src/FDM/JSBSim/models/propulsion/FGTurbine.h

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Header:       FGTurbine.h
   4  Author:       David Culp
   5  Date started: 03/11/2003
   6
   7  ------------- Copyright (C) 2003  David Culp (davidculp2@comcast.net)----------
   8
   9  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  10  the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software
  11  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  12  version.
  13
  14  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  15  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  16  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU Lesser General Public License for more
  17  details.
  18
  19  You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with
  20  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  21  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  22
  23  Further information about the GNU Lesser General Public License can also be found on
  24  the world wide web at http://www.gnu.org.
  25
  26 HISTORY
  27 --------------------------------------------------------------------------------
  28 03/11/2003  DPC  Created, based on FGTurbine
  29 09/22/2003  DPC  Added starting, stopping, new framework
  30 04/29/2004  DPC  Renamed from FGSimTurbine to FGTurbine
  31
  32 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  33 SENTRY
  34 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  35
  36 #ifndef FGTURBINE_H
  37 #define FGTURBINE_H
  38
  39 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  40 INCLUDES
  41 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  42
  43 #include <vector>
  44 #include "FGEngine.h"
  45 #include <input_output/FGXMLElement.h>
  46 #include <math/FGFunction.h>
  47
  48 #define ID_TURBINE "$Id$"
  49
  50 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  51 FORWARD DECLARATIONS
  52 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  53
  54 namespace JSBSim {
  55
  56 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  57 CLASS DOCUMENTATION
  58 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  59
  60 /** This class models a turbine engine.  Based on Jon Berndt's FGTurbine module.
  61     Here the term "phase" signifies the engine's mode of operation.  At any given
  62     time the engine is in only one phase.  At simulator startup the engine will be
  63     placed in the Trim phase in order to provide a simplified thrust value without
  64     throttle lag.  When trimming is complete the engine will go to the Off phase,
  65     unless the value FGEngine::Running has been previously set to true, in which
  66     case the engine will go to the Run phase.  Once an engine is in the Off phase
  67     the full starting procedure (or airstart) must be used to get it running.
  68 <P>
  69     - STARTING (on ground):
  70       -# Set the control FGEngine::Starter to true.  The engine will spin up to
  71          a maximum of about %25 N2 (%5.2 N1).  This simulates the action of a
  72          pneumatic starter.
  73       -# After reaching %15 N2 set the control FGEngine::Cutoff to false. If fuel
  74          is available the engine will now accelerate to idle.  The starter will
  75          automatically be set to false after the start cycle.
  76 <P>
  77     - STARTING (in air):
  78       -# Increase speed to obtain a minimum of %15 N2.  If this is not possible,
  79          the starter may be used to assist.
  80       -# Place the control FGEngine::Cutoff to false.
  81 <P>
  82     Ignition is assumed to be on anytime the Cutoff control is set to false,
  83     therefore a seperate ignition system is not modeled.
  84
  85 <h3>Configuration File Format:</h3>
  86 @code
  87  <turbine_engine name="{string}">
  88   <milthrust unit="{LBS | N}"> {number} </milthrust>
  89   <maxthrust unit="{LBS | N}"> {number} </maxthrust>
  90   <bypassratio> {number} </bypassratio>
  91   <bleed> {number} </bleed>
  92   <tsfc> {number} </tsfc>
  93   <atsfc> {number} </atsfc>
  94   <idlen1> {number} </idlen1>
  95   <idlen2> {number} </idlen2>
  96   <maxn1> {number} </maxn1>
  97   <maxn2> {number} </maxn2>
  98   <augmented> {0 | 1} </augmented>
  99   <augmethod> {0 | 1 | 2} </augmethod>
 100   <injected> {0 | 1} </injected>
 101   <injection-time> {number} </injection-time>
 102  </turbine_engine>
 103 @endcode
 104
 105 <h3>Definition of the turbine engine configuration file parameters:</h3>
 106
 107 <pre>
 108   milthrust   - Maximum thrust, static, at sea level.
 109   maxthrust   - Afterburning thrust, static, at sea level.
 110   bypassratio - Ratio of bypass air flow to core air flow.
 111   bleed       - Thrust reduction factor due to losses (0.0 to 1.0).
 112   tsfc        - Thrust-specific fuel consumption at cruise, lbm/hr/lbf
 113   atsfc       - Afterburning TSFC, lbm/hr/lbf
 114   idlen1      - Fan rotor rpm (% of max) at idle
 115   idlen2      - Core rotor rpm (% of max) at idle
 116   maxn1       - Fan rotor rpm (% of max) at full throttle
 117   maxn2       - Core rotor rpm (% of max) at full throttle
 118   augmented
 119               0 = afterburner not installed
 120               1 = afterburner installed
 121   augmethod
 122               0 = afterburner activated by property /engines/engine[n]/augmentation
 123               1 = afterburner activated by pushing throttle above 99% position
 124               2 = throttle range is expanded in the FCS, and values above 1.0 are afterburner range
 125   injected
 126               0 = Water injection not installed
 127               1 = Water injection installed
 128   injection-time - Time, in seconds, of water injection duration
 129 </pre>
 130
 131 <h3>NOTES:</h3>
 132 <pre>
 133     Bypass ratio is used only to estimate engine acceleration time.  The
 134     effect of bypass ratio on engine efficiency is already included in
 135     the TSFC value.  Feel free to set this parameter (even for turbojets) to
 136     whatever value gives a desired spool-up rate. Default value is 0.
 137
 138     The bleed factor is multiplied by thrust to give a resulting thrust
 139     after losses.  This can represent losses due to bleed, or any other cause.
 140     Default value is 0.  A common value would be 0.04.
 141
 142     Nozzle position, for variable area exhaust nozzles, is provided for users
 143     needing to drive a nozzle gauge or animate a virtual nozzle.
 144
 145     This model can only be used with the "direct" thruster.  See the file:
 146     /engine/direct.xml
 147 </pre>
 148     @author David P. Culp
 149     @version "$Id$"
 150 */
 151
 152 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 153 CLASS DECLARATION
 154 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 155
 156 class FGTurbine : public FGEngine
 157 {
 158 public:
 159   /** Constructor
 160       @param Executive pointer to executive structure
 161       @param el pointer to the XML element representing the turbine engine
 162       @param engine_number engine number  */
 163   FGTurbine(FGFDMExec* Executive, Element *el, int engine_number);
 164   /// Destructor
 165   ~FGTurbine();
 166
 167   enum phaseType { tpOff, tpRun, tpSpinUp, tpStart, tpStall, tpSeize, tpTrim };
 168
 169   double Calculate(void);
 170   double CalcFuelNeed(void);
 171   double GetPowerAvailable(void);
 172   double GetThrust(void) const {return Thrust;}
 173   /** A lag filter.
 174       Used to control the rate at which values are allowed to change.
 175       @param var a pointer to a variable of type double
 176       @param target the desired (target) value
 177       @param accel the rate, per second, the value may increase
 178       @param decel the rate, per second, the value may decrease    */
 179   double Seek(double* var, double target, double accel, double decel);
 180
 181   phaseType GetPhase(void) { return phase; }
 182
 183   bool GetOvertemp(void)  const {return Overtemp; }
 184   bool GetInjection(void) const {return Injection;}
 185   bool GetFire(void) const { return Fire; }
 186   bool GetAugmentation(void) const {return Augmentation;}
 187   bool GetReversed(void) const { return Reversed; }
 188   bool GetCutoff(void) const { return Cutoff; }
 189   int GetIgnition(void) const {return Ignition;}
 190
 191   double GetInlet(void) const { return InletPosition; }
 192   double GetNozzle(void) const { return NozzlePosition; }
 193   double GetBleedDemand(void) const {return BleedDemand;}
 194   double GetN1(void) const {return N1;}
 195   double GetN2(void) const {return N2;}
 196   double GetEPR(void) const {return EPR;}
 197   double GetEGT(void) const {return EGT_degC;}
 198
 199   double getOilPressure_psi () const {return OilPressure_psi;}
 200   double getOilTemp_degF (void) {return KelvinToFahrenheit(OilTemp_degK);}
 201
 202   void SetInjection(bool injection) {Injection = injection;}
 203   void SetIgnition(int ignition) {Ignition = ignition;}
 204   void SetAugmentation(bool augmentation) {Augmentation = augmentation;}
 205   void SetPhase( phaseType p ) { phase = p; }
 206   void SetEPR(double epr) {EPR = epr;}
 207   void SetBleedDemand(double bleedDemand) {BleedDemand = bleedDemand;}
 208   void SetReverse(bool reversed) { Reversed = reversed; }
 209   void SetCutoff(bool cutoff) { Cutoff = cutoff; }
 210   int InitRunning(void);
 211   void ResetToIC(void);
 212
 213   string GetEngineLabels(string delimeter);
 214   string GetEngineValues(string delimeter);
 215
 216 private:
 217
 218   phaseType phase;         ///< Operating mode, or "phase"
 219   double MilThrust;        ///< Maximum Unaugmented Thrust, static @ S.L. (lbf)
 220   double MaxThrust;        ///< Maximum Augmented Thrust, static @ S.L. (lbf)
 221   double BypassRatio;      ///< Bypass Ratio
 222   double TSFC;             ///< Thrust Specific Fuel Consumption (lbm/hr/lbf)
 223   double ATSFC;            ///< Augmented TSFC (lbm/hr/lbf)
 224   double IdleN1;           ///< Idle N1
 225   double IdleN2;           ///< Idle N2
 226   double N1;               ///< N1
 227   double N2;               ///< N2
 228   double MaxN1;            ///< N1 at 100% throttle
 229   double MaxN2;            ///< N2 at 100% throttle
 230   double IdleFF;           ///< Idle Fuel Flow (lbm/hr)
 231   double delay;            ///< Inverse spool-up time from idle to 100% (seconds)
 232   double dt;               ///< Simulator time slice
 233   double N1_factor;        ///< factor to tie N1 and throttle
 234   double N2_factor;        ///< factor to tie N2 and throttle
 235   double ThrottlePos;      ///< FCS-supplied throttle position
 236   double AugmentCmd;       ///< modulated afterburner command (0.0 to 1.0)
 237   double TAT;              ///< total air temperature (deg C)
 238   bool Stalled;            ///< true if engine is compressor-stalled
 239   bool Seized;             ///< true if inner spool is seized
 240   bool Overtemp;           ///< true if EGT exceeds limits
 241   bool Fire;               ///< true if engine fire detected
 242   bool Injection;
 243   bool Augmentation;
 244   bool Reversed;
 245   bool Cutoff;
 246   int Injected;            ///< = 1 if water injection installed
 247   int Ignition;
 248   int Augmented;           ///< = 1 if augmentation installed
 249   int AugMethod;           ///< = 0 if using property /engine[n]/augmentation
 250                            ///< = 1 if using last 1% of throttle movement
 251                            ///< = 2 if using FCS-defined throttle
 252   double EGT_degC;
 253   double EPR;
 254   double OilPressure_psi;
 255   double OilTemp_degK;
 256   double BleedDemand;
 257   double InletPosition;
 258   double NozzlePosition;
 259   double correctedTSFC;
 260   double InjectionTimer;
 261   double InjectionTime;
 262
 263   double Off(void);
 264   double Run();
 265   double SpinUp(void);
 266   double Start(void);
 267   double Stall(void);
 268   double Seize(void);
 269   double Trim();
 270
 271   FGFunction *IdleThrustLookup;
 272   FGFunction *MilThrustLookup;
 273   FGFunction *MaxThrustLookup;
 274   FGFunction *InjectionLookup;
 275
 276   bool Load(FGFDMExec *exec, Element *el);
 277   void bindmodel(void);
 278   void Debug(int from);
 279
 280 };
 281 }
 282 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 283 #endif
 284