src/FDM/JSBSim/models/propulsion/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 (jon@jsbsim.org) -------------
   9
  10  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  11  the terms of the GNU Lesser 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 Lesser General Public License for more
  18  details.
  19
  20  You should have received a copy of the GNU Lesser 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 Lesser 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 <iostream>
  39 #include <sstream>
  40
  41 #include "FGPropeller.h"
  42 #include "models/FGPropagate.h"
  43 #include "models/FGAtmosphere.h"
  44 #include "models/FGAuxiliary.h"
  45 #include "input_output/FGXMLElement.h"
  46
  47 using namespace std;
  48
  49 namespace JSBSim {
  50
  51 static const char *IdSrc = "$Id: FGPropeller.cpp,v 1.32 2010/10/21 03:27:40 jberndt Exp $";
  52 static const char *IdHdr = ID_PROPELLER;
  53
  54 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  55 CLASS IMPLEMENTATION
  56 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  57
  58 // This class currently makes certain assumptions when calculating torque and
  59 // p-factor. That is, that the axis of rotation is the X axis of the aircraft -
  60 // not just the X-axis of the engine/propeller. This may or may not work for a
  61 // helicopter.
  62
  63 FGPropeller::FGPropeller(FGFDMExec* exec, Element* prop_element, int num)
  64                        : FGThruster(exec, prop_element, num)
  65 {
  66   string token;
  67   Element *table_element, *local_element;
  68   string name="";
  69   FGPropertyManager* PropertyManager = exec->GetPropertyManager();
  70
  71   MaxPitch = MinPitch = P_Factor = Pitch = Advance = MinRPM = MaxRPM = 0.0;
  72   Sense = 1; // default clockwise rotation
  73   ReversePitch = 0.0;
  74   Reversed = false;
  75   Feathered = false;
  76   Reverse_coef = 0.0;
  77   GearRatio = 1.0;
  78   CtFactor = CpFactor = 1.0;
  79   ConstantSpeed = 0;
  80   cThrust = cPower = CtMach = CpMach = 0;
  81   Vinduced = 0.0;
  82
  83   if (prop_element->FindElement("ixx"))
  84     Ixx = prop_element->FindElementValueAsNumberConvertTo("ixx", "SLUG*FT2");
  85   if (prop_element->FindElement("diameter"))
  86     Diameter = prop_element->FindElementValueAsNumberConvertTo("diameter", "FT");
  87   if (prop_element->FindElement("numblades"))
  88     numBlades = (int)prop_element->FindElementValueAsNumber("numblades");
  89   if (prop_element->FindElement("gearratio"))
  90     GearRatio = prop_element->FindElementValueAsNumber("gearratio");
  91   if (prop_element->FindElement("minpitch"))
  92     MinPitch = prop_element->FindElementValueAsNumber("minpitch");
  93   if (prop_element->FindElement("maxpitch"))
  94     MaxPitch = prop_element->FindElementValueAsNumber("maxpitch");
  95   if (prop_element->FindElement("minrpm"))
  96     MinRPM = prop_element->FindElementValueAsNumber("minrpm");
  97   if (prop_element->FindElement("maxrpm")) {
  98     MaxRPM = prop_element->FindElementValueAsNumber("maxrpm");
  99     ConstantSpeed = 1;
 100     }
 101   if (prop_element->FindElement("constspeed"))
 102     ConstantSpeed = (int)prop_element->FindElementValueAsNumber("constspeed");
 103   if (prop_element->FindElement("reversepitch"))
 104     ReversePitch = prop_element->FindElementValueAsNumber("reversepitch");
 105   for (int i=0; i<2; i++) {
 106     table_element = prop_element->FindNextElement("table");
 107     name = table_element->GetAttributeValue("name");
 108     try {
 109       if (name == "C_THRUST") {
 110         cThrust = new FGTable(PropertyManager, table_element);
 111       } else if (name == "C_POWER") {
 112         cPower = new FGTable(PropertyManager, table_element);
 113       } else if (name == "CT_MACH") {
 114         CtMach = new FGTable(PropertyManager, table_element);
 115       } else if (name == "CP_MACH") {
 116         CpMach = new FGTable(PropertyManager, table_element);
 117       } else {
 118         cerr << "Unknown table type: " << name << " in propeller definition." << endl;
 119       }
 120     } catch (std::string str) {
 121       throw("Error loading propeller table:" + name + ". " + str);
 122     }
 123   }
 124
 125   local_element = prop_element->GetParent()->FindElement("sense");
 126   if (local_element) {
 127     double Sense = local_element->GetDataAsNumber();
 128     SetSense(fabs(Sense)/Sense);
 129   }
 130   local_element = prop_element->GetParent()->FindElement("p_factor");
 131   if (local_element) {
 132     P_Factor = local_element->GetDataAsNumber();
 133   }
 134   if (P_Factor < 0) {
 135     cerr << "P-Factor value in config file must be greater than zero" << endl;
 136   }
 137   if (prop_element->FindElement("ct_factor"))
 138     SetCtFactor( prop_element->FindElementValueAsNumber("ct_factor") );
 139   if (prop_element->FindElement("cp_factor"))
 140     SetCpFactor( prop_element->FindElementValueAsNumber("cp_factor") );
 141
 142   Type = ttPropeller;
 143   RPM = 0;
 144   vTorque.InitMatrix();
 145   D4 = Diameter*Diameter*Diameter*Diameter;
 146   D5 = D4*Diameter;
 147   Pitch = MinPitch;
 148
 149   string property_name, base_property_name;
 150   base_property_name = CreateIndexedPropertyName("propulsion/engine", EngineNum);
 151   property_name = base_property_name + "/advance-ratio";
 152   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), &J );
 153   property_name = base_property_name + "/blade-angle";
 154   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), &Pitch );
 155   property_name = base_property_name + "/thrust-coefficient";
 156   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGPropeller::GetThrustCoefficient );
 157   property_name = base_property_name + "/propeller-rpm";
 158   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGPropeller::GetRPM );
 159   property_name = base_property_name + "/helical-tip-Mach";
 160   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGPropeller::GetHelicalTipMach );
 161   property_name = base_property_name + "/constant-speed-mode";
 162   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGPropeller::GetConstantSpeed,
 163                       &FGPropeller::SetConstantSpeed );
 164   property_name = base_property_name + "/prop-induced-velocity_fps";
 165   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGPropeller::GetInducedVelocity,
 166                       &FGPropeller::SetInducedVelocity );
 167
 168   Debug(0);
 169 }
 170
 171 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 172
 173 FGPropeller::~FGPropeller()
 174 {
 175   delete cThrust;
 176   delete cPower;
 177   delete CtMach;
 178   delete CpMach;
 179
 180   Debug(1);
 181 }
 182
 183 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 184 //
 185 // We must be getting the aerodynamic velocity here, NOT the inertial velocity.
 186 // We need the velocity with respect to the wind.
 187 //
 188 // Note that PowerAvailable is the excess power available after the drag of the
 189 // propeller has been subtracted. At equilibrium, PowerAvailable will be zero -
 190 // indicating that the propeller will not accelerate or decelerate.
 191 // Remembering that Torque * omega = Power, we can derive the torque on the
 192 // propeller and its acceleration to give a new RPM. The current RPM will be
 193 // used to calculate thrust.
 194 //
 195 // Because RPM could be zero, we need to be creative about what RPM is stated as.
 196
 197 double FGPropeller::Calculate(double PowerAvailable)
 198 {
 199   double omega, alpha, beta;
 200
 201   double Vel = fdmex->GetAuxiliary()->GetAeroUVW(eU);
 202   double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
 203   double RPS = RPM/60.0;
 204
 205   // Calculate helical tip Mach
 206   double Area = 0.25*Diameter*Diameter*M_PI;
 207   double Vtip = RPS * Diameter * M_PI;
 208   HelicalTipMach = sqrt(Vtip*Vtip + Vel*Vel) /
 209                    fdmex->GetAtmosphere()->GetSoundSpeed();
 210
 211   if (RPS > 0.0) J = Vel / (Diameter * RPS); // Calculate J normally
 212   else           J = Vel / Diameter;
 213
 214   if (MaxPitch == MinPitch) {    // Fixed pitch prop
 215          ThrustCoeff = cThrust->GetValue(J);
 216   } else {                       // Variable pitch prop
 217          ThrustCoeff = cThrust->GetValue(J, Pitch);
 218   }
 219
 220   // Apply optional scaling factor to Ct (default value = 1)
 221   ThrustCoeff *= CtFactor;
 222
 223   // Apply optional Mach effects from CT_MACH table
 224   if (CtMach) ThrustCoeff *= CtMach->GetValue(HelicalTipMach);
 225
 226   if (P_Factor > 0.0001) {
 227     alpha = fdmex->GetAuxiliary()->Getalpha();
 228     beta  = fdmex->GetAuxiliary()->Getbeta();
 229     SetActingLocationY( GetLocationY() + P_Factor*alpha*Sense);
 230     SetActingLocationZ( GetLocationZ() + P_Factor*beta*Sense);
 231   }
 232
 233   Thrust = ThrustCoeff*RPS*RPS*D4*rho;
 234
 235   // From B. W. McCormick, "Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Mechanics"
 236   // first edition, eqn. 6.15 (propeller analysis chapter).
 237   Vinduced = 0.5 * (-Vel + sqrt(Vel*Vel + 2.0*Thrust/(rho*Area)));
 238
 239   omega = RPS*2.0*M_PI;
 240
 241   vFn(1) = Thrust;
 242
 243   // The Ixx value and rotation speed given below are for rotation about the
 244   // natural axis of the engine. The transform takes place in the base class
 245   // FGForce::GetBodyForces() function.
 246
 247   vH(eX) = Ixx*omega*Sense;
 248   vH(eY) = 0.0;
 249   vH(eZ) = 0.0;
 250
 251   if (omega > 0.0) ExcessTorque = PowerAvailable / omega;
 252   else             ExcessTorque = PowerAvailable / 1.0;
 253
 254   RPM = (RPS + ((ExcessTorque / Ixx) / (2.0 * M_PI)) * deltaT) * 60.0;
 255
 256   if (RPM < 0.0) RPM = 0.0; // Engine won't turn backwards
 257
 258   // Transform Torque and momentum first, as PQR is used in this
 259   // equation and cannot be transformed itself.
 260   vMn = fdmex->GetPropagate()->GetPQR()*(Transform()*vH) + Transform()*vTorque;
 261
 262   return Thrust; // return thrust in pounds
 263 }
 264
 265 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 266
 267 double FGPropeller::GetPowerRequired(void)
 268 {
 269   double cPReq, J;
 270   double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
 271   double Vel = fdmex->GetAuxiliary()->GetAeroUVW(eU);
 272   double RPS = RPM / 60.0;
 273
 274   if (RPS != 0.0) J = Vel / (Diameter * RPS);
 275   else            J = Vel / Diameter;
 276
 277   if (MaxPitch == MinPitch) {   // Fixed pitch prop
 278     cPReq = cPower->GetValue(J);
 279
 280   } else {                      // Variable pitch prop
 281
 282     if (ConstantSpeed != 0) {   // Constant Speed Mode
 283
 284       // do normal calculation when propeller is neither feathered nor reversed
 285       // Note:  This method of feathering and reversing was added to support the
 286       //        turboprop model.  It's left here for backward compatablity, but
 287       //        now feathering and reversing should be done in Manual Pitch Mode.
 288       if (!Feathered) {
 289         if (!Reversed) {
 290
 291           double rpmReq = MinRPM + (MaxRPM - MinRPM) * Advance;
 292           double dRPM = rpmReq - RPM;
 293           // The pitch of a variable propeller cannot be changed when the RPMs are
 294           // too low - the oil pump does not work.
 295           if (RPM > 200) Pitch -= dRPM * deltaT;
 296           if (Pitch < MinPitch)       Pitch = MinPitch;
 297           else if (Pitch > MaxPitch)  Pitch = MaxPitch;
 298
 299         } else { // Reversed propeller
 300
 301           // when reversed calculate propeller pitch depending on throttle lever position
 302           // (beta range for taxing full reverse for braking)
 303           double PitchReq = MinPitch - ( MinPitch - ReversePitch ) * Reverse_coef;
 304           // The pitch of a variable propeller cannot be changed when the RPMs are
 305           // too low - the oil pump does not work.
 306           if (RPM > 200) Pitch += (PitchReq - Pitch) / 200;
 307           if (RPM > MaxRPM) {
 308             Pitch += (MaxRPM - RPM) / 50;
 309             if (Pitch < ReversePitch) Pitch = ReversePitch;
 310             else if (Pitch > MaxPitch)  Pitch = MaxPitch;
 311           }
 312         }
 313
 314       } else { // Feathered propeller
 315                // ToDo: Make feathered and reverse settings done via FGKinemat
 316         Pitch += (MaxPitch - Pitch) / 300; // just a guess (about 5 sec to fully feathered)
 317       }
 318
 319     } else { // Manual Pitch Mode, pitch is controlled externally
 320
 321     }
 322
 323     cPReq = cPower->GetValue(J, Pitch);
 324   }
 325
 326   // Apply optional scaling factor to Cp (default value = 1)
 327   cPReq *= CpFactor;
 328
 329   // Apply optional Mach effects from CP_MACH table
 330   if (CpMach) cPReq *= CpMach->GetValue(HelicalTipMach);
 331
 332   if (RPS > 0.1) {
 333     PowerRequired = cPReq*RPS*RPS*RPS*D5*rho;
 334     vTorque(eX) = -Sense*PowerRequired / (RPS*2.0*M_PI);
 335   } else {
 336      // For a stationary prop we have to estimate torque first.
 337      double CL = (90.0 - Pitch) / 20.0;
 338      if (CL > 1.5) CL = 1.5;
 339      double BladeArea = Diameter * Diameter / 32.0 * numBlades;
 340      vTorque(eX) = -Sense*BladeArea*Diameter*Vel*Vel*rho*0.19*CL;
 341      PowerRequired = fabs(vTorque(eX))*0.2*M_PI;
 342   }
 343
 344   return PowerRequired;
 345 }
 346
 347 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 348
 349 FGColumnVector3 FGPropeller::GetPFactor()
 350 {
 351   double px=0.0, py, pz;
 352
 353   py = Thrust * Sense * (GetActingLocationY() - GetLocationY()) / 12.0;
 354   pz = Thrust * Sense * (GetActingLocationZ() - GetLocationZ()) / 12.0;
 355
 356   return FGColumnVector3(px, py, pz);
 357 }
 358
 359 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 360
 361 string FGPropeller::GetThrusterLabels(int id, string delimeter)
 362 {
 363   std::ostringstream buf;
 364
 365   buf << Name << " Torque (engine " << id << ")" << delimeter
 366       << Name << " PFactor Pitch (engine " << id << ")" << delimeter
 367       << Name << " PFactor Yaw (engine " << id << ")" << delimeter
 368       << Name << " Thrust (engine " << id << " in lbs)" << delimeter;
 369   if (IsVPitch())
 370     buf << Name << " Pitch (engine " << id << ")" << delimeter;
 371   buf << Name << " RPM (engine " << id << ")";
 372
 373   return buf.str();
 374 }
 375
 376 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 377
 378 string FGPropeller::GetThrusterValues(int id, string delimeter)
 379 {
 380   std::ostringstream buf;
 381
 382   FGColumnVector3 vPFactor = GetPFactor();
 383   buf << vTorque(eX) << delimeter
 384       << vPFactor(ePitch) << delimeter
 385       << vPFactor(eYaw) << delimeter
 386       << Thrust << delimeter;
 387   if (IsVPitch())
 388     buf << Pitch << delimeter;
 389   buf << RPM;
 390
 391   return buf.str();
 392 }
 393
 394 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 395 //    The bitmasked value choices are as follows:
 396 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 397 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 398 //       the config files as they are read. If the environment
 399 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 400 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 401 //       whatsoever.
 402 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 403 //       startup messages
 404 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 405 //       a class is instantiated
 406 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 407 //       FGModel object executes its Run() method
 408 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 409 //       are printed out periodically
 410 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 411 //       a message is printed out when they go out of bounds
 412
 413 void FGPropeller::Debug(int from)
 414 {
 415   if (debug_lvl <= 0) return;
 416
 417   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 418     if (from == 0) { // Constructor
 419       cout << "\n    Propeller Name: " << Name << endl;
 420       cout << "      IXX = " << Ixx << endl;
 421       cout << "      Diameter = " << Diameter << " ft." << endl;
 422       cout << "      Number of Blades  = " << numBlades << endl;
 423       cout << "      Gear Ratio  = " << GearRatio << endl;
 424       cout << "      Minimum Pitch  = " << MinPitch << endl;
 425       cout << "      Maximum Pitch  = " << MaxPitch << endl;
 426       cout << "      Minimum RPM  = " << MinRPM << endl;
 427       cout << "      Maximum RPM  = " << MaxRPM << endl;
 428 //      cout << "      Thrust Coefficient: " <<  endl;
 429 //      cThrust->Print();
 430 //      cout << "      Power Coefficient: " <<  endl;
 431 //      cPower->Print();
 432     }
 433   }
 434   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 435     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGPropeller" << endl;
 436     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGPropeller" << endl;
 437   }
 438   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 439   }
 440   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 441   }
 442   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 443   }
 444   if (debug_lvl & 64) {
 445     if (from == 0) { // Constructor
 446       cout << IdSrc << endl;
 447       cout << IdHdr << endl;
 448     }
 449   }
 450 }
 451 }