设计未来:

虚拟建模如何重新定义喷气发动机

的UltraFan®演示项目将为民用航空带来根本性的突破——以下是数字技术如何实现这一突破的

1687年,英国数学家艾萨克·牛顿发表了他的运动三定律。这些概念包括运动中的物体除非受到另一种力(如重力)的作用,否则就会保持运动状态。第二定律是物体受到更大的推力时,会移动得更远更快。

今天,在民用航空领域,我们仍然受到牛顿最初提出的规则的约束。但尽管我们都受到物理定律的限制,人类的聪明才智还是找到了开发的机会。

这种理解让我们可以对抗重力。

例如,空气流动得越快,其压力就越低。因此,飞机机翼的设计是为了让空气更快地通过顶部两侧,在机翼下方产生更高的压力,从而使机翼上升。当然,如果没有巨大的动力来推动飞机前进,这些都不会起作用。利用这种能量是一件棘手的事情,但对于UltraFan的总工程师兼项目主管安迪·吉尔来说,这是他的工作。

将物理学推向极限

根据GEER,有一种简化的方法来了解今天高效的Thanoofan Jet Engine如何工作:通过向后推出大量空气来创造前推力。

一个大型民用涡扇发动机几乎所有的推力都是通过它非常明显的、非常大的风扇产生的。这个风扇将大量冷空气以相对较低的速度向后推。最近,新技术允许这种风扇的直径增加,而不增加重量或造成效率损失。这使得更大的发动机可以以较低的速度转换更高质量的空气——这就是所谓的“推进效率”的改进。

在发动机的中央深处是一个更小、功率密度更大的核心,它将空气通过风扇根部吸入发动机的压缩机,在那里空气被增压。燃料与燃烧器中的压缩气流混合,然后点燃。这种动力产生了一种高压,高温的气体流入核心的尾部,即热涡轮。

接下来,涡轮机从这种高温加压的气体流中提取能量。这种力使核心旋转,驱动产生推力的风扇。改进后的核心技术允许在更高的压力和温度下运行,而产生所需推力所需的燃料更少——即所谓的“热效率”。正是这种推力使得飞机能够(相对不受重力影响)飞行。

虽然我们早已破解了这些基本的飞行机制,但仍有许多新的挑战需要解决。现在,我们继续将物理学推向其极限,以创造更清洁、更高效的发动机——在推进和热效率领域都使用数字技术。

吉尔和他的团队面临的主要挑战是如何让下一代发动机更高效地运行,并降低燃料消耗。根据吉尔的说法,我们可能非常接近目前大型航空发动机架构的效率极限。

换句话说,我们需要重新思考我们设计它们的方式。

随着环境改善的目标比以往任何时候都更加艰巨,这是航空业首要考虑的问题。

我们的首席执行官沃伦•伊斯特表示:“我坚信,在解决这一问题上,世界上没有哪家公司能比劳斯莱斯更合适了。”beplay 行业的标杆

“作为工业技术的领导者,我们希望利用自己的能力,让其他公司也能这样做。我们将更快地在那里建立自己的工厂和设施,2030年,但这正在减少我们产品的影响,特别是那些航空服务产品,这是最大的挑战所在,”他补充说。

在设计UltraFan时,吉尔预测市场需求,试图回应这一呼声。UltraFan是一款正在开发中的发动机概念,其特点是大型民用发动机的一个新部件。

吉尔说:“涡轮机在高速高温下运行时效率最高。”“风扇在低速运行时效率最高。最终,你想让风扇慢下来,同时保持驱动它高速运行的涡轮。”

目前,我们的喷气发动机是“直接驱动”的,所以两者之间的一根轴使风扇和涡轮机以相同的速度转动。但为了让发动机更高效地运转,风扇和涡轮机需要以不同的速度运行。幸运的是,吉尔和他的团队对这个问题采用了一种优雅的解决方案。

“要做到这一点,你必须在中间安装一个功率非常大的变速箱。”

在创建动力齿轮箱时可能似乎足够简单,喷气发动机是一个精心调整的系统 - 并且已经非常精细调整。向这种复杂的拼图添加一个新件令人难以置信的要求。它代表了喷气发动机设计的深远偏移。

而尖端的数字技术,如虚拟建模,使之成为可能。

关于虚拟建模的4个事实

1.虚拟建模是一个组件或部件的完全虚拟表示。

2.这项技术可以用来建立它们所代表的对象的物理原型。

3.这些物体的数字表示可以作为模拟制造过程和结构行为的基础。

4.虚拟模型在许多行业中都有很多应用——从视频游戏开发到架构。

虚拟建模和尖端航空技术

吉尔说,虚拟建模和简单地在电脑上设计东西之间的区别是巨大的。

他说:“我认为不同之处在于,当你转向虚拟建模时,你是在将这种理解扩展到功能领域。”“换句话说,不仅仅是组件的几何形状,还包括它们如何操作,它们如何相互作用。”

吉尔说,喷气发动机是一个高度集成的系统。所有的部件都会影响其他部件的性能。因此,要了解它们是如何一起工作的,您需要运行测试。通过模拟和预测其性能,虚拟建模允许概念引擎设计在这些部件的物理实现之前进行测试。

吉尔说:“换句话说,你不仅可以对组件的几何形状建模,还可以对它们如何操作,它们如何相互作用进行建模。”“我们现在所处的位置是,你可以实时或接近实时地模拟非常复杂的系统及其动态行为,并将其作为设计实践的一部分。”

基本上,你不需要建造一个东西来看看它是如何工作的。这些模型配备了许多tb的数据,可以预测新的设计将如何运行,吉尔表示,这对开发UltraFan的动力变速箱至关重要。但他警告说,就发动机概念而言,这种尖端的全尺寸发动机模型还没有完全赶上。

“UltraFan是一款相当新颖的车型,所以这款车型完全代表的期望可能并不现实。你会得到一些惊喜;你会得到一些紧急行为。如果你在做一件你已经有很多经验的事情,而且你只做了相对较小的修改,那么预期模型完全预测行为就更合理了。”

然而吉尔的武库中还有更多的技术,比如增材层制造(ALM),一种3D打印技术。

吉尔说:“在设计阶段,我们有时会使用增材层制造来模拟几何形状。”“我们可能会在电子数字环境中开始,但随后我们可能会在塑料中实际实现它。”

这是一个从数字到实体,然后再回到数字的问题——等等。

IntelligentEngine愿景

我们的引擎开发现在围绕着一个单一的愿景:智能引擎。

“我们正在推动数字化的数字,以塑造我们在设计,测试,生产和服务方面所做的一切,”我们的民间航天司总裁Chris Cholerton表示。“这样的发展是确保我们使智能期能为客户提供进一步的利益。”

UltraFan是实现这一愿景的最好例子。因为今天,不像17世纪的牛顿,数字技术可以增强我们对物理世界的理解。工程师们现在可以用数百万个数据点来测试新的设计和概念。随着数字技术的不断进步,我们对更高效引擎的开发也在不断进步。

虚拟造型

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