烧室模型中计算。
压气机模块根据压气机转速以及入口温度计算修正的无量纲转速：
我们使用二维插值表模块来求出质量流量，该模块近似于一个含有两个自变量和一个因变量的二维函数y=F（x1，x2），函数F可以理解为经验函数，通过查找或插入导入该模块中的值表来将输入映射到输出值。
将编辑好的csv文件，导入模块中，插值算法内部选择线性插值，外部选择持续最初/最末（若求得点超出样例范围，则取样例范围边界值），右侧的表格界面支持编辑，编辑成功后，源文件内容也会随之改变。
根据无量纲转速通过查表确定修正的无量纲质量流量再计算实际质量流量。
由参考转速以及参考质量流量通过查表确定压气机效率，再计算出口温度。
压气机模块还可以根据以及当前压比来确定是否发生喘振。
3.2 燃烧室模型
燃烧室模块根据出入口质量流量来确定燃烧室压力变化率，压力变化类似一阶延迟。
燃烧室模块另一个重要参数为燃烧室内空气和燃料的比例，简称空燃比。通过空燃比、入口温度查表确定ΔT（如下图所示），再计算整个燃烧室温度的变化率。
根据入口温度及空燃比确定出口温度，这是温度上的一阶滞后：
3.3 高压涡轮模型
模型首先根据入口压力、温度以及阻塞线斜率计算阻塞流量：
然后压比、修正的无量纲转速确定修正的无量纲质量流量，再查表确定涡轮效率η并计算无阻塞发生情况下的质量流量：
通过判断是否发生阻塞（若>则发生阻塞）来确定实际流量（取与中的较小值）。
最后确定涡轮出口温度以及涡轮 功率、扭矩：
3.4 压力延迟模块
高低压涡轮之间如果直接相互连接会存在代数环，在求解上有数值问题。因此，在高低压涡轮之间加入了一个压力延迟模型。在实际燃气涡轮机中，高低压涡轮间的气体流动也是需要时间的，因此该模型具有一定的物理意义。
模型中的压力延迟与燃烧室中的压力计算一致：
且该模型不考虑温度变化，温度直接传递到下游。
3.5 动力涡轮模型
动力涡轮是指位于燃气发生器后面的一个传动其他部件的涡轮，从燃气发生器出来的燃气流入这个涡轮中继续膨胀做功。
动力涡轮和高压涡轮原理公式一致，动力涡轮输入值为高压涡轮出口温度及压力延迟模块出口压力。
3.6 负载力矩
直升机的负载可能是一个旋翼或者发电机，这次我们做一个固定的负载，线性的力矩，做一个固定的变化。
设定一个变化率在-25%~25%的负载，如下图。在前30秒，低压涡轮输出扭矩会逐渐趋于设定的负载扭矩。在第30秒，给定一个阶跃为10000Nm的值，可以看到，低压的涡轮输出扭矩随着时间变化，慢慢与设定负载吻合。（数值显示了箭头所指点）
低压涡轮的转速随着时间变化，大约在27rad/s。在外部给定一个27rad/s的速度，与低压涡轮的转速做差，输出非常小的数值。在第30秒时，低压涡轮转速因为负载力矩的变化，从稳定变为下降，最终还是回到27rad/s的速度。
燃油量在第30秒处，也有一个跃升的趋势，最终趋于平缓。
通过PI控制器，去影响燃油的输入，而由于燃油的输出扭矩，也会影响到这个负载力矩。下图为N1转速和燃烧温度的变化。
工程师可在模块上选择要查看的仿真结果变量，然后在仿真结束后以2D曲线的形式展示。
本工程可以计算燃烧温度，燃烧压力，压气机和涡轮 功率等等：
5.1 直升机发动机
涡轴发动机由于高“功率密度”（功率/重量比高于许多其他类型的发动机，如活塞发动机）而被用于飞机上。
5.1.1 通用T700
AH-64A使用通用动力的T-700-GE-701涡轴发动机，属于T-700系列第一阶段改良的型号，总压比为17，每具的最大持续输出功率为1510马力，能以1698马力持续输出30分钟 （如起降阶段），在紧急情况下（例如只剩一具发动机）则能以1723马力的功率输出2.5分钟，比耗油率为78.7 ug/J。从1990年交机的第604架AH-64A开始，发动机换成T-700-GE-701C，这是T-700系列的第二阶段改良，总压比提高至18，最大持续输出功率增为1662马力，能以1800马力的功率持续输出30分钟，2.5分钟持续紧急出力提升为1940马力，比耗油率也降至77.6 ug/J。
5.1.2 国内航空发动机
•WZ8G涡轴发动机（引自法国阿赫耶-WZ8A改）：小功率涡轴，功率600千瓦，2005已年批量生产，用于直升机Z9 （AC312）、WZ19 系列、Z11（AC311）系列升级。
•WZ9涡轴发动机（自行研制）：中功率涡轴，功率1000千瓦，2009年已批量生产，用于直升机WZ10系列。
•WZ10涡轴发动机（自行研制）：大功率涡轴，功率1800千瓦，预计2015年批量生产，用于新型直升机（3发20T 级）。
•涡轴WZ11涡轴发动机（参照加拿大普惠PT6B-67B）：中功率涡轴，功率1500千瓦，预计2012年批量生产，用于直升机Z8F（AC313）、 Z20（9吨机）系列。
•WZ16涡轴发动机（与法国合作研制阿蒂丹3）：中功率涡轴，功率1200千瓦，预计2014年批量生产，用于直升机WZ10、Z15 （6吨机AC352）系列。
5.2 发电站
经过验证的SGT6-5000F燃气轮机提供经济的发电与快速启动和快速负荷变化的峰值、中间、或基本负荷。在全球范围内运行的SGT6-5000F燃气轮机的可靠性达到了99.2%。其优异的燃料灵活性使其成为石油和天然气工业中许多应用的最佳选择。SGT6-5000F提供了世界级的排放性能。
出色的操作灵活性和可靠性
SGT6-5000F燃气轮机是一款经过验证的60Hz市场发动机，输出功率高达260mw，简单循环效率为40.0%。由于其强大的涡轮设计，它提供了快速启动和关闭能力，从转向齿轮到全速仅需要5分钟，负载梯度高达40mw/min。
最低排放60赫兹f级
由于其先进的燃烧技术，可以实现基数和部分负荷的个位数排放：NOx排放<9ppmvd，CO排放<4ppmvd。SGT6-5000F可以在30%的部分负载低负荷下降，在广泛的环境条件下，在排放限值。
经过验证的材料和适中的烧成温度
通过使用成熟的技术，低烧成温度和传统铸造合金，该燃气轮机实现了卓越的可用性。其强大的涡轮设计不断增强高性能升级。
5.3 飞机螺旋桨发动机
空客A400M：A400M安装四台欧洲涡桨国际公司（EPI，由西班牙ITP、德国MTU、英国罗罗、法国斯奈克玛组成的合资公司）制造的TP400-D6涡桨发动机。单台海平面最大功率约为11000轴马力，是前苏联之外研制的功率最大的涡桨发动机。与C-130上的发动机相比，TP400的慢车功率就超过了艾里逊T56的起飞功率。
A400M把螺旋桨的控制系统也综合到了全权限数字式发动机控制系统之中，这是世界首创，可自动控制桨叶的运行状态，使螺旋桨始终保持在一个恒定、最佳的效率速度，并具有过速保护、喘振监测和恢复、螺旋桨自动变距和自动顺桨功能。
该发动机与FH386八叶螺旋桨组合，表现出了惊人的飞行性能，A400M既可以在11300米的高空在0.68-0.72马赫之间高速巡航，也可以在空投或为直升机空中加油机时以110节（200公里/小时）的低速飞行。
四具螺旋桨的旋转方向两两相反（1号和3号顺时针旋转，2号和4号逆时针旋转），这种设计可抵消螺旋桨的扭矩，降低了振动和噪音，改善了飞机的操纵性，减少了垂尾和平尾面积，显著降低飞机重量。
5.4 船舶动力系统
对于航运业来说，燃气轮机的优势一直被劣势所掩盖。主要是高燃料和初始成本使其成为船东没有吸引力的选择。涡轮机是从流体流中吸收动能的轮子。水、蒸汽、空气是一些流体。涡轮机的形式可以是风车、水电站大坝的水轮机，或者是飞机机翼下更复杂的蒸汽轮机或涡轮风扇。
世界上最强大的现役船用燃气轮机，MT30集成了世界领先的船用燃气轮机技术，为作业者提供了效率和可靠性，并具有市场领先的功率重量比。与同级别的气动燃气轮机相比，MT30的零部件数量减少了约50%，以最大限度地降低维护成本，它有一个双阀芯、高压比燃气发电机和自由动力涡轮。它的运行效率可维持在25MW以下，可配置为机械、电气或混合驱动配置。经过海上验证，MT30于2008年开始服役，为美国海军第一艘级濒海战斗舰“自由号”提供动力。
