Gas Turbine Engine Off-Design Calculations Using Matlab

Cálculos de motores de turbina de gas fuera de diseño usando Matlab

Es una práctica común, no sólo en la turbomaquinaria, utilizar tablas de búsqueda en los modelos de motores para describir algunas características. Estas características suelen estar disponibles en forma gráfica de un diagrama con múltiples gráficos que antes se utilizaban en los cálculos para la lectura manual. Utilizando un ejemplo de cálculo de mapas de compresores centrífugos, este documento muestra cómo un diagrama con múltiples gráficos puede transformarse en una tabla de consulta que se utiliza en el cálculo automático.

1. Introducción

Durante el diseño y el ciclo de vida de un motor de turbina de gas, se utilizan varios tipos de modelos de cálculo. Al principio se construye un modelo estático no lineal detallado para investigar las características del motor en todas las condiciones de trabajo posibles. Más tarde, a partir del modelo estático se desarrolla un modelo dinámico no lineal para el análisis de los transitorios del motor y el rendimiento del controlador. Para el diseño y prueba del controlador, se utilizan modelos dinámicos lineales simplificados y modelos dinámicos en tiempo real [1]. Los modelos mencionados anteriormente utilizan, además de ecuaciones algebraicas y diferenciales, también gráficos o tablas en cierta medida. Los gráficos se utilizan para describir las propiedades de los componentes constitutivos del motor o del motor de turbina de gas en su conjunto. Describen de manera fácil e inteligible incluso dependencias complicadas, no lineales y multivariables. Anteriormente utilizadas para la lectura manual, hoy en día las características se implementan en el cálculo en forma de tablas de búsqueda que permiten cubrir las no linealidades, las dependencias de múltiples variables y al mismo tiempo mantener bajo el tiempo de cálculo.

En el presente documento se describe cómo pueden automatizarse los métodos de cálculo habituales en Matlab, incluida la transformación de múltiples diagramas gráficos en tablas de consulta.

En el capítulo 2 se describe un ejemplo de una técnica de cálculo de una nueva característica de un compresor centrífugo. Este método incluye muchas lecturas manuales de los diagramas y varios pasos de iteración también y por lo tanto es bastante laborioso. En el Capítulo 3 se muestra cómo los diagramas con múltiples diagramas paramétricos pueden ser utilizados en tal cálculo, digitalizados y transformados en variables matriciales estructuradas multidimensionales que son utilizadas en un cálculo automático de un nuevo mapa del compresor. La definición de las variables estructuradas y el cálculo automático se realizó en un entorno Matlab. En el capítulo 4 se describen otras posibilidades de cálculos automáticos utilizando variables matriciales estructuradas multidimensionales en consideraciones de motores de turbina de gas (GTE) fuera de diseño.​

2. Cálculo de las características de los compresores centrífugos

Las características de los principales componentes del motor (es decir, la entrada, el compresor, la cámara de combustión y la tobera de escape del extremo de la turbina) son necesarias para la ejecución de los cálculos de rendimiento fuera de diseño. Sin embargo, estos componentes no existen en la fase inicial del proceso de diseño y, por lo tanto, no se puede acceder a sus mapas reales. Las características simples, por ejemplo, de la tobera de escape, podrían calcularse de manera relativamente sencilla, a partir de las dimensiones principales definidas por el ciclo de diseño del motor de turbina de gas; sin embargo, el funcionamiento de un compresor o de una turbina es mucho más complicado y, por lo tanto, sus características también son bastante complejas.​