src/FDM/JSBSim/FGPropeller.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGPropeller.cpp
   4  Author:       Jon S. Berndt
   5  Date started: 08/24/00
   6  Purpose:      Encapsulates the propeller object
   7
   8  ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) -------------
   9
  10  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  11  the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
  12  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  13  version.
  14
  15  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  16  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  17  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
  18  details.
  19
  20  You should have received a copy of the GNU General Public License along with
  21  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  22  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  23
  24  Further information about the GNU General Public License can also be found on
  25  the world wide web at http://www.gnu.org.
  26
  27 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  28 --------------------------------------------------------------------------------
  29
  30 HISTORY
  31 --------------------------------------------------------------------------------
  32 08/24/00  JSB  Created
  33
  34 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  35 INCLUDES
  36 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  37
  38 #include "FGPropeller.h"
  39 #include "FGFCS.h"
  40
  41 namespace JSBSim {
  42
  43 static const char *IdSrc = "$Id$";
  44 static const char *IdHdr = ID_PROPELLER;
  45
  46 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  47 CLASS IMPLEMENTATION
  48 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  49
  50 // This class currently makes certain assumptions when calculating torque and
  51 // p-factor. That is, that the axis of rotation is the X axis of the aircraft -
  52 // not just the X-axis of the engine/propeller. This may or may not work for a
  53 // helicopter.
  54
  55 FGPropeller::FGPropeller(FGFDMExec* exec, FGConfigFile* Prop_cfg) : FGThruster(exec)
  56 {
  57   string token;
  58   int rows, cols;
  59
  60   MaxPitch = MinPitch = P_Factor = Sense = Pitch = 0.0;
  61
  62   Name = Prop_cfg->GetValue("NAME");
  63   Prop_cfg->GetNextConfigLine();
  64   while (Prop_cfg->GetValue() != string("/FG_PROPELLER")) {
  65     *Prop_cfg >> token;
  66     if (token == "IXX") {
  67       *Prop_cfg >> Ixx;
  68     } else if (token == "DIAMETER") {
  69       *Prop_cfg >> Diameter;
  70       Diameter /= 12.0;
  71     } else if (token == "NUMBLADES") {
  72       *Prop_cfg >> numBlades;
  73     } else if (token == "MINPITCH") {
  74       *Prop_cfg >> MinPitch;
  75     } else if (token == "MAXPITCH") {
  76       *Prop_cfg >> MaxPitch;
  77     } else if (token == "MINRPM") {
  78       *Prop_cfg >> MinRPM;
  79     } else if (token == "MAXRPM") {
  80       *Prop_cfg >> MaxRPM;
  81     } else if (token == "C_THRUST") {
  82       *Prop_cfg >> rows >> cols;
  83       if (cols == 1) cThrust = new FGTable(rows);
  84       else           cThrust = new FGTable(rows, cols);
  85       *cThrust << *Prop_cfg;
  86     } else if (token == "C_POWER") {
  87       *Prop_cfg >> rows >> cols;
  88       if (cols == 1) cPower = new FGTable(rows);
  89       else           cPower = new FGTable(rows, cols);
  90       *cPower << *Prop_cfg;
  91     } else if (token == "EOF") {
  92       cerr << "      End of file reached" <<  endl;
  93       break;
  94     } else {
  95       cerr << "Unhandled token in Propeller config file: " << token << endl;
  96     }
  97   }
  98
  99   Type = ttPropeller;
 100   RPM = 0;
 101   vTorque.InitMatrix();
 102
 103   Debug(0);
 104 }
 105
 106 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 107
 108 FGPropeller::~FGPropeller()
 109 {
 110   if (cThrust)    delete cThrust;
 111   if (cPower)     delete cPower;
 112   Debug(1);
 113 }
 114
 115 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 116 //
 117 // We must be getting the aerodynamic velocity here, NOT the inertial velocity.
 118 // We need the velocity with respect to the wind.
 119 //
 120 // Note that PowerAvailable is the excess power available after the drag of the
 121 // propeller has been subtracted. At equilibrium, PowerAvailable will be zero -
 122 // indicating that the propeller will not accelerate or decelerate.
 123 // Remembering that Torque * omega = Power, we can derive the torque on the
 124 // propeller and its acceleration to give a new RPM. The current RPM will be
 125 // used to calculate thrust.
 126 //
 127 // Because RPM could be zero, we need to be creative about what RPM is stated as.
 128
 129 double FGPropeller::Calculate(double PowerAvailable)
 130 {
 131   double J, C_Thrust, omega;
 132   double Vel = fdmex->GetTranslation()->GetAeroUVW(eU);
 133   double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
 134   double RPS = RPM/60.0;
 135   double alpha, beta;
 136
 137   if (RPM > 0.10) {
 138     J = Vel / (Diameter * RPS);
 139   } else {
 140     J = 0.0;
 141   }
 142
 143   if (MaxPitch == MinPitch) { // Fixed pitch prop
 144     C_Thrust = cThrust->GetValue(J);
 145   } else {                    // Variable pitch prop
 146     C_Thrust = cThrust->GetValue(J, Pitch);
 147   }
 148
 149   if (P_Factor > 0.0001) {
 150     alpha = fdmex->GetTranslation()->Getalpha();
 151     beta  = fdmex->GetTranslation()->Getbeta();
 152     SetActingLocationY( GetLocationY() + P_Factor*alpha*Sense);
 153     SetActingLocationZ( GetLocationZ() + P_Factor*beta*Sense);
 154   } else if (P_Factor < 0.000) {
 155     cerr << "P-Factor value in config file must be greater than zero" << endl;
 156   }
 157
 158   Thrust = C_Thrust*RPS*RPS*Diameter*Diameter*Diameter*Diameter*rho;
 159   omega = RPS*2.0*M_PI;
 160
 161   // Check for windmilling.
 162   double radius = Diameter * 0.375; // 75% of radius
 163   double windmill_cutoff = tan(Pitch * 1.745329E-2) * omega * radius;
 164   if (Vel > windmill_cutoff)
 165     Thrust = -Thrust;
 166
 167   vFn(1) = Thrust;
 168
 169   // The Ixx value and rotation speed given below are for rotation about the
 170   // natural axis of the engine. The transform takes place in the base class
 171   // FGForce::GetBodyForces() function.
 172
 173   vH(eX) = Ixx*omega*Sense;
 174   vH(eY) = 0.0;
 175   vH(eZ) = 0.0;
 176
 177   if (omega <= 5) omega = 1.0;
 178
 179   ExcessTorque = PowerAvailable / omega;
 180   RPM = (RPS + ((ExcessTorque / Ixx) / (2.0 * M_PI)) * deltaT) * 60.0;
 181
 182                                 // The friction from the engine should
 183                                 // stop it somewhere; I chose an
 184                                 // arbitrary point.
 185   if (RPM < 5.0)
 186     RPM = 0;
 187
 188   vMn = fdmex->GetRotation()->GetPQR()*vH + vTorque*Sense;
 189
 190   return Thrust; // return thrust in pounds
 191 }
 192
 193 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 194
 195 double FGPropeller::GetPowerRequired(void)
 196 {
 197   if (RPM <= 0.10) return 0.0; // If the prop ain't turnin', the fuel ain't burnin'.
 198
 199   double cPReq, RPS = RPM / 60.0;
 200
 201   double J = fdmex->GetTranslation()->GetAeroUVW(eU) / (Diameter * RPS);
 202   double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
 203
 204   if (MaxPitch == MinPitch) { // Fixed pitch prop
 205     Pitch = MinPitch;
 206     cPReq = cPower->GetValue(J);
 207   } else {                    // Variable pitch prop
 208     double advance = fdmex->GetFCS()->GetPropAdvance(ThrusterNumber);
 209
 210     if (MaxRPM != MinRPM) {   // fixed-speed prop
 211       double rpmReq = MinRPM + (MaxRPM - MinRPM) * advance;
 212       double dRPM = rpmReq - RPM;
 213
 214       Pitch -= dRPM / 10;
 215
 216       if (Pitch < MinPitch)       Pitch = MinPitch;
 217       else if (Pitch > MaxPitch)  Pitch = MaxPitch;
 218
 219     } else {
 220       Pitch = MaxPitch - (MaxPitch - MinPitch) * advance;
 221     }
 222     cPReq = cPower->GetValue(J, Pitch);
 223   }
 224
 225   PowerRequired = cPReq*RPS*RPS*RPS*Diameter*Diameter*Diameter*Diameter
 226                                                        *Diameter*rho;
 227   vTorque(eX) = -Sense*PowerRequired / (RPS*2.0*M_PI);
 228
 229   return PowerRequired;
 230 }
 231
 232 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 233
 234 FGColumnVector3 FGPropeller::GetPFactor()
 235 {
 236   double px=0.0, py, pz;
 237
 238   py = Thrust * Sense * (GetActingLocationY() - GetLocationY()) / 12.0;
 239   pz = Thrust * Sense * (GetActingLocationZ() - GetLocationZ()) / 12.0;
 240
 241   return FGColumnVector3(px, py, pz);
 242 }
 243
 244 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 245 //    The bitmasked value choices are as follows:
 246 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 247 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 248 //       the config files as they are read. If the environment
 249 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 250 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 251 //       whatsoever.
 252 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 253 //       startup messages
 254 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 255 //       a class is instantiated
 256 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 257 //       FGModel object executes its Run() method
 258 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 259 //       are printed out periodically
 260 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 261 //       a message is printed out when they go out of bounds
 262
 263 void FGPropeller::Debug(int from)
 264 {
 265   if (debug_lvl <= 0) return;
 266
 267   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 268     if (from == 0) { // Constructor
 269       cout << "\n    Propeller Name: " << Name << endl;
 270       cout << "      IXX = " << Ixx << endl;
 271       cout << "      Diameter = " << Diameter << " ft." << endl;
 272       cout << "      Number of Blades  = " << numBlades << endl;
 273       cout << "      Minimum Pitch  = " << MinPitch << endl;
 274       cout << "      Maximum Pitch  = " << MaxPitch << endl;
 275       cout << "      Thrust Coefficient: " <<  endl;
 276       cThrust->Print();
 277       cout << "      Power Coefficient: " <<  endl;
 278       cPower->Print();
 279     }
 280   }
 281   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 282     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGPropeller" << endl;
 283     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGPropeller" << endl;
 284   }
 285   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 286   }
 287   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 288   }
 289   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 290   }
 291   if (debug_lvl & 64) {
 292     if (from == 0) { // Constructor
 293       cout << IdSrc << endl;
 294       cout << IdHdr << endl;
 295     }
 296   }
 297 }
 298 }